Zur Hauptnavigation springen Direkt zum Inhalt springen

Logo: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - zur Startseite Deutsche Forschungsgemeinschaft

Information für die Wissenschaft Nr. 50 | 1. August 2016
Schwerpunktprogramm „Gezielte Nutzung umformtechnisch induzierter Eigenspannungen in metallischen Bauteilen“ (SPP 2013)

Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat die Einrichtung des Schwerpunktprogramms „Gezielte Nutzung umformtechnisch induzierter Eigenspannungen in metallischen Bauteilen“ (SPP 2013) beschlossen. Das Programm ist auf eine Laufzeit von sechs Jahren ausgerichtet. Die Ausschreibung lädt ein zur Antragstellung für die erste der drei zweijährigen Förderperioden.

Problemstellung

Das Streben nach Leichtbaulösungen in der industriellen Fertigung bedingt die Konzeption, Herstellung und Verwendung anwendungsspezialisierter Bauteile. Dabei bietet eine Herstellung mittels umformtechnischer Fertigungsverfahren gegenüber spanenden Fertigungsverfahren zahlreiche Vorteile. Neben hoher Materialausnutzung und Produktivität wird bei umgeformten Bauteilen ein beanspruchungsgerechter Faserverlauf erzielt. Dies führt gegenüber spanend hergestellten Bauteilen zu verbesserten mechanischen Eigenschaften und einer hohen dynamischen Beanspruchbarkeit.

Allerdings wird das Einsatzverhalten von umformtechnisch hergestellten Bauteilen stark von den vorliegenden Eigenspannungen beeinflusst. Der Eigenspannungszustand ist maßgeblich für die Initiierung von Bauteilschädigung sowohl während des Fertigungsprozesses als auch im späteren Einsatz verantwortlich. Die Mess- und Nachweismethoden sowie die werkstofftechnische Modellbildung sind inzwischen sehr weit fortgeschritten, sodass im Labormaßstab für exemplarische Anwendungen Eigenspannungen qualitativ und teilweise auch quantitativ ermittelt werden können. Es gibt aber noch wesentliche Wissenslücken bei sehr vielen umformtechnischen Fertigungsverfahren im Bereich der Entstehung, der Stabilität und Reproduzierbarkeit von Eigenspannungen. Die numerischen Prognosewerkzeuge bieten eine effiziente Möglichkeit der virtuellen Abbildung von Eigenspannungen auf verschiedenen Längenskalen, können aber wegen nicht hinreichend genauer Materialcharakterisierung noch nicht im gewünschten Umfang eingesetzt werden. Die effizienten Modelle und experimentellen Versuchseinrichtungen der Betriebsfestigkeit zeigen einerseits die vielversprechenden Ansätze zur potenziellen Nutzbarkeit von Eigenspannungen und andererseits aber auch noch die großen Herausforderungen zur prozesssicheren Umsetzung bei sehr vielen verschiedenen Prozessen der Blech- und Massivumformung.

Aus diesem Grund werden Eigenspannungen bislang als zu vermeidender Faktor interpretiert, der die Herstellbarkeit von Bauteilen weitgehend negativ beeinflusst. Im Fokus zahlreicher Untersuchungen steht daher die Vermeidung beziehungsweise Reduzierung solcher inneren Belastungen, da diese zu verfrühtem Bauteilversagen führen können. Im Gegensatz dazu wird mit dem geplanten Schwerpunktprogramm angestrebt, Eigenspannungen bewusst mithilfe umformender Fertigungsverfahren in Bauteile einzubringen beziehungsweise die Größe und Verteilung der Eigenspannungen zu steuern und zu kontrollieren, sodass diese einen positiven Einfluss auf relevante Eigenschaften der umformtechnisch hergestellten Bauteile haben.

