Professor Sebastian Münstermann (l.) leitet den TRR 188 „Schädigungskontrollierte Umformprozesse“ an der RWTH Aachen. (Bild: Andreas Schmitter)
Wie lässt sich Metall so zu Bauteilen umformen, dass es möglichst wenig Schaden nimmt und später seinen Einsatzzweck erfüllt? Dazu forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der RWTH Aachen, der TU Dortmund, des KIT und der Universität Duisburg-Essen im Verbund.
Jeden Tag fahren Millionen Menschen mit dem Auto, ohne darüber nachzudenken, was ihre Fahrzeuge zusammenhält. Türen, Dächer, Motorhauben haben eines gemeinsam: Die gekrümmten Karosserieteile waren ursprünglich eben und wurden in einem Umformprozess in die gewünschte Form gebracht. Wie sich dabei Schäden im Material verhindern lassen, dazu forscht Professor Sebastian Münstermann vom Institut für Bildsame Formgebung und Leiter des Lehrstuhls für Werkstoffmodellierung in der Umformtechnik. Er ist an der RWTH Aachen für den Sonderforschungsbereich/Transregio (TRR) 188 „Schädigungskontrollierte Umformprozesse“ verantwortlich; Sprecher des überregionalen Forschungsverbundes ist Professor Yannis Korkolis, Leiter des Instituts für Umformtechnik und Leichtbau an der TU Dortmund. Sonderforschungsbereiche ermöglichen langfristig angelegte, interdisziplinäre Forschungsverbünde und sind ein wichtiger Indikator für die Forschungsstärke einer Hochschule. Transregios stellen eine besondere Form dar, da sie gemeinsam von mehreren Universitäten getragen und überregional organisiert werden.
Das Umformen hinterlässt winzige Spuren im Material. Besonders anschaulich wird das beim Biegen eines ebenen Blechs: Während große Teile des Materials nahezu unverändert bleiben, konzentriert sich die Umformung auf eine kleine Zone, in der die Umformgrade besonders hoch sind. Im Bereich der Biegung entstehen winzige Poren im Inneren des Werkstoffs. Sie sind von außen nicht zu erkennen, können sich aber bei weiterer Belastung vergrößern. „Diese Porosität verringert die Tragfähigkeit und damit auch die Leistungsfähigkeit des Bauteils bis hin zum Versagen“, erklärt Münstermann. Ein Bauteil mit weniger Schädigung könnte dementsprechend höhere Belastungen für eine längere Zeit aushalten.
Genau hier setzt die Forschung des TRR 188 an. Die Forschenden wollen Umformprozesse so weiterentwickeln, dass die Schädigung möglichst gering bleibt und gezielt kontrolliert werden kann. Dabei geht es um mehr als die Frage, wie groß die Schädigung ist. Mindestens ebenso wichtig ist, wie stark die Ergebnisse von Material zu Material und sogar innerhalb einer Materialcharge schwanken. Denn zwei Bauteile, die demselben Umformprozess unterzogen wurden, können sich trotz gleicher Ausgangsbedingungen unterschiedlich verhalten. Um diese Unterschiede zu verstehen, müssen die Forschenden zunächst wissen, wo sich die Schädigung im Material befindet und wie groß sie ist.
Dafür kommen unterschiedliche Charakterisierungsmethoden zum Einsatz. Beteiligt ist unter anderem das Institut für Metallkunde und Materialphysik unter der Leitung von Professorin Sandra Korte-Kerzel an der RWTH. Dort wurden für das Rasterelektronenmikroskop sogenannte Panoramaaufnahmen erstellt. Viele einzelne, hochauflösende Bilder wuFrden dabei zu einem großen Gesamtbild zusammengesetzt. So lassen sich winzige Poren und andere Schädigungsmerkmale auch über größere Bereiche des Materials hinweg untersuchen. Anschließend wurde ein KI-Algorithmus entwickelt, der diese Poren automatisch findet und bewertet.
Doch die Forschenden wollen nicht nur wissen, wo die Poren liegen. Entscheidend ist, welche Folgen die Schädigung später für das Bauteil hat. Denn ein Umformprozess ist meist nur ein Schritt in einer längeren Herstellungskette – und die eigentliche Belastungsprobe kommt häufig erst im Einsatz.
