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Information für die Wissenschaft Nr. 97 | 20. Dezember 2018
Schwerpunktprogramm „Gezielte Nutzung umformtechnisch induzierter Eigenspannungen in metallischen Bauteilen“ (SPP 2013)

Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat im März 2016 die Einrichtung des Schwerpunktprogramms „Gezielte Nutzung umformtechnisch induzierter Eigenspannungen in metallischen Bauteilen“ (SPP 2013) beschlossen. Als Laufzeit sind sechs Jahre vorgesehen. Die DFG lädt hiermit ein zur Antragstellung für die zweite zweijährige Förderperiode.

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 ermöglichen zu können. 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.

In der ersten Phase wurden bereits folgende Ziele erreicht:

  • reproduzierbare Einstellung von Eigenspannungszuständen mithilfe umformender Fertigungsverfahren
  • Steuerung der Eigenspannungszustände in Größe und Verteilung durch eine gezielte Prozessführung
  • qualitativer Nachweis der Eigenspannungen
  • Etablierung geeigneter Nachweismethoden
  • Aufbau geeigneter Simulationsmodelle
  • Herstellung von repräsentativen Bauteilen

Für die zweite Phase werden folgende Programmziele angestrebt:

  • Quantifizierung der Relevanz von Störgrößen und Materialschwankungen für den ausgewählten Umformprozess
  • Quantifizierung der Eigenschaftsverbesserung der Bauteile durch Eigenspannungen
  • Validierung der Simulationsmodelle im Hinblick auf die Eigenschaftsprognosen
  • Validierung von Messmethoden für die Eigenspannungen

Für die dritte Phase sind folgende Ziele geplant:

  • Sicherstellung der Vorhersagbarkeit der Eigenschaftsverbesserungen mithilfe geeigneter Simulationsmodelle für den Betrieb der Bauteile
  • Gestaltung, Auslegung und Optimierung der Prozesse
  • Überprüfung im Dauerbetrieb (Beständigkeit der Eigenspannungen unter gegebenen Randbedingungen)

In der ersten Phase konnte der qualitative Nachweis erbracht werden, dass Eigenspannungen in Umformbauteilen gezielt eingebracht und damit prinzipiell im Sinne des Antragsziels genutzt werden können. Die zweite Phase hat zum Ziel, die damit tatsächlich erzielbaren 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 inklusive entsprechender Nachfolgeoperationen), Folgeverbundprozesse als auch inkrementelle Umformprozesse.

Nicht im Fokus des Schwerpunktprogramms stehen:

  • Themenstellungen, die keinen Bezug zur Blech- oder Massivumformung besitzen
  • Projekte, die sich auf eine nachfolgende Wärmebehandlung zur Einstellung des Eigenspannungszustandes 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, da diese in der Regel auf der Werkzeug- und nicht auf der relevanten Bauteilebene auftreten
  • Projekte, die sich ausschließlich auf Korrosionserscheinungen beziehungsweise -ermüdung beschränken und keine primären Bauteileigenschaften untersuchen

Arbeitsprogramme der Fachkreise

Die Erforschung dieses Themengebiets kann nur durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit der Fachbereiche Produktionstechnik, Mechanik, Simulation, Werkstofftechnik, Betriebsfestigkeit, Messtechnik und Prüftechnik erfolgen, da die Beurteilung der Entstehung und Stabilität von Eigenspannungen und deren Auswirkungen beginnend bei der Produktentstehung bis zum Ende des Produktlebenszyklus betrachtet werden muss. Zur Förderung des Austauschs sind vier Fachkreise definiert. Aufgrund der Fokussierung auf die Produktionstechnik wird jedes Teilprojekt einem der beiden Fachkreise Produktionstechnik dünnwandig oder Produktionstechnik dickwandig zugeordnet. Je nach Ausrichtung der Teilprojekte erfolgt eine zusätzliche Teilnahme am Fachkreis Mechanik und Simulation beziehungsweise am Fachkreis Werkstoffe, Betriebsfestigkeit, Mess- und Prüftechnik. Die Schwerpunkte der Fachkreise sind im Folgenden dargestellt.

