SFB 1120 Bauteilpräzision

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Professor Reinhart Poprawe

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Reinhart Poprawe

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Bauteilpräzision durch Beherrschung von Schmelze und Erstarrung in Produktionsprozessen

Fertigungsprozesse, bei denen der Werkstoff innerhalb der Prozesskette in eine schmelzflüssige Phase überführt wird, wie beispielsweise beim Metallguss, dem Kunststoff-Spritzguss, allen Schmelzschweißprozessen und thermischen Schneidprozessen, können die steigenden Anforderungen an eine hohe Bauteilpräzision häufig nur mit hohem Aufwand und Nachbearbeitungsschritten erfüllen.

Durch Volumenkontraktion während der Erstarrung, ungleichmäßige Abkühlung durch eingeschränkten Energietransport sowie unkon-trollierte Gefügeausbildung ergeben sich eine Vielzahl von Bauteilungenauigkeiten bzw. -fehlern, die die Präzision des Bauteils wesentlich beeinflussen.

Voraussetzung für die Erzeugung einer hohen Präzision bei schmelzebasierte Prozessen ist ein tiefgreifendes Verständnis der Schmelzeentstehung, der inneren Dynamik durch äußere und innere Antriebskräfte sowie der Prozesse, die sich während der Erstarrung der prozessspezifischen Schmelzen ergeben.

Allerdings sind insbesondere Wärmeübergänge, Werkstoffzustände, Energietransport durch flüssige Phasen, Einflüsse durch Erstarrungsprozesse und volumenverändernde Kristallisationsprozesse sowie zeitliche und örtliche Temperaturverläufe real nur schwierig oder nicht zu erfassen, vorherzusagen und zu kontrollieren.

Multiskalige Beherrschung der Schmelze

Der geplante Sonderforschungsbereich widmet sich dieser Themenstellung mit dem Ziel, für schmelzebasierte Fertigungstechnologien wie Urformen, Fügen, Trennen, Generative Fertigung und Beschichten – also Verfahren, bei denen ein Werkstoff im Prozess zumindest zeitweise als flüssige Phase vorliegt und an eine Feststoffphase aus dem gleichen oder einem anderen Material angrenzt – eine dimensionsübergreifende Beschreibung der ablaufenden Prozesse zu erarbeiten und verursachungsgerechte Maßnahmen zur Erhöhung und Erzielung der Präzision um mindestens eine Größenordnung bezogen auf Geometriefehler, innere Bauteilfehler und Oberflächengenauigkeiten abzuleiten.

Um dieses Ziel zu erreichen, werden in einem grundlegenden Forschungsansatz alle beteiligten physikalischen und werkstofflichen Teilprozesse, die in der Schmelzeentstehung und deren Dynamik eine Rolle spielen, mit hochauflösenden Verfahren zeitlich und örtlich analysiert.

Auf der Basis dieser Analysen wird in einem zweiten Schritt ein Verständnis der Zusammenhänge der Teilprozesse entwickelt, die auf nanoskaligen Keimbildungsprozessen bis zu makroskopischen Bauteilverzügen beruht.

Die dritte Säule des SFBs bildet schließlich die Erarbeitung wissenschaftlicher Ansätze, mit denen Abkühlbedingungen, Energietransfer in Schmelzen sowie Erstarrung und Gefügeausbildung kontrolliert werden können.

Das zentrale Ergebnis des geplanten Sonderforschungsbereiches ist die multiskalige Beherrschung der Schmelze ausgehend von der Schmelzeentstehung über den Schmelzefluss bis zur Erstarrung als Voraussetzung für die Erhöhung der Präzision und die Vermeidung von Prozessfehlern in und an schmelztechnisch hergestellten Bauteilen.