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Information für die Wissenschaft Nr. 33 | 21. Mai 2019
Schwerpunktprogramm „Effizientes Kühlen, Schmieren und Transportieren – Gekoppelte mechanische und fluid-dynamische Simulationsmethoden zur Realisierung effizienter Produktionsprozesse (FLUSIMPRO)“ (SPP 2231)

Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat im März 2019 die Einrichtung des Schwerpunktprogramms „Effizientes Kühlen, Schmieren und Transportieren – Gekoppelte mechanische und fluid-dynamische Simulationsmethoden zur Realisierung effizienter Produktionsprozesse (FLUSIMPRO)“ (SPP 2231) beschlossen. Als Laufzeit sind sechs Jahre vorgesehen. Die DFG lädt hiermit ein zur Antragstellung für die erste zweijährige Förderperiode.

Problemstellung

In nahezu allen Produktionsprozessen kommen Fluide als Kühlschmierstoff (KSS) zum Einsatz. Sie zählen neben der verwendeten Maschinentechnik, den Prozessstellgrößen, den Werkzeugen sowie den zu bearbeitenden Werkstoffen zu den elementaren Prozesseinflussgrößen. Ein detailliertes Verständnis über das Verhalten von KSS, insbesondere bei der Bearbeitung anspruchsvoller Materialien, ist daher für einen zielgerichteten und effizienten KSS-Einsatz von essenzieller Bedeutung. Mit experimentellen Methoden können jedoch die relevanten Längen- und Zeitskalen nur unzureichend analysiert werden, sodass die Entwicklung neuer Methoden zur vollständigen Prozesssimulation erforderlich ist, um die komplexen Vorgänge beim Einsatz von Fluiden in Produktionsprozessen detailliert abbilden und somit das volle Potenzial des Einsatzes von KSS ausschöpfen zu können.

Übergeordnete Zielsetzung

Aus der geschilderten Problemstellung leitet sich als übergeordnete Zielsetzung des Programms ab, die erforderlichen Grundlagen durch interdisziplinäre Kooperation zu schaffen und gekoppelte mechanische und fluiddynamische Simulationsmethoden zu realisieren. Im Fokus stehen ausschließlich Produktionsprozesse, bei denen der KSS kühlende, schmierende und transportierende Funktionen, zum Beispiel von Spänen, Ladungsträgern, Abrasivmitteln oder Reaktionsprodukten übernimmt.

Erste Phase (Grundlagen)

In der ersten Phase sollen zunächst grundlegende experimentelle und simulative Untersuchungen von Makro- und Mikrowirkmechanismen von KSS in Produktionsprozessen betrachtet werden, bei denen der KSS kühlende, schmierende und transportierende Funktionen übernimmt. So ist zu klären, welche Randbedingungen zu betrachten sind und welche gegebenenfalls erforderlichen Vereinfachungen zu realitätsnahen mathematischen und strömungsmechanischen Ansätzen sowie 3-D-Modellierungsmethoden führen.

Zweite Phase (Anwendung)

In der zweiten Phase ist es geplant, die Ergebnisse und Modelle aus der ersten Phase auf simulationstechnische Anwendungen zu übertragen. Im Fokus stehen die Einflussanalyse, die Parameteridentifikation und die Validierung von Modellierungsansätzen. Des Weiteren sind die Kopplung von Struktur- und Strömungsmechanik sowie die Modellierung von Fluid-Struktur-Interaktionen vorgesehen.

Dritte Phase (Optimierung)

In der dritten Phase sind die entwickelten Simulationsmethoden zur Werkzeug- und Prozessoptimierung einzusetzen, um basierend auf einem größeren Verständnis der Zusammenhänge und der komplexen Wechselwirkungen beim KSS-Einsatz zu effizienteren Produktionsprozessen zu gelangen. Zudem sollen rechenzeitreduzierte KSS-Strömungssimulationen zu einer ergebnisorientierten Fertigungsoptimierung führen und die Implementierung und Validierung entsprechender Methoden der Fluid-Struktur-Kopplung es erlauben, das volle Potenzial eines effizienten KSS-Einsatzes auszuschöpfen.