Wissenschaftliche Ziele

Im Rahmen dieses Schwerpunktprogramms sollen die wissenschaftlichen Grundlagen erarbeitet werden, um die gezielte Nutzung umformtechnisch induzierter Eigenspannungen in metallischen Bauteilen zu ermöglichen. Die Bauteileigenschaften, deren Verbesserung bei den Forschungsprojekten im Vordergrund stehen soll, sind dadurch gekennzeichnet, dass sie ein vorrangiges Auslegungskriterium während des späteren Bauteileinsatzes sind. Exemplarisch können hier die Schwingfestigkeit, die statische Festigkeit sowie die Beulsteifigkeit und -festigkeit in Kombination mit der Eigenschaftsstabilität während des Betriebs genannt werden.

Zusammenfassend wird die Erreichung folgender Programmziele angestrebt, die mit der Nutzung von umformtechnisch induzierten Eigenspannungen zusammenhängen:

  • Nachweis der hinreichenden Stabilität von Eigenspannungen
  • Beherrschung von Prozess- und Materialschwankungen
  • Messbare Eigenschaftsverbesserung der Bauteile durch Produktionsprozesse
  • Etablierung geeigneter Nachweismethoden
  • Verbesserte Vorhersagbarkeit mithilfe geeigneter Simulationsmodelle
  • Überprüfung im Dauerbetrieb

In der ersten Phase soll der qualitative Nachweis erbracht werden, dass Eigenspannungen in Umformbauteilen hinreichend stabil sind und damit prinzipiell im Sinne des Antragsziels genutzt werden können. Die zweite Phase hat zum Ziel, die damit tatsächlich erreichbaren Eigenschaftsverbesserungen für die unterschiedlichen Produktionsprozesse zu quantifizieren und die zugehörigen Simulationsmodelle zu validieren. Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen konzentrieren sich die Arbeiten der dritten Phase auf die Gestaltung, Auslegung und Optimierung der notwendigen Prozesse, Anlagen sowie Werkzeuge im Sinne der Eigenschaftsverbesserung der produzierten Bauteile.

Es werden ausschließlich Themenstellungen im Bereich der Blech- oder Massivumformung für metallische Werkstoffe behandelt, bei denen die gezielte Nutzung von Eigenspannungen bei der Herstellung von Bauteilen im Vordergrund steht. Ein Umformprozess ist dabei ein Vorgang, bei dem Werkstoffe gezielt plastisch in eine andere Form gebracht werden. Betrachtet werden in diesem Schwerpunktprogramm sowohl direkte Umformprozesse (z. B. Tiefziehen inkl. entsprechender Nachfolgeoperationen), Folgeverbundprozesse als auch inkrementelle Umformprozesse.

Nicht im Fokus des Schwerpunktprogrammes stehen:

  • Themenstellungen ohne Bezug zur Blech- oder Massivumformung
  • Projekte, die sich auf eine nachfolgende Wärmebehandlung zur Einstellung des Eigenspannungszustands konzentrieren
  • Verfahren, die sich nur auf die Halbzeugherstellung beschränken
  • Projekte, die lediglich auf die Eliminierung von Eigenspannungen abzielen
  • Zerspanungsprozesse
  • Untersuchungen zur Verschleißbeständigkeit auf der Werkzeugebene
  • Projekte, die sich ausschließlich auf Korrosionserscheinungen beziehungsweise Materialermüdung beschränken und keine primären Bauteileigenschaften untersuchen

Arbeitsprogramme

Die Erforschung dieses Themengebiets kann nur durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit der Fachbereiche Produktionstechnik, Werkstofftechnik, Mechanik und Betriebsfestigkeit erfolgen, da die Beurteilung der Entstehung und Stabilität von Eigenspannungen und deren Auswirkungen auf die Lebensdauer eng mit der Herstellung, den verfügbaren Nachweismethoden sowie der numerischen Simulation und Vorhersagbarkeit zusammenhängen. Zur Verdeutlichung und Konkretisierung werden nachfolgend beispielhaft die thematischen und methodischen Aspekte der beteiligten Fachgebiete erläutert.

Im Fachgebiet Produktionstechnik sollen die Zusammenhänge zwischen einstellbaren Prozessparametern und den entstehenden Eigenspannungen herausgearbeitet werden. Im Hinblick auf den qualitativen und quantitativen Verlauf der Eigenspannungen in den Bauteilen soll ein Verständnis für die erreichbaren Bauteilgenauigkeiten und eine effiziente Prozesssteuerung geschaffen werden.