Wenn das Metall müde wird
Wenn Autos über eine Brücke fahren, ist diese schwankenden Belastungen ausgesetzt, die davon abhängen, wie viele Fahrzeuge gerade unterwegs sind, und an welcher Stelle sie sich befinden. Solche wiederkehrenden Belastungen werden als zyklische Lasten bezeichnet. Die Bauteile einer Brücke müssen solche Belastungen über viele Jahre hinweg aushalten. Materialien können jedoch unter zyklischer Belastung ermüden. Es entstehen Risse, die sich unter wiederholter Belastung weiter ausbreiten.
Welche Rolle dabei die Vorgeschichte eines Bauteils spielt, ist eine zentrale Frage für die Forschenden des TRR 188. Denn ein Metallbauteil durchläuft selten nur einen einzigen Bearbeitungsschritt. Ein Blech kann zunächst warmgewalzt und anschließend kaltgewalzt werden. Danach folgen beispielsweise Tiefziehen, Biegen, Rollprofilieren oder ein anderes Kaltumformverfahren. Jeder dieser Schritte kann die Eigenschaften und damit auch die Schädigung des Materials beeinflussen „Wir wollen in der Lage sein, die gesamte Prozesskette zu betrachten und zu sagen, wie viel Schädigung bei den verschiedenen Umformprozessen entsteht“, sagt Münstermann. Das Ziel ist, diese Veränderungen berechnen zu können. Ein Bauteil soll also nicht erst zweimal hergestellt werden müssen, um anschließend festzustellen, wie lange es hält. Die Eigenschaften sollen sich möglichst zuverlässig simulieren und vorhersagen lassen, erklärt Münstermann. Dafür arbeiten im TRR 188 drei Projektbereiche eng zusammen: die Prozesstechnik, die Werkstoffcharakterisierung und die Modellierung.
Der TRR befindet sich in der dritten und letztmöglichen Förderperiode. Und während die Forschenden Möglichkeiten gefunden haben, die Schädigung zu reduzieren, zeichnet sich eine weitere Erkenntnis ab, die Münstermann besonders wichtig ist: „Der entscheidende Hebel könnte weniger in der absoluten Menge der Schädigung liegen als in ihrer Streuung.“
Denn die Schädigung fällt in vielen Fällen relativ klein aus. In der stark umgeformten Zone eines Bauteils können zwar Poren entstehen, sie nehmen aber nur einen kleinen Teil des Volumens ein. Die Frage ist deshalb nicht nur, wie viel Schädigung vorhanden ist, sondern auch, wie zuverlässig sich vorhersagen lässt, wo die Grenze zwischen einem sicheren und einem versagenden Bauteil liegt.
Ein einfaches Beispiel macht das deutlich: Zehnmal wird versucht, ein Material in einen 90-Grad-Winkel zu biegen. In zwei Fällen bricht es. Achtmal bleibt es intakt. Doch auch bei diesen acht gibt es Unterschiede: Einige überstehen die Belastung nur knapp, während andere weit vom Versagenspunkt entfernt sind. Diese Unterschiede lassen sich statistisch als Verteilungsfunktionen darstellen. Je breiter die Verteilung, desto größer ist die Unsicherheit darüber, welche Belastung ein konkretes Bauteil tatsächlich aushält.
Für die Konstruktion ist das entscheidend. Wenn ein einzelnes Bauteil deutlich früher versagen kann als die anderen, muss die zulässige Belastung entsprechend niedrig angesetzt werden, um selbst für den ungünstigsten Fall einen sicheren Bauteileinsatz sicherzustellen. Schließlich kann niemand im späteren Einsatz wissen, welches Bauteil gerade dasjenige mit der besonders niedrigen Belastbarkeit ist. Das klingt zunächst nach einem statistischen Detail, hat aber weitreichende Folgen. Je besser die Eigenschaften eines Materials vorhergesagt werden können, desto besser und langlebiger wird auch das Produkt.
„Wir wollen so leicht wie möglich bauen und so wenig Material wie möglich einsetzen, ohne die Sicherheit zu gefährden“, sagt Münstermann. Genau dafür brauche es die Erkenntnisse aus dem TRR 188.
Weitere Informationen: https://trr188.de/index.php/en/
