Entwicklung einer Softwarelösung für die Mikrostruktur- und Eigenschaftssimulation von Hochtemperaturwerkstoffen

ProFIT Brandenburg

1.1   Geplanter Projektzeitraum :   1.7.2016 - 31.6.2019.

 


Eine erfolgreiche Prozess- bzw. Produktentwicklung setzt voraus, dass das komplexe Werkstoffverhalten als Funktion der Prozesshistorie sicher vorausgesagt werden kann. So ist es bei Warmumformprozessen wie dem Schmieden von Turbinenschaufeln unabdingbar, die Entwicklung der Mikrostruktur gekoppelt mit der aufzubringenden Fließspannung für die plastische Deformation zu beschreiben. Nur so kann das Fließverhalten auch in zeitlich ausgedehnten Umformprozessen oder über mehrere Prozessstufen hinweg richtig abgebildet werden und es können wichtige eigenschaftskritische Merkmale, wie die Phasenzusammensetzung und Korngröße am Ende des Umformprozesses, vorhergesagt werden. Abbildung 1 verdeutlicht die Entwicklung des Werkstoffgefüges und der Fließspannung durch so genannte dynamische Rekristallisation, bei der sich die Mikrostruktur durch Keimbildung und -wachstum neuer, unverformter Körner neu bildet.

Abbildung 1: Entwicklung von Gefüge und Fließspannung beim Stauchen einer Stahlprobe.

 

Ziel dieses Vorhabens ist es, eine Mikrostruktursimulationssoftware für die Prozessauslegung bei der Herstellung moderner Hochleistungskomponenten der Energie-, Verkehrs- und Medizintechnik aus Nickelbasis- und Titanwerkstoffen sowie hochlegierten Sonderstählen zu entwickeln.

Für die GMS GmbH ergibt sich die Notwendigkeit für die Durchführung des Projekts aus der Tatsache, dass dringend neue Märkte außerhalb der Stahlindustrie erschlossen werden müssen, um langfristig stabile Umsätze mit Softwarelösungen zu generieren. Damit folgt man dem Trend zur Produktion komplexerer Produkte in Hochlohnländern. Für die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten ist die Kooperation mit der BTU Cottbus-Senftenberg unbedingte Voraussetzung, weil der GMS zentrale Kompetenzen fehlen, um die Mikrostrukturentwicklung in Hochtemperaturwerkstoffen zu analysieren, Modellgleichungen abzuleiten und die Software an Realversuchen zu validieren.

Für die BTU Cottbus-Senftenberg, Lehrstuhl Konstruktion und Fertigung, ergibt sich die Notwendigkeit der Durchführung dieses Projekt aus der Tatsache, dass der neue Lehrstuhlinhaber auf Basis seiner bisherigen wissenschaftlichen Laufbahn die Mikrostruktursimulation für Hochtemperaturwerkstoffe als neue Kompetenzen in Cottbus etablieren und begleitend zur technischen Anwendung im Bereich des Schmiedens für zukünftige Forschungsprojekte und Industriekooperationen nutzen will. Die Entwicklung und Vermarktung einer kommerziellen Softwarelösung, die über die Lizensierung in der deutschen und internationalen Industrielandschaft erheblich zur Sichtbarkeit der BTU Cottbus-Senftenberg beitragen wird, ist für den Lehrstuhl ohne professionellen Partner nicht zu stemmen.

Die Entwicklung von Simulationssoftware aus Brandenburg für den Einsatz in brandenburgischen Schlüsseltechnologien und den überregionalen Einsatz in der Energie-, Verkehrs- und Medizintechnik unterstützt somit die Umsetzung der Cluster-Masterpläne "Metall", "Energie", "Verkehr, Mobilität und Logistik" sowie "IKT, Medien und Kreativwirtschaft".