Im Fachgebiet Werkstofftechnik sollen praxistaugliche Mess- und Auswertestrategien zur Bestimmung von Eigenspannungen in Umformbauteilen beziehungsweise während umformenden Fertigungsprozessen erforscht werden. Insbesondere soll der Einfluss lokaler Bauteilgeometrien, die maßgebliche Auswirkungen auf die Entstehung und Ausbildung von Eigenspannungen haben, mithilfe bestehender sowie neu zu entwickelnder Verfahren auf unterschiedlichen Längenskalen (Mikro- und Makroeigenspannungen) untersucht werden.

Im Fokus des Fachbereichs Mechanik steht die Entwicklung numerischer Ansätze und Modellierungsstrategien, die die simulationsgestützte Berechnung von Eigenspannungen erlauben beziehungsweise verbessern. Hiermit soll die simulationsgestützte Prognosefähigkeit der Nutzbarkeit von Eigenspannungen hinsichtlich der erreichbaren Eigenschaftsverbesserungen im Bauteil erhöht werden.

Das wissenschaftliche Ziel im Bereich der Betriebsfestigkeit ist es, den Einfluss von fertigungsinduzierten Eigenspannungen auf die Lebensdauer zyklisch beanspruchter Bauteile bewerten zu können. Es sollen Modelle entwickelt werden, die eine solche Beschreibung zulassen. Damit kann der Einfluss der Fertigung auf die Betriebsfestigkeit bereits im Produktenwicklungsprozess zutreffend berücksichtig werden.

In allen Bereichen ist eine Sensitivitäts- und Robustheitsanalyse („uncertainty quantification”) durchzuführen, inwieweit Prozessschwankungen die Nutzbarkeit von Eigenspannungen beeinflussen.

Antragstellung

Bitte reichen Sie Ihren Antrag bis spätestens 21. November 2016 über das elan-Portal ein – dieses steht Ihnen für die Erfassung der antragsbezogenen Daten und zur sicheren Übermittlung von Dokumenten zur Verfügung. Wählen Sie in der angebotenen Liste der Ausschreibungen unter der Rubrik Schwerpunktprogramme „SPP 2013“ aus. Berücksichtigen Sie bitte beim Aufbau Ihres Antrags das DFG-Merkblatt 54.01 zu Sachbeihilfen mit Leitfaden für die Antragstellung und die Hinweise im Merkblatt Schwerpunktprogramm 50.05, Teil B – Allgemeine Informationen zur Antragstellung (insbesondere zur Antragsberechtigung und zu den beantragbaren Mitteln).

Handelt es sich bei dem Antrag innerhalb dieses Schwerpunktprogramms um Ihren ersten Antrag bei der DFG, berücksichtigen Sie, dass Sie sich bis zwei Wochen vor der Antragstellung im elan-Portal registrieren müssen. Die Bestätigung der Registrierung erfolgt in der Regel bis zum darauffolgenden Arbeitstag. Ohne vorherige Registrierung ist eine Antragstellung nicht möglich.

Die eingehenden Anträge werden voraussichtlich am 14./15. März 2017 im Rahmen eines Kolloquiums mit anschließender Gutachtersitzung vorgestellt. Die Antragstellerinnen und Antragsteller werden rechtzeitig nach Antragseingang von der DFG dazu eingeladen.

Weiterführende Informationen

Das elan-Portal der DFG zur Einreichung der Anträge finden Sie unter:

Die Merkblätter DFG-Vordruck 50.05 und 54.01 stehen unter:

Inhaltliche Rückfragen beantwortet Ihnen der Koordinator des Schwerpunktprogramms:

  • Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk,
    Technische Universität München,
    Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen,
    Walther-Meißner-Straße 4, 85748 Garching,
    Tel. +49 89 289-13790,
    wolfram.volk@utg.de

Informationen zur Antragstellung bei der DFG erteilen:

Inhaltliche Informationen:

Formale Informationen:

© 2010-2017 by DFG
Ausdruck aus dem Angebot der DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft)