Aluminium macht sich ...

... fit für virtuelle Produktionswelten

Die Fabrikation der Zukunft findet „virtuell“ im Computer statt. Anspruchsvolle Kunden wie die Automobilindustrie werden sich bevorzugt für Materialien entscheiden, deren Eigenschaften präzise vorausberechnet werden können. Zur Entwicklung der erforderlichen Grundlagen hat die europäische Aluminiumbranche ihre Kräfte in drei Gemeinschaftsprojekten gebündelt. Ziel ist die Berechenbarkeit des Werkstoffverhaltens

21. März 2001

Industrielle Produktionsprozesse werden regelrecht revolutioniert: „Bei der Planung neuer Produkte wird der Ingenieur der Zukunft verstärkt Computersimulationen einsetzen, statt lange herumzuexperimentieren“, prognostiziert Dr. Bruno Broich, Leiter der Zentralen Forschung und Entwicklung der VAW Aluminium AG in Bonn. Die Konstrukteure stünden unter immensem Zeit- und Kostendruck und könnten sich gar nicht mehr erlauben, beispielsweise ein Auto erst zu bauen und dann zu prüfen, ob der Werkstoff geeignet oder wie es im Crash-Fall um den Insassenschutz bestellt sei. Für jede Komponente, die der Ingenieur am Bildschirm entwerfe, müsse der Computer deshalb vorausberechnen können, wie sie sich im Normalbetrieb, aber auch in Unfallsituationen verhalte. Darüber hinaus gehe die verarbeitende Industrie zunehmend dazu über, auch ihre Fabrikationsprozesse „virtuell“ zu planen. Um teure Fehlschläge zu vermeiden, werde am Bildschirm vorab ermittelt, ob sich ein Bauteil auch so wie geplant herstellen lasse, noch bevor Millionenbeträge in teure Anlagen und Werkzeuge investiert würden.

Die Berechnungsgrundlagen ...

„Bei der Wahl seiner Werkstoffe wird der Ingenieur in Konstruktion und Entwicklung seine Entscheidung zunehmend davon abhängig machen, ob und in welcher Qualität ihm die notwendigen Berechnungsmodelle und Datenbanken für solche Simulationen zur Verfügung stehen“, ergänzt Dr.-Ing. Jürgen Hirsch, Projektleiter des VAW- Forschungsbereichs Walztechnologie. Die Verantwortung für die Bereitstellung liege bei den Lieferanten; eine Branche, die diesen Wünschen der Abnehmer nicht ausreichend entspreche, müsse in Zukunft mit Wettbewerbsnachteilen rechnen.

... müssen gemeinschaftlich erarbeitet werden ...

„Natürlich wurden bei vielen Herstellern von Aluminiumhalbzeug auch bisher schon diverse Berechnungsgrundlagen entwickelt. Solche individuelle Alleingänge reichen heute jedoch nicht mehr aus“, verrät Dr. Broich. Weltweit tätige Abnehmer wie die Automobilbranche verlangten einheitliche Standards und herstellerunabhängig gültige Lösungssysteme, die auch dann noch zu sicheren Ergebnissen führten, wenn das Halbzeug jeweils lokal beschafft werde. Die Stahlindustrie habe schon längst damit begonnen, unternehmensübergreifende Forschungsprojekte mit teilweise weltweiter Beteiligung zu organisieren. Die Aluminiumbranche dürfe da keinesfalls zurückstehen.

... und umfassen auch die „Fabrik im Computer“

„Dabei geht es nicht nur um Festigkeiten, sondern darüber hinaus um weitere, dem Normalverbraucher kaum bekannte Eigenschaften wie beispielsweise anisotropes Umformverhalten, die sogenannte Zipfeligkeit beim Tiefziehen“, erläutert Jürgen Hirsch und zeigt zwei aus runden Blechteilen tiefgezogene Näpfchen vor, von denen eines einen stark wellig ausgebildeten Rand aufweist. Zu stark ausgeprägte Zipfeligkeit führe beim Tiefziehen zu Dickenunterschieden des Materials, wodurch beispielsweise bei einer Aluminiumfelge Unwucht entstehen könne. Auch viele auf höchste Materialausnutzung optimierte Prozesse - beispielsweise bei der Herstellung von Getränkedosen - reagierten sehr empfindlich auf solche Materialeffekte.