Aspekte der folgenden Fragestellungen sollen in den einzureichenden Anträgen fokussiert werden:

  • Modellierung und Simulation von Fluid-Partikel-Interaktionen, insbesondere beim Abtransport von abgetragenen Partikeln und Spänen durch enge Spalte im Zusammenspiel mit Materialmodellen für die Produktionsprozesse selbst.
  • Beschreibung von dynamisch veränderlichen 3-D-Rechengebieten, die zum Beispiel aus engen Zylinderspalten und dem Komplement der Werkzeuggeometrien bestehen, wobei hohe Relativgeschwindigkeiten und gleichzeitig langsamere Veränderungen der Werkzeugposition und der Werkstückgeometrie zu beachten sind.
  • Durch den Produktionsprozess erforderliche adaptive Vernetzung und neue Vernetzungsmethoden unter Einbeziehung der komplexen dynamischen Randbedingungen.
  • Simulation und Modellierung von mehrskaligen Problemstellungen zur Abbildung der im Produktionsprozess auftretenden Phänomene.
  • Hochgenaue und robuste Simulationstechniken für Teilbenetzung beziehungsweise Teilfüllung durch (eventuell nicht newtonsche) KSS und der zugehörigen mehrskaligen Modellierung des Wärmetransports.
  • Entwicklung von gitterfreien Methoden für die Anwendungen in Fluidsimulationen in Produktionsprozessen.
  • Modellierung des Wärmeübergangs in KSS und des Wärmetransports durch KSS.
  • Modellierungsansätze für die Interaktion zwischen Fluid und Werkzeugelektroden für ECM- und EDM-Prozesse.
  • Modellierungs- und Simulationstechniken für Hybridprozesse zwischen ECM und EDM sowie synergistische Wechselwirkungen zwischen elektrochemischen und elektrischen Entladungsphänomenen in ECM- und EDM-Prozessen mit wasserbasiertem KSS.
  • Entwicklung massiv paralleler Methoden inklusive adaptiver Lastverteilung für die Mehrphasenströmung bei Produktionsprozessen.
  • Kombination von physikbasierten und datenbasierten Modellentwicklungen bei Produktionsprozessen.
  • Optimierung der Modellansätze unter Berücksichtigung von Uncertainty-Quantification-Verfahren für Produktionsprozesse.

Darüber hinaus sind unter anderem folgende prozesstechnische Aspekte mithilfe der Strömungssimulation zu analysieren:

  • Welche Teile des Werkzeugs und des Werkstücks werden beim Prozess von welcher Menge des KSS in welcher Form benetzt?
  • Welche mechanischen, thermischen und tribologischen Auswirkungen erzeugt das Auftreffen von KSS?
  • Wie werden abgetrennte Späne beziehungsweise Abtragsprodukte durch den KSS, speziell bei Bohr-, aber auch bei weiteren Fertigungsprozessen, transportiert? Ist diese Transportwirkung ausreichend, um etwa eine hohe Prozesssicherheit zu gewährleisten?

Es sollen ausschließlich Produktionsprozesse betrachtet werden, bei denen der KSS kühlende, schmierende und transportierende Funktionen übernimmt. Darüber hinaus ist es im Rahmen des Schwerpunktprogramms nicht vorgesehen, KSS-Medien neu beziehungsweise existierende KSS-Medien weiterzuentwickeln. Hier ist auf das heute verfügbare breite Spektrum an KSS-Medien für den jeweiligen Produktionsprozess zurückzugreifen.

In Bezug auf die relevanten strömungsmechanischen Phänomene soll die Kavitation explizit ausgeklammert werden, da dies das Forschungsfeld sehr stark erweitern würde und bereits in vielen anderen Zusammenhängen untersucht wird.

Aufgrund der hohen Komplexität, des grundlegenden Forschungsbedarfs und der in diesem Zusammenhang stehenden wissenschaftlichen Fragestellungen ist zu erwarten, dass vor allem interdisziplinäre Koppelprojekte die Fragestellungen erfolgreich bearbeiten können. Daher ist eine kooperierende Vorgehensweise mit interdisziplinären Projekttandems zwischen der Produktionstechnik und den Disziplinen – Mathematik, Strömungsmechanik, Strukturmechanik, Thermodynamik – besonders zielführend.

Antragstellung

Reichen Sie Ihren Antrag bitte bis spätestens 2. September 2019 bei der DFG ein. Die Antragstellung erfolgt ausschließlich über das elan-Portal zur Erfassung der antragsbezogenen Daten und zur sicheren Übermittlung von Dokumenten. Bitte wählen Sie unter „Antragstellung – Neues Projekt – Schwerpunktprogramm“ im elektronischen Formular aus der angebotenen Liste „SPP 2231: Effizientes Kühlen, Schmieren und Transportieren – Gekoppelte mechanische und fluid-dynamische Simulationsmethoden zur Realisierung effizienter Produktionsprozesse (FLUSIMPRO)“ 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 26. August 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.

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.

Die eingehenden Anträge werden 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

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. Dirk Biermann,
    Technische Universität Dortmund,
    Fakultät Maschinenbau,
    Institut für Spanende Fertigung,
    Baroper Str. 303,
    44227 Dortmund,
    Tel. +49 231 755-2782,
    Link auf E-Maildirk.biermann@tu-dortmund.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/2019/info_wissenschaft_19_33 erreichbar. Bitte verwenden Sie ausschließlich diese URL, um das Dokument zu zitieren oder per Link einzubinden.