Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »ManuSafeNextGen«
Randzoneneigenschaften entscheiden über die Bauteillebensdauer
Lebensdauer und Zuverlässigkeit sicherheitskritischer Triebwerkskomponenten hängen in hohem Maß von den Eigenschaften der oberflächennahen Randzone ab. Gefügezustände, Eigenspannungen oder lokale Schädigungsmechanismen entstehen direkt aus den mechanischen und thermischen Belastungen während des Zerspanens. Diese Eigenschaften werden heute häufig nur durch zerstörende Prüfungen bewertet.
Das führt zu langen Entwicklungszeiten und höheren Fertigungskosten. Neue Technologien oder wissenschaftliche Erkenntnisse lassen sich nur schwer integrieren, weil einmal qualifizierte Prozesse kaum verändert werden dürfen.
Die Partner im PLCA-Teilprojekt »ManuSafeNextGen« entwickeln deshalb digitale und modellgestützte Methoden, um Randzoneneigenschaften frühzeitig vorherzusagen und während der Fertigung kontrolliert zu steuern.
Durchgängige Modellkette für das Drehen, Räumen und Schleifen
Ziel des Projekts ist eine konsistente Methodik zur modellgestützten Auslegung, Überwachung und Bewertung von Zerspanprozessen. Dabei geht es um die Frage, wie Prozesskräfte, Temperaturen und der Werkzeugzustand das Materialgefüge beeinflussen und wie diese Effekte entlang der NC-Bahnen vorhergesagt werden können.
Die Projektpartner entwickeln physikalisch fundierte Modelle, die direkt in entsprechende Digitale Zwillinge einfließen. Sie verbinden Simulationsdaten, Prozessdaten und Qualitätsinformationen zu einer orts- und zeitaufgelösten Darstellung der Randzone. Darüber hinaus entstehen im Projekt ManuSafeNextGen automatisierte Verfahren zur Bewertung metallografischer Merkmale sowie ein systematischer Ansatz zur Erfassung und Bewertung von Modell-, Prozess- und Messunsicherheiten.
Mehrskalenmodellierung und Digitaler Zwilling der Randzone
Das Projekt ManuSafeNextGen verbindet in seinen Modellen mehrere Modellskalen miteinander: Auf der Mikroskala beschreiben Werkstoffmodelle mikrostrukturelle Veränderungen wie Verformungen oder Rekristallisation. Auf der Mesoskala werden thermo-mechanische Simulationen eingesetzt, um Spanbildung, Prozesswärme und Werkzeugverschleiß abzubilden. Auf der Makroskala werden die lokalen Eingriffsbedingungen entlang des NC-Pfads modelliert und mit den Ergebnissen der unteren Skalen zusammengeführt.
Diese Verknüpfung mündet in einen Digitalen Zwilling, der die Randzone eines Bauteils orts- und zeitaufgelöst darstellt. Die Modelle werden in das digitale Rahmenwerk »dPart« des Fraunhofer IPT integriert und in der Anwendung mit Prozessdaten aus der realen Fertigung angereichert. Dadurch entsteht eine digitale Umgebung, die sowohl für die Prozessauslegung als auch für die Prozessführung genutzt werden kann.
Modellierung entlang des NC-Pfads und digitale Integration
Das Fraunhofer IPT entwickelt und verknüpft im Projekt ManuSafeNextGen Modelle, die die Belastungen beim Drehen und Räumen entlang der NC-Bahnen beschreiben. Diese Modelle werden in dPart als Microservices bereitgestellt und lassen sich so mit CAM-Daten, Sensordaten und Simulationsmodellen verknüpfen. Ihre Validierung erfolgt anhand realer Fertigungsszenarien aus der Industrie, in denen die modellierten Randzoneneigenschaften messtechnisch überprüft werden.
Kürzere Validierungszeiten und stabilere Fertigungsprozesse
Mit den Modellen aus dem Projekt ManuSafeNextGen lassen sich Randzoneneigenschaften bereits in frühen Phasen der Entwicklung abschätzen. Das reduziert empirische Testreihen und Prozessfenster können gezielter festgelegt werden. Die digitale Überwachung erlaubt es, Abweichungen während der Fertigung früh zu erkennen und zu korrigieren, ohne dass kostspielige zerstörende Prüfungen erforderlich sind.
Für die industrielle Praxis bietet dies gleich mehrere Vorteile: geringerer Ausschuss, weniger Nachbearbeitung, längere Werkzeugstandzeiten und sogar Gewichtseinsparungen, wenn Sicherheitszuschläge am Bauteil überprüft und angepasst werden können. Gleichzeitig sinkt der Aufwand für die Integration neuer Fertigungstechnologien in bestehende Produktionsrouten.
Konsortium
- MTU Aero Engines AG, München (Projektkoordinator)
- Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie IPT
- Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
- Manufacturing Technology Institute (MTI)
- Lehrstuhl und Institut für Eisenhüttenkunde (IEHK)
- Lehrstuhl für Mathematics for Uncertainty Quantification (UQ)
Förderhinweis
Das Forschungsprojekt »ManuSafeNextGen – Skalenübergreifende modellgestützte Fertigung sicherheitskritischer Triebwerkskomponenten« wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramm Klima (LuFo VI) gefördert.
Förderkennzeichen: 20N2205C
Projektträger: DLR Projektträger
Projektlaufzeit: 1.9.2023 bis 31.8.2027