Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat im März 2022 die Einrichtung des Schwerpunktprogramms „Greybox-Modelle zur Qualifizierung beschichteter Werkzeuge für die Hochleistungszerspanung“ (SPP 2402) beschlossen. Als Laufzeit sind sechs Jahre vorgesehen.  Hiermit wird zur Einreichung von Fortsetzungs- und Neuanträgen für die zweite dreijährige Förderperiode eingeladen.

Problemstellung

Der überwiegende Teil der Zerspanoperationen mit geometrisch bestimmter Schneide wird mit beschichteten Hartmetallwerkzeugen ausgeführt. Das reale, komplexe Einsatzverhalten dieser Werkzeuge kann mit rein physikalisch basierten Modell-Ansätzen (Whitebox-Modellen) nicht zufriedenstellend simuliert werden. Weder Werkstoff- noch Prozessmodelle können Versagensbeginn, Verschleißfortschritt und Restlebensdauer realitätsnah simulieren oder prognostizieren. Um ein tiefergehendes Verständnis zu erlangen, muss das tribologische System der Zerspanung umfassender und ganzheitlicher ausgewertet und analysiert werden. Fortschritte unter anderem in der Werkstoffanalytik, der Messtechnik und der Datenanalyse werden noch nicht ausreichend in die Beschreibung des Schädigungsverlaufs einbezogen. Jede einzelne Disziplin verfügt über ein hervorragendes, spezifisches Vorwissen, das in Form von Whitebox-Modellen immer detaillierter und atomistischer beschrieben wird. Dazu zählen zum Beispiel numerische Simulationen, die mit zunehmender Detaillierung jedoch immer rechen- und zeitintensiver werden. Die hochgradig nichtlinearen Wechselwirkungen der Realität können aufgrund notwendiger, vereinfachender Annahmen dennoch nie vollständig beschrieben werden. Als Grenzen für die bisher verfolgten Whitebox-Modelle können zwei Gründe ausgemacht werden:

1. Die gewählten Systemgrenzen limitieren eine vollständige Betrachtung. Nicht alle verfügbaren Daten sind in Whitebox-Modelle integrierbar und nicht alle notwendigen Eingangsdaten messbar. Nicht alle auftretende Phänomene sind in Form von Ursache-Wirkungs-Zusammenhängen mit physikalischen Gesetzen beschreibbar.

2. Das werkstoffimmanent stochastische Versagen beschichteter Werkzeuge im realen Einsatz wird in den verfügbaren, oft idealisierten Whitebox-Modellen nicht ausreichend berücksichtigt. Bereits eine Eingrenzung dieser Unsicherheit bietet großes Potenzial zur Effizienzsteigerung.

Gleichzeitig gibt es beachtliche Fortschritte in der Werkstoffanalytik, um den Verschleißfortschritt der Werkzeuge an diskreten Zeitpunkten zu beschreiben. Zusätzlich ermöglicht die Mess- und Sensortechnik die Erfassung von Veränderungen im Zerspanprozess auch in Form von Zeitreihendaten. Beides trägt einerseits zum besseren Verständnis bei, andererseits können die gewonnenen Daten mit Methoden des maschinellen Lernens (Blackbox-Modelle) verarbeitet werden. Die damit erreichbare Prognosefähigkeit des Verschleißes bei ausreichender Datenbasis ist teilweise bereits sehr vielversprechend. Physikalische Wirkzusammenhänge bleiben bei reinen Blackbox-Modellen jedoch häufig weiterhin unverstanden und ihre Robustheit in Bezug auf veränderliche Randbedingungen ist unsicher.

Wissenschaftliche Ziele

Als übergeordnetes Forschungsziel sollen Ursache-Wirkungszusammenhänge in Bezug auf den Verschleißverlauf beschichteter Zerspanwerkzeuge mit Hilfe von Greybox-Modellen erarbeitet werden. Das bedeutet, deterministische Modelle (Whitebox) mit datengetriebenen Modellen (Blackbox) in Greybox-Modellen zu verknüpfen (Bild 1). Mit diesen Greybox-Modellen sollen dann die rein deterministisch nicht beschreibbaren zeitlichen Veränderungen der Werkzeuge im Einsatz bis hin zum Standzeitende erfasst werden. 

Ziel aller Projekte ist der Aufbau individueller Greybox-Modelle, die eine Qualifizierung beschichteter Werkzeuge für die Hochleistungszerspanung ermöglichen. Damit soll die derzeit existierende Wissenslücke zwischen stationären Werkstoffeigenschaften vor und nach dem Einsatz, also das instationäre Systemverhalten der beschichteten Werkzeuge in der Zerspanung, erforscht und geschlossen werden. 