 

Zur Realisierung der Vorhabenzielstellung für die beiden Teilprojekte GMS und BTU sind folgende Arbeitskomplexe geplant:

Meilensteine der beiden Projektpartner sind:

GMS

KuF

1)  Zusammenfassung vorhandener Daten zu Hochtemperaturwerkstoffen zu einem Modellpaket mit konventionellen Ansätzen

1) Basisdatensätze für die neuen Werkstoffe

2)  Innovativer Ansatz zur merkmalsgeprägten ortsauflösenden Gefügebeschreibung

2) Laborprozesskette zur experimentellen Erprobung der Softwarelösung

3)  Zusammenfassung des Wissens in einer Werkstoffdatenbank neuen Typs

3) Modellformulierung

4)  Praxisgerechte Testberechnungen

4) Methodik zur aufwandsreduzierten Modellparametrisierung

5)  Softwarefreigabe

5) Validierungsergebnisse / Referenzbeispiel

Arbeitskomplex A1: Aufbereitung bestehender Werkstoffdatensätze und Klassifizierung in Werkstoffgruppen

Im Arbeitskomplex A1 erfolgt die Analyse und Aufbereitung des bei GMS und in der Literatur vorhandenen Materialdatenbestandes, die Erweiterung der Datenbank und die Integration in die Software.

Arbeitskomplex A2: Auswahl aus existierenden bzw. Erarbeitung neuer semiempirischer Ansätze für die Darstellung des Ver- und Entfestigungsverhaltens von Titan- und Nickelbasislegierungen

Die Zielstellungen dieses Arbeitskomplexes betreffen folgende Themenfelder:

Arbeitskomplex A3: Projektspezifische Forschungsarbeiten zur Bereitstellung intelligenter Algorithmen für die Gefügeverwaltung

Bei der Modellimplementierung besteht die Herausforderung, das komplexe Gefüge des jeweiligen Hochtemperaturwerkstoffs durch geeignete Datenstrukturen abzubilden.

Abbildung 2: Ansatz der dynamischen Gefügeverwaltung (schematisch).

Im Rahmen des Arbeitskomplexes 3 wird die GMS ein Lösungskonzept für eine intelligente Gefügeverwaltung umsetzen, das die Defizite der aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweisen ausschließt.

Abbildung 3: Intelligentes Datenmanagement zur Erkennung und Zusammenführung ähnlicher Substrukturen (schematisch).

Arbeitskomplex A4: Algorithmendesign und Implementierung in Finite Elemente Code

In diesem Arbeitskomplex soll das in A3 entwickelte Modell als Mikrostruktursoftware über existierende Schnittstellen der GMS-Software Matilda an eine kommerzielle FEM Software (Simufact, QFORM, FORGE, AutoForm) gekoppelt werden. Die numerische Modellimplementierung umfasst somit die Erforschung der Auswirkung der neuen Datenstrukturen für die Gefügeverwaltung auf die numerische Stabilität.

Arbeitskomplex A5: Softwaretests, Validierungsrechnungen und Troubleshooting

Im Rahmen des Arbeitskomplexes A5 erfolgen umfangreiche Tests der Software in Bezug auf Stabilität der Algorithmen, Zuverlässigkeit der Werkstoffdatenverwaltung und des Zusammenspiels mit den kommerziellen FEM Systemen. Zudem erfolgen umfangreiche Validierungsrechnungen auf der Basis experimenteller Daten zum Nachweis der Praxistauglichkeit der Modelle und Algorithmen.

Als Ergebnis des Vorhabens wird eine Simulationssoftware für die Beschreibung der Mikrostruktur- und Fließspannungsentwicklung für die Auslegung von Warmumformprozessen für Hochleistungskomponenten aus Titan- und Nickelbasislegierungen mit integriertem Datenbanksystem zur Archivierung und Visualisierung von Werkstoffkenndaten und Modellparametern entwickelt. Diese Werkstoffe kommen u.a. verstärkt in für das Land Brandenburg zentralen Sektoren der Energie- und Verkehrstechnik zum Einsatz.

 

Unser Projekt ist EFRE gefördert. GMS Gesellschaft für metallurgische Systeme mbH Dieses Projekt wird aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung und des Landes Brandenburg gefördert.