Wirtschatfliche Motivation

Die Schweißtechnik gehört zu den wichtigsten Fügetechniken im Fahrzeugbau. Als Folge der schweißtechnischen Fertigung entstehen durch die verfahrensabhängige lokale Wärmeeinbringung lokale Werkstoffinhomogenitäten, Verzug und Eigenspannungen, die die Formstabilität sowie die Festigkeit und Lebensdauer der Bauteile beeinträchtigen können [1]. Zusätzliche Effekte können durch Festigkeitsunterschiede im schweißnahtnahen Bereich, Under- bzw. Overmatching, auftreten [2]. Starker Verzug kann darüber hinaus besonders bei dünnwandigen Leichtbauteilen aus Aluminium die form- und maßgenaue Fertigung während der Bearbeitung und beim Zusammenbau beeinträchtigen. Die Qualität geschweißter Komponenten hängt somit auch davon ab, inwieweit fertigungsbedingte Gefügeänderungen, Verzüge und Eigenspannungen gezielt kontrolliert werden können.

Heutiger Stand der Technik ist es, fertigungstechnische Maßnahmen vor, während und nach dem Schweißen (z.B. Nahtvorbereitung, Vorwärmen, Einspannvorrichtung, Richten, Wärmenachbehandlung) zu ergreifen, um geforderte Bauteileigenschaften sicher zu erreichen [3]. Derartige Maßnahmen sind jedoch nur in begrenztem Umfang wirksam, können die Fertigung erheblich verteuern und beruhen nahezu ausschließlich auf individuellen praktischen Erfahrungen des jeweiligen Herstellers. Bei der Entwicklung neuer Produkte sind kostenintensive Voruntersuchungen und Prototypenreihen bis zur Freigabe des Bauteils notwendig. Zudem sind Konstruktionsänderungen nach dem Serienanlauf sehr schwierig und kostspielig.

Bisher erfolgt die Fertigungsentwicklung auf empirischer Basis, unterstützt durch Versuche. Die Berechnung beschränkt sich auf die Anwendung einfacher Ingenieursformeln zur Abschätzung der Einstellparameter der Fertigungsanlagen [4]. Der Einsatz moderner numerischer Simulationsmethoden zur Beschreibung schweißtechnischer Fertigungsschritte ermöglicht heute prinzipiell die Berechnung von Gefügeentwicklung, Verzug und Eigenspannungen in geschweißten Bauteilen. Die numerische Schweißsimulation beinhaltet dabei Aufgaben sowohl zur Prozess- als auch zur Werkstoff- und Funktionssimulation. Eine zuverlässige Schweißsimulation erfordert heute eine umfangreiche Datenbasis an Werkstoffkennwerten sowie die Verifizierung der Rechnung durch Messungen am Bauteil während des Schweißens zur Anpassung der in der Simulation verwendeten Wärmequelle. Die kurze Beschreibung der Simulationstechnik soll zeigen, dass die numerische Schweißsimulation heute noch durch ihre Komplexität in der Anwendung und die aufwändige Bestimmung der erforderlichen Werkstoffkennwerte keinen Eingang in die industrielle Praxis gefunden hat. Ein wesentlicher, weiterer Hinderungsgrund sind aber die heute noch enormen Rechenzeiten für die Schweißsimulation großer Bauteilstrukturen [5].

Auf der anderen Seite besteht aber in der Industrie ein großer Bedarf am Einsatz numerischer Methoden mit dem Ziel, die verschiedenen Einflüsse von schweißtechnischen Fertigungsverfahren auf die Bauteileigenschaften bereits im Entwurfsstadium ohne aufwändige Versuchsreihen  bestimmen zu können. Damit könnten Produkte zuverlässiger und schneller entwickelt und so die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie erhöht werden.