Ergebnisse der ersten Förderperiode und Ziele der zweiten Förderperiode

Die Datenerfassung aus Zerspanversuchen und Werkzeuguntersuchungen stand im Fokus der ersten Förderperiode. Hierzu wurden neuartige Mess- und Analyseverfahren qualifiziert. Mit Hilfe von in situ-Messtechnik in Zerspan- oder Analogietests wird das thermomechanische Beanspruchungskollektiv auf die Werkzeuge und teilweise auch der Verschleiß als Zeitreihen erfasst. Die zeitlichen Veränderungen im Verschleißfortschritt der Werkzeuge wurden mittels Schadensanalysen erforscht und in quantifizierbare Werte für die spätere Datenanalyse überführt. Auch wurden erste Greybox-Modelle aufgebaut und erprobt. Insgesamt ist bereits erkennbar, dass dadurch die Prognosefähigkeit im Vergleich zu reinen Blackbox-Modellen ohne Vorwissen verbessert wird. 

In der zweiten Förderperiode soll auf Basis neuer Erkenntnisse untersucht werden, wie der Verschleißverlauf von beschichteten Zerspanwerkzeugen während des Einsatzes besser prognostiziert werden kann. Als Ergebnis sollen wissensbasierte Entscheidungshilfen zur Verfügung stehen, die die Auswahl geeigneter Werkzeuge erleichtern und zu einer besseren Werkzeugempfehlung für die konkrete Zerspanoperation eines spezifischen Werkstoffs befähigen (Bild 2). 

Von essenzieller Bedeutung hierfür ist es, die Datenrate weiter zu steigern. Es wird erwartet, dass durch die Verwendung der Greybox-Modelle bei ausreichend großer Datenmenge neue Signifikanzen zu Ursache-Wirkungszusammenhängen sichtbar werden, die in der zweiten Förderperiode grundlegend erforscht werden sollen und zu einem erweiterten Verständnis des Verhaltens beschichteter Werkzeuge führen. Die Anwendbarkeit verschleißbasierter Standzeitmodelle für beschichtete Werkzeuge wird davon abhängen, wie gut relevante Wirkmechanismen in der Zerspanung verstanden werden und in den Greybox-Modellen Berücksichtigung finden. Die Qualität der Greybox-Modelle soll zusätzlich durch eine Übertragbarkeit auf veränderte Tribosysteme sichergestellt werden, damit wird gleichzeitig der Datenraum und die Datenmenge erweitert. Dies beinhaltet zum Beispiel eine Variation der Werkzeuggeometrie, der Stoffeigenschaften der Triboelemente oder der Zerspanprozessparameter. 

Arbeitsprogramm

Die eigentliche Herausforderung besteht in der Erweiterung und Optimierung der bereits erarbeiteten ersten Konzepte für Greybox-Modelle, um beispielsweise auch das reale stochastische Verhalten der Werkzeuge zu erfassen. Dabei müssen Whitebox-Modelle erweitert und Blackbox-Modelle in der Prognosefähigkeit verbessert werden. Die Versuchsdurchführung, Datenerhebung, Datenaufbereitung und Datenanalyse erfordert in jedem Projekt die Expertise auf dem Gebiet der Zerspantechnologie sowie Beschichtungs-/Werkstofftechnik. Die Bewertung der Daten nach Qualitätskriterien und Messunsicherheiten folgen den Regeln der Qualitätswissenschaft. 

Die Greybox-Modelle basieren auf deterministischen Modellen (Whitebox), die durch in situ-Messdaten (Blackbox) justiert werden können. Das Systemverhalten der Werkzeuge ist Teil der Greybox-Modelle, um die zeitabhängigen Veränderungen der Werkstoffeigenschaften und des Beanspruchungskollektivs während der Zerspanung zukünftig zu berücksichtigen. Aufseiten der Werkstofftechnik werden zwar die beschichteten Werkzeuge im Herstellungszustand und zum Standzeitende analysiert. Deutlich stärker im Fokus stehen hier aber die zeitabhängigen Veränderungen aufgrund der thermischen, mechanischen und chemischen Belastungen im Einsatz. Das Beanspruchungskollektiv im Zerspanprozess kann unter anderem in Form von Kräften, Temperaturen, Bildern oder akustischen Emissionen in situ erfasst werden. Zielführend ist es, Veränderungen der in situ-Messdaten auf den Schädigungsfortschritt der Werkzeuge zurückführen zu können, wozu eine hinreichende Datenquantität und -qualität zwingend erforderlich ist. Neben experimentellen Daten können auch numerische Simulationen weitere wertvolle Daten liefern, die messtechnisch nicht zu erfassen sind. Die Erweiterung der Datensätze hinsichtlich Umfang und Qualität ist ein Eckpfeiler in der zweiten Förderperiode, jedoch stets mit dem Fokus auf die Qualifizierung und Validierung der Greybox-Modelle. Es gilt, bisher nicht bekannte, relevante Wechselwirkungen und Wirkmechanismen zu identifizieren, die den Werkzeugverschleiß besser beschreiben. Damit werden zukünftig die Modelle und die Datenerfassung deutlich effektiver gestaltet werden können. Wünschenswert wäre zu wissen, welche Daten für die Bewertung des Werkzeugverschleißes von Bedeutung sind. Um die probabilistischen Aussagen aus Greybox-Modellen sinnvoll bewerten zu können, bleibt die Definition und Berücksichtigung von Qualitätsmerkmalen für die verwendeten Daten wichtig. Die valide Interpretation der Ergebnisse erfordert zwingend eine ganzheitliche Betrachtung über die Werkzeugstandzeit und eine interdisziplinäre Zusammenarbeit. 

