Eigenschaftsorientierte Regelung von Verfestigungs- und Phasenumwandlungsprozessen beim Drücken und Drückwalzen metastabiler Austenite

Forschungsprojekt mit DFG

Motivation und Problemstellung

Ob Infrastruktur oder Industrie: Moderne Stahlwerkstoffe ermöglichen in Verbindung mit fortschrittlichen Fertigungstechnologien die Herstellung vieler Hochleistungsprodukte. Edelstahlbauteile für Flugzeugtriebwerke, Hydraulikzylinder für Fahrzeuge oder Antriebswellen für Helikopter werden z. B. mit Hilfe des sogenannten Drückwalzens hergestellt. Der Einsatz eines speziellen, metastabilen austenitischen Stahls ermöglicht hierbei nicht allein die Beeinflussung der äußeren Form, sondern auch der Eigenschaft des Metalls. Um Eigenschaften künftiger Bauteile schon beim Umformen gezielt einzustellen und eine manipulationssichere Kennzeichnung zu ermöglichen, arbeitet das Forschungsprojekt an einem intelligenten Drückwalzprozess.

Detailansicht einer Walze in Bewegung.
© Daniil / Adobe Stock
Intelligenter Umformprozess fertigt fälschungssichere Stahlbauteile.

Projektziele und Lösungsansatz

Das Projekt zielt darauf ab, Umformprozesse technologisch entscheidend weiterzuentwickeln und je nach Produkt oder Fertigungssituation zu individualisieren. Auf diese Weise sollen zukünftig auch Bauteile mit hochoptimierten oder völlig neuartigen Eigenschaften gefertigt werden können. Speziell beim Verarbeiten bestimmter Edelstähle - den »metastabilen Austeniten« - führen Effekte auf mikroskopischer Ebene zu deutlichen Änderungen im Materialverhalten. Durch eine geschickte Prozessführung können bewusst lokale Eigenschaften eingestellt werden, die Hochleistungsteile mit optimiertem Härteverlauf entstehen lassen oder eine Art unsichtbaren Barcode einbringen, indem gezielt magnetische Eigenschaften verändert werden. Das Projektteam erarbeitet detaillierte Werkstoff- und Prozessmodelle, setzt diese in Echtzeit um und baut die zugehörige Sensorik und Aktorik auf. Forschungsschwerpunkt des Fraunhofer IEM ist hierbei die Entwicklung der Steuerungs- und Regelungstechnik, die das neue Umformen ermöglicht.

Projektsteckbrief

Projekttitel

Eigenschaftsorientierte Regelung von Verfestigungs- und Phasenumwandlungsprozessen beim Drücken und Drückwalzen metastabiler Austenite

Laufzeit

01/2020 bis 12/2021 (1. Förderperiode)

01/2022 bis 12/2023 (2. Förderperiode)

01/2024 bis 12/2025 (3. Förderperiode)

Förderung

Schwerpunktprogramm SPP2183 »Eigenschaftsgeregelte Umformprozesse« der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).

Fördervolumen

ca. 150.000 € (für IEM in der 1. Förderperiode)

ca. 200.000 € (für IEM in der 2. Förderperiode)

ca. 220.000 €  (für IEM in der 3. Förderperiode)

Kooperationspartner
  • Umformende und Spanende Fertigungstechnik (LUF), Universität Paderborn
  • Fraunhofer Institut für Entwurfstechnik Mechatronik (IEM)
  • Lehrstuhl für Werkstoffprüftechnik (WPT), TU Dortmund
Projektleiter
  • Prof. Dr.-Ing. Ansgar Trächtler
  • Prof. Dr.-Ing. Werner Homberg
  • Prof. Dr.-Ing. Frank Walther

Ziele

  • Ermittlung der Prozessgrenzen und Wirkzusammenhänge bzgl. Verfestigung und Phasenumwandlung metastabiler Austenite
  • Aufzeigen von Prozessstrategien zur gezielten lokalen Einstellung von Werkstoffeigenschaften und zur Erzeugung von Gradierungssrukturen (1D-, 2D- und 3D)
  • Entwicklung und Integration bedarfsgerechter Aktrorik und (Soft-)Sensorik in die Fertigungsanlage 
  • Entwicklung eines echtzeitfähigen regelungstechnischen Entwurfsmodells für den Drückwalzprozess unter Einbezug domänenspezifischer Werkstoff- und Prozessmodelle
  • Entwurf und Realisierung der Eigenschaftsregelung für das Drückwalzen

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Christian Henke

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Dr.-Ing. Christian Henke

Abteilungsleiter Scientific Automation

Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM
Zukunftsmeile 1
33102 Paderborn

Telefon +49 5251 5465-126

Eugen Djakow

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Dr.-Ing. Eugen Djakow

Gruppenleiter Automatisierungs- und Produktionstechnik

Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM
Zukunftsmeile 1
33102 Paderborn

Telefon +49 5251 5465-455

Lukas Kersting

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Lukas Kersting

Automatisierungstechnik

Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM
Zukunftsmeile 1
33102 Paderborn

Telefon +49 5251 5465355