Gezielte Nutzung umformtechnisch induzierter Eigenspannungen in metallischen Bauteilen

Der Eigenspannungszustand ist in vielen Fällen eine wesentliche Ursache für unerwartetes Versagen von umformtechnisch hergestellten Bauteilen im Betrieb.

Die Überlagerung von Spannungszuständen in Folge der Betriebslasten mit dem Eigenspannungszustand im Bauteil ist mit den bisher verfügbaren Prognosemethoden nicht hinreichend genau abbildbar, so dass typischerweise versucht wird, den Eigenspannungszustand z. B. durch eine Wärmebehandlung zu minimieren.

Allerdings haben Eigenspannungen per se auch das Potenzial, die mechanischen Eigenschaften von umformtechnisch hergestellten Bauteilen zu verbessern. Dieses bisher ungenutzte Potenzial ist das übergreifende Ziel des DFG-Schwerpunktprogramms 2013, aus dem heraus das vorliegende Sonderheft entstanden ist.

Jedes durch Umformen hergestellte Bauteil weist einen durch die Fertigung bedingten Eigenspannungszustand auf. Laut Definition werden mechanische Spannungen als Eigenspannungen bezeichnet, wenn im Bauteil ein Temperaturgleichgewicht besteht und keine äußeren Kräfte oder Momente einwirken. Umformprozesse induzieren typischerweise Kräfte, die zu einer plastischen Verformung des Bauteils führen [1]. Nach dem Entlasten bzw. Öffnen der Werkzeuge verformt sich das Werkstück so lange, bis es im mechanischen Gleichgewicht ist und somit die Eigenspannungen in ihrem Endzustand vorliegen. Dies bedeutet, dass Zug- und Druckeigenspannungen immer gleichzeitig vorhanden sind und sich in Summe über das ganze Bauteil aufheben. Bei der Kaltumformung, insbesondere beim Biegen oder bei komplexen Tiefziehoperationen, können Eigenspannungen nahe der Streckgrenze des Bauteils auftreten. Neben den mechanisch induzierten Eigenspannungen liegen insbesondere nach der Warmumformung auch thermisch induzierte Eigenspannungen vor, die durch plastische Verformungen beim Abkühlen entstehen. Der Eigenspannungszustand hat einen entscheidenden Einfluss auf die Betriebseigenschaften der durch Umformprozesse hergestellten Teile. Es ist bekannt, dass oberflächennahe Zugeigenspannungen im Allgemeinen zu einer erheblichen Minderung der Dauerfestigkeit führen. Dazu entgegengesetzt führen Druckeigenspannungen an der Bauteiloberfläche zu einer Verbesserung der Dauerfestigkeit [2].

In einigen spezifischen Fertigungsverfahren werden bereits gezielt Druckeigenspannungen in das Bauteil eingebracht, um Eigenschaftsverbesserungen zu erreichen. Das Festwalzen von Pkw-Kurbelwellen und das induktive Oberflächenhärten von Pkw- und Lkw-Kurbelwellen ist industriell etabliert und führt zu einer deutlichen Erhöhung der Lebensdauer von zyklisch belasteten Bauteilen [3].

Beim Shot Peening wird die Oberfläche von Bauteilen durch den Aufprall von Metallkugeln plastisch verformt und verdichtet, wodurch oberflächennahe Druckeigenspannungen entstehen. Eine erhöhte Oberflächenhärte und verbesserte Dauerfestigkeit sind die Folge [4].

Bei der Autofrettage werden druckbelastete Rohrleitungen oder hohle Bauteile durch einen hohen Innendruck plastisch geweitet. Nach der Entlastung treten an der Innenseite des Rohres oder Bauteils die gewünschten Druckeigenspannungen auf, welche insbesondere bei hohen und pulsierenden Innendrücken die Dauerfestigkeit und Rissbeständigkeit verbessern [5].

Dagegen haben Zugeigenspannungen bei Umformanwendungen oft negative Einflüsse auf die Kantenrissempfindlichkeit und Maßhaltigkeit [1], die Dauerfestigkeit oder die Korrosionsneigung [2]. Hinzu kommt, dass die numerische Vorhersage von Eigenspannungen bisher nur sehr eingeschränkt möglich ist und etablierte experimentelle Methoden recht aufwändig sind. Darüber hinaus haben Änderungen oder Variationen der Prozess- und Materialparameter einen erheblichen Einfluss auf die Absolutwerte der Eigenspannungen [6].