Eingrenzung der wissenschaftlichen Fragestellung

Voraussetzungen für die Bearbeitung in der zweiten Förderperiode sind ein erstes erprobtes Konzept für ein Greybox-Modell sowie vorliegende Ergebnisse aus der Zerspanung von C45+N und wahlweise weiteren Stahlsorten als Werkstückstoff. Zur Dokumentation des stochastischen Versagens von beschichteten Werkzeugen wird eine hinreichende Anzahl an Wiederholungen der Experimente benötigt. Die Entwicklung neuer Messtechnik oder Werkstoffanalytik steht nicht im Vordergrund, kann aber im Einzelfall zu neuen Lösungsansätzen führen und soll daher nicht generell ausgeschlossen werden. Vorgesehen ist, (Konsortial-)Projekte zu fördern, die sich bevorzugt aus zwei bis drei der oben genannten Disziplinen zusammensetzen.

Die wesentliche Eingrenzung erfolgt über die verwendeten Werkzeuge, Werkstückwerkstoffe und Zerspanoperationen. Bereits einsatzfähige Schichtsysteme werden unmittelbar zum Projektstart ausschließlich auf Werkzeugen aus Hartmetall abgeschieden und für die Zerspanversuche in ausreichender Menge zur Verfügung gestellt. Prozessdaten zur Herstellungshistorie der beschichteten Werkzeuge sind nicht zwingend notwendig. Um Ergebnisse und Daten aus Vorarbeiten nutzen zu können, wird der im Rahmen des SPP zu verwendende Werkstückwerkstoff auf „Stahl“ und C45+N als (zusätzlich) zu betrachtender Werkstoff festgelegt. Als Zerspanoperationen werden lediglich Drehen oder Fräsen betrachtet. 

Nicht gefördert werden:

• die grundlegende Neuentwicklung von Schichtsystemen

• Zerspanversuche mit ausschließlich unbeschichteten Werkzeugen – unbeschichtete Werkzeuge können allenfalls zu Referenzzwecken mituntersucht werden.

• Zerspanprozesse über das Drehen und Fräsen hinaus

• reine Blackbox-Modelle, wie z. B. in Ansätzen der Künstlichen Intelligenz

• reine Whitebox-Modelle, wie z. B. in rein numerischen Simulationen

• die grundlegende Neuentwicklung von Algorithmen der Statistik oder des maschinellen Lernens

Reichen Sie Ihren Antrag bitte bis spätestens 2. Juni 2026 bei der DFG ein. Zur Erfassung der antragsbezogenen Daten und zur sicheren Übermittlung von Dokumenten erfolgt die Antragstellung ausschließlich über das elan-Portal(externer Link).

Antragsteller*innen, die in diesem Schwerpunktprogramm bereits gefördert werden und einen Fortsetzungsantrag stellen möchten, nutzen in elan die Registerkarte „Antragstellung – Antragsübersicht/Fortsetzungsantrag“. Hier wird das in der Förderung befindliche Projekt angezeigt und der Fortsetzungsantrag eingereicht.

Sofern Sie beabsichtigen, einen Neuantrag einzureichen, wählen Sie in elan unter „Antragstellung – Neues Projekt – Schwerpunktprogramm“ aus der angebotenen Liste bitte „SPP 2402 – Greybox-Modelle zur Qualifizierung beschichteter Werkzeuge für die Hochleistungszerspanung“ aus.