Die vom DVS 2004 in Auftrag gegebene Studie „Fügeprozesssimulation - Innovative Anwendungen der Informatik“ [6] zeigt deutlich, dass seitens der Industrie ein großer Forschungsbedarf besteht. Dieser wurde durch die zahlreich anwesenden Industrievertreter während der konstituierenden Sitzung des in Folge der Studie gegründeten gemeinsamen Fachausschusses „Anwendungsnahe Schweißsimulation“ bestätigt und es wurden die langfristigen Ziele der vertretenen Unternehmen dokumentiert.

Aus industrieller Sicht ist insbesondere die Entwicklung neuer und die Validierung bzw. Weiterentwicklung bestehender Methoden zur Rechenzeitreduzierung erforderlich, um den wirtschaftlichen Einsatz der Schweißsimulation für komplexe Strukturen zu ermöglichen. Zielvorstellung ist, große Strukturen auch in wenigen Tagen rechnen zu können. Weitere Erfordernisse bestehen darin, die für die Simulation notwendigen Werkstoffdaten und damit die zu ihrer Ermittlung notwendigen und sehr kostspieligen Experimente auf ein Mindestmaß zu reduzieren; hierfür ist es erforderlich, die Auswirkung der Eingangsgrößen auf das Ergebnis zu quantifizieren und daraus die wesentlichen Werkstoffkennwerte zu identifizieren. Weiterer Forschungsbedarf seitens der Industrie wurde bezüglich der Modellierung der Spanntechnik und des Einflusses vorgelagerter Prozesse auf das Verzugs- und Eigenspannungsergebnis identifiziert. Nur bei Kenntnis der zur Abbildung dieser Randbedingungen notwendigen Modellierungstiefe bzw. -ansätze, ist ein wirtschaftlicher und effizienter Einsatz der Schweißsimulation denkbar.

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Neue Aufgaben für kleine und mittelständische Zulieferer

Die Herausforderungen werden sich zukünftig in erheblichem Maße verschärfen, da mit der Veränderung der Aufgaben des mittelständischen Zulieferers hin zum Systemlieferanten auch eine Verlagerung der Verantwortlichkeit für die Leistungsfähigkeit, Qualität und Sicherheit von Bauteilen oder Komponenten oder einer ganzen Anlage einhergeht. Hieraus resultiert eine Verschiebung der notwendigen Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten hin zu den kleinen und mittelständischen Unternehmen (kmU).

Der Verzugs- und Eigenspannungsberechnung geschweißter Bauteile kommt hierbei eine zentrale Bedeutung zu. Die dafür notwendigen Vorraussetzungen sind gerade bei den kmU vielmals noch nicht gegeben.

Der Kostendruck, unter dem die kmU im nationalen sowie internationalen Wettbewerb stehen, verhindert in vielen Fällen die Durchführung von experimentellen Untersuchungen. Zudem haben gerade die kmU trotz gestiegener Verantwortung nicht die Mittel, eine entsprechende Prüftechnik aufzubauen. Hier bietet sich mit der numerischen Simulation des schweißtechnischen Fertigungsprozess gerade für kmU die Möglichkeit, die Qualität ihrer Produkte im Entwurfsstadium zu verbessern. Voraussetzung hierfür sind aber qualifizierte und einfach handhabbare Rechenwerkzeuge sowie akzeptable Rechenzeiten auch auf mittleren, bei kmU einsetzbaren Workstations oder PCs.

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Kostenersparnis durch Schweißsimulation

Durch eine verzugsoptimierte Fertigung ist mit erheblichen Einsparungen zu rechnen. Diese ergeben sich sowohl durch eine Verringerung der Kosten für den Vorrichtungsbau als auch durch die Einsparung von Prozessschritten wie z.B. dem Richten. Weiterhin ist eine Reduzierung der Entwicklungskosten durch eine effizientere Fertigungsplanung und Arbeits­vorbereitung zu erwarten.
Diese Ersparnisse addieren sich insbesondere bei Massenprodukten volkswirtschaftlich jährlich zu Milliardenbeträgen und stellen die Motivation für die Entwicklung industriell verwendbarer Berechnungsverfahren dar.

