Forschende der RWTH Aachen arbeiten im Sonderforschungsbereich ‚1120 Bauteilpräzision‘ daran, Abläufe beim Schweißen besser zu verstehen und mit Simulationen genauer abzubilden. Die Hochschule beschreibt Schweißen als einen Prozess, bei dem zwei Metallteile durch Hitze verbunden werden, sich das Bauteil beim Schmelzen und Wiedererstarren jedoch entscheidend verändert. Dabei entstehen innere Spannungen, die sich nach und nach auflösen können. Das kann zu Verformungen des Bauteils und zu inneren Veränderungen führen, die für die weitere Verarbeitung relevant sind. Nach Angaben der RWTH kann dadurch Nachbearbeitung nötig werden, oder Risse und andere Materialfehler entstehen.
Forschungsverbund seit 2014
Nach Angaben der RWTH arbeitet seit zwölf Jahren ein interdisziplinäres Team aus zehn Instituten an dem Verständnis schmelzebasierter Prozesse wie dem Schweißen. Die Arbeit ist in mehr als 20 Teilprojekte gegliedert. Ziel ist es, Bauteile präziser herzustellen. Der Sonderforschungsbereich 1120 Bauteilpräzision wird seit 2014 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Im Juni kommt das Projekt nach Angaben der Hochschule zum Abschluss.
Viele Einflussfaktoren beim Schweißen
Während das Fräsen von Metall im Mikrometer-Maßstab genau erfolgen kann, sind Schmelzprozesse deutlich schwerer vorherzusagen. Uwe Reisgen, Leiter des Instituts für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH und Sprecher des Sonderforschungsbereichs, sagt: „Beim Schweißen spielen mehr als 100 Einflüsse eine Rolle. Angefangen beim Werkstoff, über die Umgebungstemperatur bis hin zum Menschen, der den Prozess durchführt.“ Nach seinen Angaben gibt es bislang keine realistische Simulation von Schweißprozessen mit hoher Genauigkeit. Um drei Sekunden Schweißen mit hoher Präzision abzubilden, werden demnach 120 Stunden Rechenzeit benötigt. Reisgen sagt zugleich, das Team sei in den vergangenen Jahren einer präziseren Simulation nähergekommen.
Fortschritte bei der Simulation
Die Forschenden haben eine Software entwickelt, in die Parameter eines Schweißprozesses eingegeben werden können. Damit komme man bereits relativ nah an die Realität heran. In manchen Bereichen seien die Ergebnisse dadurch um den Faktor 100 besser geworden. Reisgen sagt: „Früher hat man teils auf den Zentimeter genau gearbeitet, heute können wir schon auf ein Zehntel Millimeter genaue Ergebnisse erzielen.“ Angefangen hatte der Forschungsverbund in der ersten Förderperiode mit einfacheren Abbildungen von Schweißprozessen, mit denen die Vorgänge beim Erhitzen und Erkalten von Werkstoffen nachvollzogen werden konnten.
Positive Begutachtung und zweite Phase
Die anschließende Begutachtung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft fiel nach Angaben der RWTH positiv aus. Oleg Mokrov, der am Lehrstuhl von Uwe Reisgen das Team Simulation und Modellierung leitet, sagt: „Alle waren so begeistert, dass wir uns diesem Thema annehmen.“ Für den Mathematiker, der sich seit mehr als 25 Jahren mit der Simulation von Schmelzprozessen beschäftigt, war dies eine Bestätigung des eingeschlagenen Weges. Die Förderung für die nächsten vier Jahre war damit gesichert. In der zweiten Förderperiode suchte der Forschungsverbund dann nach einer geeigneten Simulationssoftware.
Zusammenarbeit innerhalb der RWTH
Schließlich wurde das Visual Computing Institute der RWTH einbezogen. Jan Bender und sein Team brachten Fachwissen zur Simulation bewegter Flüssigkeiten ein. Dieser Aspekt ist nach Darstellung der RWTH beim Schweißen und bei anderen schmelzebasierten Prozessen zentral. Die Informatikerinnen und Informatiker arbeiten dafür mit möglichst vielen Berechnungspunkten, um ein Modell zu erstellen. Bender sagt: „Im Idealfall rechnen wir mit unendlich vielen Punkten, um ein möglichst genaues Ergebnis zu bekommen.“ Da dies praktisch nicht möglich ist, geht es laut Mitteilung darum, einen Kompromiss zwischen Rechenaufwand und Präzision zu finden.
Neues Modell im Forschungsverbund
Die Zusammenarbeit führte nach Angaben der RWTH am Ende der zweiten Förderphase zu einem neuen Modell, das zuvor getrennt betrachtete Einflussgrößen zusammenführt. Mokrov sagt, das bisher verwendete Modell der Gaußschen Verteilung eigne sich zwar für viele Forschungsbereiche, „nur für unser Verfahren war es nicht passend“. Mit dem neuen Ansatz lassen sich laut Hochschule Strömungen im Schmelzbad, Temperatureinflüsse, Materialveränderungen und Verzugseffekte gemeinsam berechnen. Die RWTH beschreibt dies als wichtigen Schritt für die Simulation von Schweißprozessen. Mit dem Abschluss des Sonderforschungsbereichs rücke nun die Anwendung stärker in den Vordergrund.
Transfer in die Praxis
Nach Angaben der Hochschule gibt es bereits sechs Transferprojekte mit Industriepartnern. Sie sollen zeigen, wie die Forschung in die Praxis überführt werden kann. Die RWTH verweist zudem auf die Bedeutung von Sonderforschungsbereichen innerhalb der Forschungsförderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Diese Verbünde sind langfristig angelegt, interdisziplinär ausgerichtet und können bis zu zwölf Jahre laufen. Alle vier Jahre erfolgt eine Evaluation durch externe Gutachterinnen und Gutachter. Kooperationen mit außeruniversitären Forschungseinrichtungen sind laut Deutscher Forschungsgemeinschaft ausdrücklich erwünscht.
Einordnung durch die Hochschule
Sandra Korte-Kerzel, Prorektorin für Forschung an der RWTH Aachen, sagt: „Wir können uns glücklich schätzen, dass die DFG diese ambitionierten, langfristigen Kooperationen fördert, denn sie ermöglichen es den Forschenden, spannende und relevante Fragestellungen mit außergewöhnlicher Tiefe zu verfolgen.“ Sie schildert weiter, die Sonderforschungsbereiche förderten nicht nur Forschung, sondern auch Forschungsteams, Kooperationsstrukturen und ein Umfeld für Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler. Demnach dienen die Forschungsverbünde zudem der institutionellen Schwerpunkt- und Strukturbildung. Als besondere Form nennt die Mitteilung Transregios, bei denen ein Sonderforschungsbereich gemeinsam von mehreren Universitäten getragen und standortübergreifend organisiert wird. Hier handelt es sich um einen Sonderforschungsbereich an der RWTH Aachen.
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