Virtueller Einblick für den Schmied
Mit der Formgebung zur richtigen Mikrostruktur von Turbinenwerkstoffen
Turbomaschinen, seien es nun stationäre Kraftwerksturbinen oder Flugtriebwerke, benötigen immer Bauteile, die auch bei sehr hohen Temperaturen höchsten mechanischen Belastungen dauerhaft standhalten können. Um diese Eigenschaften mit Metallen auch noch bei etwa 1000 Grad Celsius realisieren zu können, bedarf es nicht nur der richtigen chemischen Zusammensetzung des Werkstoffes, sondern auch einer genau eingestellten Mikrostruktur. Die Mikrostruktur wird unter anderem bestimmt von Größe, Art und Orientierung der einzelnen Körner oder eventueller Ausscheidungen festigkeitssteigernder Partikel. Der Verlauf der Temperatur und der Umformung während der Herstellung des Bauteils hat wesentliche Auswirkungen darauf.
Simulation des Innern eines Giganten
Ausgehend von einem Rohblock mit einem Gewicht von 200 Tonnen erfolgt die Umformung in einer langen Prozesskette von Freiformschmiedeoperationen auf Pressen, deren Presskraft bis zu 12.000 Tonnen beträgt. Die Umformfolge besteht aus vielen hundert Pressenhüben und der gesamte Prozess benötigt einschließlich der erforderlichen Wiedererwärmung im Ofen mindestens mehrere Tage. 
Bild 1: Schmieden einer Generatorwelle auf einer hydraulischen Schmiedepresse (links, Sheffield Forgemasters) und fertige Welle (rechts, Siemens AG).
Die vielen hundert Pressenhübe selbst werden in so genannte Überschmiedungen unterteilt, in welchen das Bauteil einmal über seine gesamte Länge umgeformt wird. Betrachtet man die Wirkung einer einzelnen Überschmiedung, so kann sich eine inhomogene Verteilung der Formänderung ergeben. Wenn diese Inhomogenität in den nächsten Überschmiedungen nicht ausgeglichen wird, so kann es zu einer inhomogenen Verteilung der resultierenden mechanischen Eigenschaften kommen, die die Funktion beeinträchtigen kann.
Bild 2: Exemplarische Verteilung der Formänderung entlang der Kernfaser
Beispielsweise würden aus dem Gussprozess stammende Poren im Kern des Blocks unter hohem Druck zusammengepresst und könnten dort auch nahtlos verschweißen. Im Randbereich der jeweiligen Umformzone wäre die Pore als Schwachstelle immer noch vorhanden und somit ein Ausgangspunkt für eine Schädigung des Bauteils im späteren Betrieb.
Bild 3: Numerische Untersuchung des Porenschließens von sphärischen Poren an verschiedenen Positionen im Block (rot) und Darstellung des sich ergebenden hydrostatischen Drucks im Längsschnitt des Blockes.
Hier kommt es also darauf an, die vielen hundert Hübe so zu platzieren, dass am Ende überall eine möglichst große und homogen verteilte Formänderung vorliegt, damit alle Poren sicher geschlossen werden. Dies kann dann gelingen, wenn der gesamte Ablauf einem genau vorgegebenen Plan folgt.
Was aber, wenn davon abgewichen werden muss? Dann kann der Pressenbediener bislang nur aus Erfahrung weiter schmieden, da er nicht in den Block hineinsehen kann. Wissenschaftler vom Institut für Bildsame Formgebung, kurz IBF, arbeiten an Rechenmodellen, die den Freiformschmiedeprozess wesentlich schneller simulieren können, als er in Realität abläuft. Gefüttert mit den Daten aus dem laufenden Schmiedeprozess zeigt das Modell genau, wie es aktuell im Inneren des Blocks aussieht.
Bild 4: Freiformschmieden eines Blocks auf der 630-Tonnen-Presse des IBF (Foto: Martin Braun)
Es wurde auch schon erprobt, wie diese Modelle an eine industrielle Schmiedeanlage angeschlossen werden können. So wurde durch Einbindung des Systems in die Schmiedepresse bei VDM in Unna und Buderus in Wetzlar im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Transferprojektes dem Bediener laufend angezeigt, welche Verteilung von Formänderung, Temperatur und Korngröße im Innern des Blocks gerade vorliegen müsste. Überprüft wurde das mit Versuchen im verkleinerten Maßstab mit der 630-Tonnen-Presse am IBF, mit denen bewiesen werden konnte, dass mit solchen Modellen eine gute Vorhersage der Korngröße möglich ist.
Die nächsten Schritte beziehen sich nun auf die Realisierung der Vision eines Assistenzsystems für den Pressenbediener: Weil das Modell so schnell rechnen kann, soll es ähnlich wie ein Navigationssystem dem Pressenbediener vorschlagen, wie er den Schmiedeprozess nach einer Abweichung vom ursprünglichen Plan am besten zu Ende führen könnte. Das ist noch Zukunftsmusik. Die schnellen Rechenmodelle können aber schon heute zur Prozessplanung und Qualitätssicherung genutzt werden. Hier hilft die Forschung im Übrigen auch der Lehre. Eine etwas abgespeckte Version der Modelle nutzt das IBF im umformtechnischen Praktikum und ermöglicht so den Studierenden, selbst herauszufinden, wie sich Änderungen des Schmiedeplans auf die Qualität des Endproduktes auswirken können.
Autoren:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Gerhard Hirt (Mitglied von JARA-ENERGY), ist Inhaber des Lehrstuhls für Bildsame Formgebung. Alexander Krämer, M. Sc., und Martin Wolfgarten, M. Sc., sind Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Bildsame Formgebung.