Die Kristalle als „Herren der Eigenschaften“

„Die Eigenschaften eines gegebenen Stücks Aluminium hängen nicht nur von der Legierung, sondern darüber hinaus auch ganz wesentlich vom sogenannten Gefüge und dessen Ausprägung durch den Fertigungsprozess ab“, verrät Dr. Broich. Wie jedes Metall besteht Aluminium aus unzähligen winzigen, zusammenhängenden Einzelkristallen. Diese Kristallkörner können je nach bisherigem Verlauf der Produktionsverfahrens sehr unterschiedliche Größe, Form und Richtung aufweisen und mit mehr oder weniger feinen Ausscheidungen vermengt sein.

Dies hat wiederum erhebliche Auswirkungen auf die Eigenschaften des Werkstücks. Im Laufe des Herstellprozesses, der im wesentlichen aus den Stufen Gießen, Walzen oder Strangpressen, Glühen und schließlich Umformen besteht, ändern sich das Gefüge und damit die Materialeigenschaften in komplexer Weise.

Dabei spielen häufig auch längst durchlaufene Fertigungsstufen noch eine wichtige Rolle. Fast im Sinne eines „Memory-Effekts“ wirkten sich die Bedingungen, unter denen beispielsweise der ursprüngliche Stranggussbarren erstarrte, selbst nach mehrfachen Wärmebehandlungen und vielfacher Dickenabnahme beim Auswalzen immer noch auf das Gefüge - und damit auf die Eigenschaften - eines Umform- Blechteils aus.

Ziel: die mathematische Beherrschung der Gefügeveränderung

„Der Schlüssel, um diese sehr komplexen und von vielen Parametern abhängigen Eigenschaftsveränderungen korrekt zu berechnen, liegt in der Physik. Wir müssen mathematische Gleichungssysteme entwickeln, mit deren Hilfe die physikalischen Vorgänge bei der Bildung und Veränderung von Gefügezuständen zutreffend vorhergesagt werden können“, erklärt Dr. Hirsch. Die Entwicklung der entsprechenden wissenschaftlichen Grundlagen und die Sammlung und Systematisierung der umfangreichen Datenbestände, die anschließend für eine korrekte Anpassung an die Praxis benötigt würden, gingen über die Leistungsfähigkeit selbst der größten Unternehmen der Branche deutlich hinaus. Deshalb habe die europäische Aluminiumindustrie zusammen mit wissenschaftlichen Institutionen drei miteinander verknüpfte Forschungsprojekte „auf Kiel gelegt“. Im Rahmen der Projekte „VirCast“ (virtuelles Gießen), „VirFab“ (virtuelle Fabrikation, zum Beispiel Walzen) und „VirForm“ (virtuelles Umformen von Blechen) arbeiten seit März 2000 insgesamt acht führende europäische Halbzeughersteller und 18 Hochschulinstitute zusammen. Diese von der EU geförderten Forschungsvorhaben haben ein Gesamtvolumen von 35 Mio. DM, als Projektdauer sind vier Jahre vorgesehen.

Mehr Recycling und bessere Nutzung von Ressourcen

„Ein weiterer wichtiger Aspekt dieses Vorhabens sind daneben auch bessere Möglichkeiten des Recyclings“, erläutert Bruno Broich. Teilziel des Projekts sei die präzise Vorhersage der Auswirkungen bestimmter Legierungselemente, auch solcher, die über Recycling-Kreisläufe ins Metall gelangten, auf die Eigenschaften des Materials. Gleichzeitig werde es damit möglich, die verschiedenen Fabrikationsschritte bei der Erzeugung von Halbzeugen unter Berücksichtigung der konkreten Legierungszusammensetzung so zu optimieren, dass bestmögliche Gebrauchseigenschaften erzielt würden.

„Im Endeffekt soll uns dies ermöglichen, mehr Recycling-Material zu verwenden und ganz allgemein das Potenzial des Werkstoffs im Rahmen dieser Entwicklung optimal zu nutzen. Auf diese Art leisten wir zugleich wichtige Beiträge zur Schonung von Ressourcen und zum Schließen von Stoffkreisläufen“, bekräftigt Dr. Jürgen Hirsch.

Erschienen in Ausgabe: 08/2000