SiPro - Simulationsbasiertes Eigenschaftsdesign entlang der kombinierten Prozesskette Ur- und Umformtechnik

Abstract

Das Forschungsprojekt "SiPro" zielt darauf ab, die Energie- und Ressourceneffizienz in der metallurgischen Industrie durch eine ganzheitliche, simulationsbasierte Optimierung der kombinierten Prozesskette Ur- und Umformtechnik zu steigern. Mit dem Ziel, den CO₂-Ausstoß bei der Herstellung metallischer Produkte signifikant zu reduzieren, wurde erstmals eine durchgängige digitale Prozesskette von der Gieß- bis zur Umformung aufgebaut und validiert. Die Forschung konzentrierte sich auf industriell relevante Prozessrouten, wobei die mikrostrukturelle Entwicklung des Werkstoffs – einschließlich Phasenzusammensetzung, Korngröße und Seigerungen – durch maßgeschneiderte Werkstoffmodelle beschrieben und von der Gieß- in die Umformsimulation übertragen wurde. Die Projektarbeit umfasste die Entwicklung und Validierung von Simulationsmodellen für die Gießprozesse (MAGMASOFT®), die Umformung (Simufact Forming®) und die Wärmebehandlung. Kritische Schnittstellen wurden zwischen den Softwarelösungen geschaffen, um die Übertragung von Geometrie, Temperatur, relativer Dichte und mikrostrukturellen Daten zu ermöglichen. Labor- und industrielle Versuche an Gussblöcken und Stranggüssen verschiedener Stähle (C45, 42CrMo4, X3CrNiMo13-4, 18CrNiMo7-6) dienten der experimentellen Validierung der Simulationen. Dabei wurden thermophysikalische Eigenschaften, Fließkurven und Gefügeentwicklungen systematisch charakterisiert und in die Modelle integriert. Ein zentrales Ergebnis war die Identifikation und Quantifizierung von Einsparpotenzialen. So konnte durch die Optimierung der Ofenführung vor dem Freiformschmieden eine Reduktion der Aufheizdauer um bis zu 35 % erreicht werden, was zu einer signifikanten Einsparung an Energie und CO₂ führte. In der Fertigungsroute "Strangguss für nahtlose gewalzte Ringe" wurden durch die Optimierung der Ofenbelegung, der Nutzung von Restwärme und der Anpassung der Aufheizrampen insgesamt 12,2 GWh/a Erdgas eingespart, was einer CO₂-Reduktion von 2.460 t/a entspricht. Auch im Bereich der Schmiedestrategie konnte durch eine gezielte Anpassung des Stichplans der Vorschmiedeprozess reduziert werden, was zu einer Materialersparnis von 66,5 t/a führte. Die Ergebnisse des Projekts zeigen, dass eine durchgängige digitale Prozesskette nicht nur zur Energieeinsparung, sondern auch zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und Prozesssicherheit beiträgt. Die entwickelten Methoden und Modelle stehen nun als wertvolles Werkzeug für die Industrie zur Verfügung, um zukünftige Prozesse effizienter zu gestalten und die Nachhaltigkeit metallurgischer Fertigungsprozesse weiter zu steigern.