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Unmittelbarer Nutzen der Ergebnisse für kmU

Mit einer industriell einsetzbaren Schweißsimulation lässt sich, wie bereits bei der Umformsimulation, die heute Stand der Technik ist, für viele Bereiche ein unmittelbarer Nutzen für die deutsche Industrie und insbesondere kmU ableiten. Folgende Aspekte seien beispielhaft aufgeführt:

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Unternehmens- und branchenübergreifende Lösungen

Ziel ist es den Nutzen der Forschungsarbeiten den kmU aus den Branchen Maschinenbau, Automobilindustrie, Nutzfahrzeugbau, Schienenfahrzeugbau, Kraftwerksanlagenbau, Schiffbau, Leichtbau, Stahlbau, Rohrleitungs- und Druckbehälterbau übergreifend zugänglich zu machen. Da die numerische Schweißsimulation nicht an bestimmte Schweißverfahren oder Werkstoffe gebunden ist, besteht die Gefahr der Entwicklung einer branchenspezifischen Insellösung hier nicht.

Dieser durch Synergie gesteigerte Erkenntnisgewinn soll den Konstrukteuren, Berechnern, Qualitätsverantwortlichen der Unternehmen, Gutachtern und Ingenieurbüros sowie auch den Softwarehäusern als ein branchenübergreifend wirksames und innovatives Werkzeug zur Verfügung gestellt werden.

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Zusammenarbeit von anwendenden Unternehmen, Softwarehäusern und Forschungsstellen

Die Experten und die damit verbundenen Kompetenzen der Forschungsinstitute sowie der vertretenen Industriebranchen in den Projektbegleitenden Ausschüssen und dem Projektsteuerungskreis entwickeln die Projekte gemeinsam und bringen zu diesem Zweck ihr ganzes Wissen ein.

Durch diese breitenwirksame Expertengruppe wird eine praxisnahe Erschließung und damit direkte wirtschaftliche Nutzung der Forschungsergebnisse garantiert. Bereits während der Projektbearbeitung wird durch die intensive Einbeziehung der Industrie in den Projektbegleitenden Ausschüssen eine starke Interaktion zum Transfer und unmittelbaren Nutzung der erarbeiteten Erkenntnisse angestrebt. Durch die aktive Beteiligung führender Softwarehäuser in den begleitenden Ausschüssen wird der zukünftig noch weiter steigenden Bedeutung der rechnerischen Verzugs- und Eigenspannungsermittlung Rechnung getragen und deren Entwicklung vorangetrieben.

Den kmU wird somit die Möglichkeit gegeben den zukünftigen Herausforderungen durch den Zugriff auf branchenübergreifendes Fachwissen zu begegnen.

Die Ergebnisse verbessern daher unmittelbar und branchenübergreifend die Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit kleiner und mittelständischer Unternehmen.

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[1] Radaj, D., Wärmewirkungen des Schweißens: Temperaturfeld, Eigenspannungen, Verzug, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 1988
[2] Knissel, Holger, Entwicklung eines Prüfkonzeptes für laserstrahlgeschweißte Verbindungen, Dissertation, Universität Karlsruhe, 1999
[3] Dilthey, U.: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1. Schweiß- und Schneidtechnologien. Springer, Berlin; 2. Auflage, 1994
[4] Radaj, D., Schweißprozesssimulation: Grundlagen und Anwendungen, Fachbuchreihe Schweißtechnik, Band 141, Verlag für Schweißen und Verwandte Verfahren, DVS-Verlag, Düsseldorf, 1999
[5] Veneziano, C., et al., Numerische Simulation von Verzug und Eigenspannungen geschweißter Komponenten aus Al-Guss und Strangpressprofilen, Schlussbericht zum AiF-Vorhaben 13.716, IWM-Bericht S 6/2006
[6] „Fügeprozesssimulation - Innovative Anwendungen der Informatik“, Studie des Institut für Füge- und Schweißtechnik der TU Braunschweig im Auftrag des deutschen Verbands für Schweißen und verwandte Verfahren e. V., Düsseldorf, 2004

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