In der Industrie werden die im Bauteil vorliegenden Eigenspannungen aus den genannten Gründen durch eine der Umformung nachgeschaltete Wärmebehandlung reduziert. Dabei sinkt durch die steigende Temperatur die Streckgrenze von Metallen deutlich ab und die Eigenspannungen führen zu plastischen Verformungen. Nach der Abkühlung bleibt im Bauteil ein erheblich verringerter Eigenspannungszustand zurück, jedoch ist ein Verzug des Bauteils möglich. Es gibt bereits viele Entwicklungsansätze, die auf den reinen Abbau von Eigenspannungen im Fertigungsverfahren abzielen, um auf eine anschließende Wärmebehandlung verzichten zu können.

Die bewusste Einstellung oberflächennaher Druckeigenspannungen zur Eigenschaftsverbesserung durch den eigentlichen Umformprozess ist bisher weder in der Blech- noch in der Massivumformung realisiert worden. Ein wichtiger Grund dafür ist die fehlende Kenntnis über den Zusammenhang zwischen den Fertigungsparametern und dem auftretenden Eigenspannungszustand. Darüber hinaus sind die etablierten Methoden zur Ermittlung von Eigenspannungen (z. B. Bohrlochmethode oder Röntgendiffraktometrie) bei den meisten Prozessen mit komplexen Bauteilgeometrien nur bedingt einsetzbar, da z. B. die Zugänglichkeit zur Messstelle nicht gegeben ist oder die erreichbaren Eindringtiefen zu gering sind. In der Folge ergeben sich erhebliche Ungenauigkeiten in den numerischen Simulationen zur Vorhersage von Eigenspannungen. Bestehende Methoden zur Abschätzung der Ermüdungsfestigkeit führen typischerweise zu Ergebnissen mit vergleichsweise hoher Streuung [7].

In den letzten Jahren wurden relevante Fortschritte im allgemeinen Verständnis zur Entstehung von Eigenspannungen sowie zu ihrem qualitativen und quantitativen Einfluss und der verbleibenden stochastischen Streuung für einfache Prüfgeometrien erzielt. Dies ist auf deutlich verbesserte Mess- und Analysemethoden wie die Röntgendiffraktometrie, Neutronendiffraktometrie oder Synchrotron-Röntgendiffraktometrie zurückzuführen [8]. Mit diesen Mess- und Analysemethoden können Zug- und Druckeigenspannungen lokal wesentlich besser aufgelöst werden. Die Anwendung dieser neuen Messmethoden in industriell relevanten Prozessketten sowie für komplexe Bauteilgeometrien fehlt jedoch noch. Darüber hinaus stellen die in Umformteilen auftretenden Effekte von Textur und Mehrphasigkeit eine große Herausforderung dar, deren Einflüsse weder bei der Simulation noch bei der Messung und Auswertung zufriedenstellend berücksichtigt werden. Neben dem grundsätzlichen Verständnis von Ursache und Wirkung wurden auch die Werkstoffmodelle und numerischen Lösungsverfahren in Richtung eines ganzheitlichen Werkstoffverständnisses deutlich verbessert, sodass sich die Vorhersagefähigkeit der Simulationsverfahren in Bezug auf Eigenspannungen sehr positiv entwickelt hat. Durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit in den Bereichen Fertigungstechnik, Werkstofftechnik, Mechanik und Betriebsfestigkeit kann nun das bisher ungenutzte Potenzial der umformungsbedingten Eigenspannungen zur Eigenschaftsverbesserung der Bauteile genutzt werden.

In der ersten Projektphase von 2017 bis 2019 konnte gezeigt werden, dass Eigenspannungszustände reproduzierbar mithilfe umformender Fertigungsverfahren eingestellt werden können. Ebenso gelang der Aufbau geeigneter Simulationsmodelle und die Herstellung von repräsentativen Bauteilen. Damit ist der Nachweis erbracht, dass Eigenspannungszustände in umgeformten Bauteilen hinreichend stabil sind und somit entsprechend dem Projektziel genutzt werden können.

In der zweiten Projektphase von 2019 bis 2021, wurden die tatsächlich erzielbaren Eigenschaftsverbesserungen für die verschiedenen Fertigungsverfahren quantifiziert und die zugehörigen Simulationsmodelle sowie Messmethoden validiert.

Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen konzentrieren sich die Arbeiten der dritten Phase von 2021 bis 2023 auf die Auslegung, Gestaltung und Optimierung der notwendigen Prozesse, der Anlagen und der Werkzeuge zur Verbesserung der Eigenschaften des produzierten Bauteils. Dazu zählt auch der Nachweis der Eigenspannungsstabilität unter gegebenen Einsatzrandbedingungen.