Handelt es sich um Ihren ersten Antrag bei der DFG, beachten Sie, dass Sie sich vor der Antragstellung im elan-Portal registrieren müssen. Ohne Registrierung bis zum 18. Mai 2026 ist eine Antragstellung nicht möglich. Bitte wählen Sie bei der Registrierung „SPP 2402 – Greybox-Modelle zur Qualifizierung beschichteter Werkzeuge für die Hochleistungszerspanung“ aus der Liste der Ausschreibungen aus. Die Bestätigung der Registrierung erfolgt in der Regel bis zum darauffolgenden Arbeitstag.

Berücksichtigen Sie für die Erstellung Ihres Antrags bitte das Merkblatt Schwerpunktprogramm (DFG-Merkblatt 50.5(interner Link), Teil B „Projekte in einem eingerichteten Schwerpunktprogramm“) und den Leitfaden für die Antragstellung – Projektanträge (DFG-Merkblatt 54.01(interner Link)). Diese Dokumente stehen auf der DFG-Website sowie im elan-Portal zur Verfügung.

Das Begutachtungskolloquium des Schwerpunktprogramms wird am 9./10. September 2026 in Aachen stattfinden.

Gleichstellung und Diversität

Die DFG begrüßt ausdrücklich Antragstellungen von Forscher*innen aller Geschlechter und sexueller Identitäten, aus verschiedenen ethnischen, kulturellen, religiösen, weltanschaulichen oder sozialen Hintergründen, verschiedener Karrierestufen, Hochschultypen und Forschungseinrichtungen sowie mit Behinderung oder chronischer Erkrankung. Im Hinblick auf den fachlichen Schwerpunkt dieser Ausschreibung fordert die DFG insbesondere Wissenschaftlerinnen explizit auf, Anträge zu stellen.

Gute wissenschaftliche Praxis

Nach einem Beschluss der DFG-Mitgliederversammlung dürfen Fördermittel der DFG nur an wissenschaftliche Einrichtungen vergeben werden, welche die im Kodex zur Sicherung guter wissenschaftlicher Praxis(externer Link) niedergelegten Leitlinien in eigenes Recht umgesetzt haben. Für die rechtsverbindliche Umsetzung ist die Leitung Ihrer Institution zuständig. Um eine Auszahlung von Fördermitteln nicht zu verzögern, prüfen Sie daher bitte frühzeitig einrichtungsintern, ob eine Umsetzung erfolgt ist. Hinweise zur Umsetzung finden Sie im Portal „Wissenschaftliche Integrität“(externer Link). Für weitere Fragen und Erläuterungen steht das innerhalb der DFG-Geschäftsstelle zuständige Team Wissenschaftliche Integrität(externer Link) zur Verfügung.

Weiterführende Informationen

Detaillierte Informationen zum SPP sowie zur Ausschreibung sind auf der Website des SPP(externer Link) zusammengefasst.

Bitte nutzen Sie zur Einreichung eines Antrags das elan-Portal(externer Link) und beachten Sie die Hinweise im Merkblatt Schwerpunktprogramm (DFG-Merkblatt 50.05(interner Link), Teil B „Projekte in einem eingerichteten Schwerpunktprogramm“) und den Leitfaden für die Antragstellung – Projektanträge (DFG-Merkblatt 54.01(interner Link)). Hilfreich können auch die FAQs zur Antragsvorbereitung(interner Link) sein.

Fragen zu den wissenschaftlichen Zielen des Schwerpunktprogramms beantwortet Ihnen die Koordinatorin:

Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Fakultät für Maschinenwesen, Institut für Oberflächentechnik (IOT), Kackertstraße 15, 52072 Aachen, Tel. +49 241 80-95329, info@iot.rwth-aachen.de(externer Link)

Ansprechpersonen

• Fachlich: Dr.-Ing.Sebastian Heidrich(externer Link), Tel. +49 228 885-2277

• Administrativ: Gudrun Freitag(externer Link), Tel. +49 228 885-2623

Datenschutz

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG) nimmt den Schutz personenbezogener Daten und deren vertrauliche Behandlung sehr ernst. Bitte beachten Sie daher die Datenschutzhinweise der DFG(interner Link). Bitte denken Sie daran, dass Sie Daten Dritter nur übermitteln sollten, wenn die dafür erforderliche datenschutzrechtliche Legitimation besteht. Bevor Sie Daten Dritter an uns weiterleiten, denken Sie bitte auch daran, die Datenschutzhinweise der DFG vorher an die betroffenen Personen weiterzuleiten. Besteht ein berechtigtes Interesse, Personen nicht vorab zu informieren (z. B. aus Gründen der Geheimhaltung, der Nominierung oder eines Wahlvorschlags), dann sollte eine Information spätestens mit der Veröffentlichung erfolgen.