Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg haben ein Simulationsmodell entwickelt, das potenzielle Schwachstellen in Schmiedebauteilen bereits im Vorfeld aufdeckt. Ursache solcher Schwachstellen ist häufig eine unvollständige Kornneubildung, die sogenannte Rekristallisation. In einen durchgängigen digitalen Prozess integriert, entsteht daraus ein virtuelles Schmiedelabor, mit dem sich Material und Energie in der Schmiedefertigung einsparen lassen.
Die Schmiedebranche steht derzeit unter erheblichem Druck: Energiepreise steigen, klimapolitische Vorgaben werden strenger, und der Umstieg auf nachhaltig erzeugten „grünen" Stahl verlangt ein Umdenken in den Produktionsabläufen. Denn die neuen Herstellungsverfahren für „Green Steel" führen zu stärker schwankenden chemischen Zusammensetzungen und veränderten Werkstoffeigenschaften. Dadurch wird das Schmiedeverhalten schwerer kalkulierbar. Besonders kritisch ist dies bei sicherheitsrelevanten Bauteilen. Hier kann eine fehlerhafte Mikrostruktur nicht nur die Qualität mindern, sondern im schlimmsten Fall zu einem folgenschweren Versagen des Bauteils führen. Die Branche bewegt sich damit in einem Spannungsfeld zwischen wachsenden Nachhaltigkeitsanforderungen und gleichbleibend hohen Qualitätsstandards.
Wo bislang Potenzial ungenutzt bleibt
Bis aus einem Rohling ein fertiges Bauteil wird, sind mehrere energieaufwendige Produktionsschritte nötig: Erwärmen, Umformen, Zwischenglühen, erneutes Umformen. Für jeden dieser Schritte müssen zahlreiche Parameter exakt aufeinander abgestimmt werden (darunter Temperaturführung, Umformgrad, Haltezeiten und die eingesetzten Presskräfte). In der betrieblichen Praxis stützt man sich dabei bislang vor allem auf langjährige Erfahrungswerte und aufwendige, kostspielige Testreihen nach dem Trial-and-Error-Prinzip. An seine Grenzen stößt dieses Vorgehen jedoch dort, wo schwankende Materialqualitäten zunehmende Unsicherheit erzeugen. Zwar wird seit Längerem versucht, physische Tests durch Simulationen zu ersetzen – bislang jedoch häufig ohne durchschlagenden Erfolg, da es an werkstoffspezifisch passenden Modellen, an belastbaren Daten und an praxistauglichen Wegen fehlt, Simulationsergebnisse in konkrete Handlungsanweisungen zu übersetzen.
Warum das Material selbst die eigentliche Herausforderung ist
Im Zentrum des Problems steht das Verhalten des Stahls während der Warmumformung: Sein inneres Gefüge ist keineswegs statisch, sondern befindet sich in einem kontinuierlichen Wandel. Durch die Verformung verfestigt sich das Material zunächst; gleichzeitig entstehen durch Rekristallisation laufend neue, spannungsfreie Körner. Wächst dieses neue Korngefüge anschließend weiter, kann es sich wieder vergröbern. Dieser Prozess kann durch feinste Ausscheidungspartikel gebremst werden. Wie stark diese gegenläufigen Mechanismen wirken, hängt maßgeblich von Temperatur, Umformgrad und der jeweiligen chemischen Zusammensetzung des Stahls ab.
Genau dieses Zusammenspiel aus physikalischen, chemischen und mechanischen Effekten zu durchschauen und zu steuern, macht die eigentliche Kunst der Schmiedetechnik aus – ebenso wie die Fähigkeit, die Einstellungen an der Schmiedepresse gezielt mit der Entwicklung der mikroskopischen Materialstruktur zu verknüpfen.
Ein digitales Labor für eine traditionsreiche Branche
Hier setzt der neue Ansatz des Fraunhofer IWM an: Ein praxisorientierter digitaler Prozess macht die komplexen inneren Vorgänge im Werkstoff rechnerisch greifbar. Kernstück ist ein physikalisch fundiertes Werkstoffmodell, das gezielt auf die Rekristallisation ausgerichtet ist. Dieses sogenannte Mean-Field-Modell verbindet zwei Stärken miteinander. Da es auf thermodynamischen Grundprinzipien aufbaut, liefert es auch unter den wechselhaften Bedingungen realer Schmiedeprozesse verlässliche Ergebnisse. Zugleich ist die Rechenleistung so effizient ausgelegt, dass sich selbst mehrere Tonnen schwere Bauteile in überschaubarer Zeit am Rechner abbilden lassen. Weil das Modell auf realen physikalischen Zusammenhängen basiert statt auf reinen Erfahrungswerten, bleiben seine Vorhersagen auch bei neuen Legierungen oder geänderten Prozessparametern belastbar.