Fachkreis Produktionstechnik dünnwandig

Im Fachkreis Produktionstechnik dünnwandig sollen die Zusammenhänge zwischen einstellbaren Prozessparametern und den entstehenden Eigenspannungen in der Blechverarbeitung oder bei der Herstellung blechähnlicher dünnwandiger Bauteile 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 Prozessauslegung geschaffen werden.

Fachkreis Produktionstechnik dickwandig

Im Fachkreis Produktionstechnik dickwandig sollen die Zusammenhänge zwischen den einstellbaren Prozessparametern und den entstehenden Eigenspannungen bei der Herstellung massivumgeformter Bauteile oder bei Prozessen mit einem der Massivumformung ähnlichen Werkstofffluss 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.

Fachkreis Mechanik und Simulation

Im Fokus des Fachkreises Mechanik und Simulation 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 erzielbaren Eigenschaftsverbesserungen im Bauteil erhöht werden.

Fachkreis Werkstoffe, Betriebsfestigkeit, Mess- und Prüftechnik

Im Fachkreis Werkstoffe, Betriebsfestigkeit, Mess- und Prüftechnik 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. Desweiteres wird der Einfluss von fertigungsinduzierten Eigenspannungen auf die Lebensdauer zyklisch beanspruchter Bauteile bewertet.

Reichen Sie Ihren Antrag für die zweite Förderphase bitte bis spätestens 15. März 2019 bei der DFG ein. Die Antragstellung erfolgt ausschließlich über das elan-Portal zur Erfassung der antragsbezogenen Daten und zur sicheren Übermittlung von Dokumenten. Sofern Sie beabsichtigen, einen Neuantrag einzureichen, wählen Sie bitte unter „Antragstellung – Neues Projekt – Schwerpunktprogramm“ im elektronischen Formular aus der angebotenen Liste „SPP 2013 – Gezielte Nutzung umformtechnisch induzierter Eigenspannungen in metallischen Bauteilen“ aus.

Handelt es sich bei dem Antrag innerhalb dieses Schwerpunktprogramms um Ihren ersten Antrag bei der DFG, beachten Sie, dass Sie sich vor der Antragstellung im elan-Portal registrieren müssen. Ohne Registrierung bis zum 8. März 2019 ist eine Antragstellung nicht möglich. Bitte wählen Sie im Registrierungsformular bei den abschließenden Angaben ebenso wie bei der Antragstellung Ihr Schwerpunktprogramm aus der angebotenen Liste der Ausschreibungen aus. Die Bestätigung der Registrierung erfolgt in der Regel bis zum darauffolgenden Arbeitstag.

Antragstellerinnen und Antragsteller, die bereits gefördert werden und einen Fortsetzungsantrag stellen wollen, müssen den Antrag über die Registerkarte „Antragstellung – Antragsübersicht/Fortsetzungsantrag“ einreichen. Hier wird Ihr in der Förderung befindliches Projekt angezeigt, und Sie können Ihren Fortsetzungsantrag stellen.

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. Bitte senden Sie ein weiteres Exemplar des Antrags in elektronischer Form an den Koordinator des Programms.

Die eingehenden Anträge werden voraussichtlich am 28./29. Mai 2019 in Bonn im Rahmen eines Kolloquiums mit anschließender Gutachtersitzung vorgestellt. Die Antragstellerinnen und Antragsteller werden rechtzeitig nach Antragseingang von der DFG dazu eingeladen.

Weiterführende Informationen

Detaillierte Informationen zum Schwerpunktprogramm erhalten Sie im Internet unter:

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

Die Merkblätter DFG-Vordruck 50.05 und 54.01 stehen unter:

Inhaltliche Fragen beantwortet Ihnen der Koordinator des Schwerpunktprogramms:

  • Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk,
    Technische Universität München, Fakultät für Maschinenwesen,
    Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen,
    Walther-Meißner-Str., 85747 Garching,
    Tel. +49 289 13790,
    Link auf E-Mailwolfram.volk@utg.de

Auskünfte zur Antragstellung bei der DFG erteilen:

Fachlich:

Formal:

Hinweis:

Diese "Ausschreibung - Information für die Wissenschaft" ist unter Interner Linkwww.dfg.de/foerderung/info_wissenschaft/2018/info_wissenschaft_18_97  
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