Bereits vorhandene Einzelprozessmodelle müssen mittels neuer Ansätze zur Beschreibung der relevanten Mechanismen (z.B. Trennprozesse beim Zerspanen) und durch Berücksichtigung inhomogener, tiefengradientbehafteter Ausgangszustände erweitert und entsprechend der praktischen Anwendung verkettet werden. Eine besondere Herausforderung bei der Modellbildung liegt in der skalenübergreifenden Betrachtung von der lokalen Prozesseinwirkung bis hin zum globalen Bauteilzustand. Bei einer gradientenfreien Inhomogenität des Werkstoffs erhöht sich gegebenenfalls aufgrund mehrphasiger Gefügezustände die Komplexität bei der Modellierung kombinierter Oberflächenbehandlungsprozesse. Im Rahmen des Graduiertenkollegs sind Verfahren zu entwickeln, die es erlauben, den Bauteilzustand, z.B. den Eigenspannungs- und Verfestigungszustand, in Form von Zustandsgrößen von einem das gesamte Bauteil umfassenden Netz auf ein lokales Netz und umgekehrt zu übertragen, um die Auswirkungen der Vorbearbeitungsschritte berücksichtigen zu können. Im Rahmen der Arbeiten sind zur Validierung experimentelle Untersuchungen zur systematischen Erfassung dieser Wechselwirkungen erforderlich, die der Vertiefung des Verständnisses dieser Wechselwirkungen und der Verifikation der Simulationsergebnisse dienen werden. Mit den Simulationen soll es ermöglicht werden, nicht nur optimale Werte für Prozessparameter der Einzelprozesse, sondern auch solche für die Kopplung der Prozesse abzuleiten. Diese Strategien werden in Dissertationsthemen validiert, die produktionstechnisch ausgerichtet sind. So sollen beispielsweise die Form und Abmessungen des Bauteils vor einer Wärmebehandlung so eingestellt werden können, dass nach dem Einsatzhärten bereits endabmessungsnahe Bauteile vorliegen und der Hartbearbeitungsaufwand minimiert wird. Zudem können durch die Kombination von Wärmebehandlung und Hartbearbeitung möglichst tiefreichende Druckeigenspannungen in der Bauteilrandschicht als Optimierungsziel vorgegeben werden. Damit werden Optimierungsstrategien für die Effizienz der Prozesskette und für die resultierenden Bauteileigenschaften verfügbar. Auch diese Aspekte sollen im Graduiertenkolleg behandelt werden. Ausgehend von den lokalen Betrachtungen sollen die qualitativ neuartigen Simulationsansätze auf Bauteile mit komplizierten Oberflächengeometrien übertragen und schließlich eine systematische Schwingfestigkeitsoptimierung dieser Bauteile ermöglicht werden. Hierzu soll eine Bearbeitungs-Datenbank entwickelt werden, in der die wesentlichen Bauteilcharakteristika in Abhängigkeit von den vorangegangenen Fertigungsprozessen unter Berücksichtigung der lokalen Bauteilgeometrie abgelegt werden können. Die Datenbank soll über verkettete Simulationsrechnungen gespeist werden, in denen insbesondere die Bauteilkrümmungen, die Bauteildicke und die anfangs vorliegenden Randschichtzustände berücksichtigt und variiert werden. Für die vom Benutzer gewählten Werkstoffe und Werkstoffzustände soll die Datenbank jeweils die Daten zum Kern- und Randschichtzustand bereitstellen. Nicht verfügbare, aber für die Bewertung eines Bauteils erforderliche Zustände werden durch Anstoßen und Auswerten entsprechender Simulationsrechnungen bereitgestellt. Anschließend werden die lokalen Bauteilzustände in Finite-Element-Simulationen den Bauteilen aufgeprägt und deren Schwingfestigkeit abgeschätzt. Dabei werden die Parameter z.B. von Oberflächenbehandlungen gezielt so variiert, bis das Optimum der Schwingfestigkeit erreicht ist. Die Berechnungsverfahren sollen anhand von Schwingfestigkeitsuntersuchungen an bauteilähnlich gekerbten Proben und an Bauteile mit komplizierten, lokal stark gekrümmten Oberflächengeometrien verifiziert werden. Damit wird ein Konzept erarbeitet, das es erstmals erlauben soll, bei Bauteilen nahezu beliebiger Geometrie die Parameter der zur Erzielung optimierter Schwingfestigkeit erforderlichen Oberflächenbehandlungen festzulegen.

© 2008 by Prof. Dr. rer. nat. Britta Nestler