Zur erfolgreichen Erforschung der komplexen Thematik ist eine interdisziplinäre Zusammenarbeit der Bereiche Produktionstechnik, Mechanik, Simulation, Werkstoffe, Betriebsfestigkeit, Mess- und Prüftechnik unabdingbar. Diese projektübergreifende Zusammenarbeit wird in vier moderierten Fachkreisen realisiert.

Da die Produktionstechnik in diesem Forschungsverbund eine herausgehobene Rolle spielt, wurde eine Aufteilung der Projekte in die Fachkreise dünnwandige und dickwandige Bauteile für Blech- und Massivumformung vorgenommen. Daneben engagiert sich jedes Projekt in den begleitenden Fachkreisen Mechanik und Simulation oder Werkstoffe, Betriebsfestigkeit, Mess- und Prüftechnik.

Materialdaten zur Werkstoffcharakterisierung werden durch einen fachkreisübergreifenden Benchmark gewonnen. Auf dieser Basis wird insbesondere der Einfluss des materialspezifischen Elastizitäts- und Verfestigungsverhaltens auf die Eigenspannungsprognose der unterschiedlichen numerischen Prozessmodelle analysiert und quantifiziert. Im Hinblick auf den qualitativen und quantitativen Verlauf der Eigenspannungen in den Bauteilen soll ein Verständnis für die erreichbare Bauteilgestaltfestigkeit und eine effiziente Prozessauslegung geschaffen werden.

Über Ringversuche mit verschiedenen Werkstoffen konnten bereits viele Aspekte analysiert werden, von der Sicherstellung eines zuverlässigen und standardisierten Ausgangszustandes der Proben bis hin zur abschließenden Messung der Eigenspannungen an den umgeformten Bauteilen. Die im Rahmen der Fachkreisarbeit entwickelten Strategien zur gezielten Einstellung von Eigenspannungen während der Massivumformprozesse wurden bereits publiziert [9] Ein weiterer Schwerpunkt des Fachkreises beschäftigt sich intensiv mit dem Thema des Abbaus von Eigenspannungen durch thermische Lasten. Im Besonderen sollen die Grenzen der thermischen Stabilität an unterschiedlichen Materialen und Umformverfahren untersucht und beschrieben werden.

Die computergestützten mechanischen Analysen ermöglichen heute in den verschiedensten fertigungstechnischen Disziplinen durch numerische Simulationen ein erhöhtes Prozessverständnis, welches sowohl zur Neuentwicklung als auch zur Verbesserung und Optimierung bestehender Produkte und Fertigungsverfahren führt. Dabei hat die Leistungszunahme der Rechnerarchitekturen in den letzten zehn Jahren zu einer Steigerung der Genauigkeit und Komplexität bei der Modellierung und Simulation selbst mehrstufiger Fertigungsprozesse geführt.

Eine gesteigerte Komplexität liegt auch bei der Behandlung der in diesem Kontext betrachteten Eigenspannungszustände vor. Um diese Effekte für die Eigenschaftsverbesserung von umformtechnisch hergestellten Bauteilen zu nutzen, ist eine ganzheitliche Analyse und Berechnung der Eigenspannungen aufgrund der skalenübergreifenden Zusammenhänge erforderlich.

Die grundlegende Aufgabe des Fachkreises Mechanik und Simulation besteht in der intensiven Vernetzung der Projektgruppen im SPP2013, welche mithilfe der Mechanik und Simulation die gezielte Einbringung und Nutzung von Eigenspannungen numerisch abbilden und analysieren [10].

Um die verschiedenen Simulationsansätze vergleichen und mit experimentellen Daten validieren zu können, wurden unter der Führung des Fachkreises die drei folgenden Benchmarks initiiert:

Die experimentellen und numerischen Ergebnisse der drei Benchmarks werden mit Abschluss der 3. Förderperiode über Veröffentlichungen in Fachjournalen allgemein zugänglich gemacht (Abb. 1).

Im Schwerpunktprogramm SPP2013 werden die grundlegenden Voraussetzungen für die gezielte Nutzung umformtechnisch induzierter Eigenspannungen aus verschiedenen Blickwinkeln untersucht. Nach Abschluss der Projekte soll eine Übertragung der Erkenntnisse auf reale Bauteile und in industrielle Fertigungsprozesse möglich sein und damit einen Beitrag zu einer nachhaltigeren Produktion und langlebigeren Produkten liefern.