Ausgangspunkt ist zunächst eine sogenannte Materialkarte: Laborversuche liefern die zentralen Werkstoffkennwerte, etwa zum Fließverhalten und zur Korngrößenentwicklung unter definierten Bedingungen. Darauf aufbauend berechnet eine Finite-Elemente-Simulation für jeden einzelnen Punkt des Bauteils, welchen Temperaturen und Kräften er im zeitlichen Verlauf ausgesetzt ist. Diese Ergebnisse fließen wiederum in das Mean-Field-Modell ein, das daraus die Entwicklung des Materialgefüges ableitet. Am Ende steht eine dreidimensionale Darstellung des Bauteils, aus der hervorgeht, an welchen Stellen im Inneren welche Korngrößen zu erwarten sind. Auf dieser Grundlage lassen sich unterschiedliche Fertigungsvarianten virtuell gegenüberstellen und bewerten – inklusive konkreter Empfehlungen zur Fehlervermeidung.
Praxistest bestätigt die Leistungsfähigkeit des Modells
Ihre Praxistauglichkeit hat die Methode im EU-Projekt „AID4GREENEST" unter Beweis gestellt. Dessen Ziel ist es, die Verarbeitung von nachhaltig hergestelltem Stahl zu erleichtern, dessen chemische Zusammensetzung naturgemäß stärker schwankt. Im Rahmen des Projekts wurde der vollständige Schmiedeprozess einer 22 Tonnen schweren Turbinenwelle aus hochfestem Stahl vollständig am Computer simuliert – ein mehrstündiger Prozess mit mehreren Umform- und Wiedererwärmungsschritten.
„Unsere Simulation hat kritische Zonen im Vorfeld richtig erkannt", erklärt Dr. Maxim Zapara, Teamleiter Massivumformung am Fraunhofer IWM. „Für die Enden der Welle wurde ein unerwünscht grobkörniges Gefüge prognostiziert, da das Material in diesen Bereichen beim letzten, entscheidenden Schmiedeschritt nicht ausreichend durchgeknetet wurde."
Bemerkenswert: Das Modell blieb nicht bei der reinen Vorhersage der Schwachstellen stehen, sondern lieferte zugleich deren Ursache mit. Im Kern der Welle sorgte die ausreichende Verformung im letzten Schmiedeschritt für eine vollständige, feinkörnige Neubildung des Gefüges. An den Enden hingegen blieb dieser entscheidende „Reset" aus. Bestätigt wurde diese am Computer ermittelte Vorhersage anschließend durch Materialuntersuchungen am tatsächlich geschmiedeten Bauteil.
Zapara ergänzt: „Dieser Anwendungsfall zeigt, dass das Modell nicht nur das Materialverhalten abbildet, sondern auch Prozessfehler aufdecken kann, bevor sie in der echten Fertigung entstehen. Wir können nun verschiedene Vorgehensweisen virtuell testen: Eine einfache Anpassung des finalen Schmiedeschritts in der Simulation führte direkt zu einem komplett feinkörnigen, fehlerfreien Bauteil. Das spart in der Praxis enorme Mengen an Material und Energie."
Welche Möglichkeiten sich daraus für die Zukunft ergeben
Mit dem digitalen Schmiedelabor verschiebt sich der Schwerpunkt: weg von der nachträglichen Qualitätskontrolle, hin zu einer vorausschauenden Planung des gesamten Prozesses. Fehler müssen nicht mehr erst am fertigen Bauteil entdeckt werden, sondern lassen sich bereits am Computer erkennen und gezielt vermeiden. Statt monatelanger physischer Versuchsreihen für neue Werkstoffe können nun innerhalb weniger Stunden hunderte Szenarien virtuell durchgetestet werden.
Das vertiefte Verständnis darüber, wie Maschineneinstellungen und Materialeigenschaften zusammenhängen, eröffnet zusätzliche Optimierungsmöglichkeiten: Erwärmungszyklen lassen sich verkürzen, Presskräfte reduzieren. Eine präzisere, endkonturnahe Fertigung wiederum senkt sowohl den Energieverbrauch als auch die Maschinenauslastung und den Aufwand für die anschließende Nachbearbeitung.
Denkbar ist langfristig sogar ein „digitaler Pass" für jedes einzelne Schmiedebauteil – eine lückenlose Dokumentation seiner inneren Struktur, die dessen Qualität und Sicherheit über den gesamten Lebenszyklus hinweg, von der Fertigung bis zum Einsatz, nachvollziehbar macht.
Die Forschungsergebnisse entstanden im EU-Horizon-Europe-Projekt AID4GREENEST (Grant Agreement Nr. 101091912).
