Aus dem Computer in die Mikrowelle: Simulationsprogramme helfen ThyssenKrupp Nirosta bei der Produktentwicklung

Die von ThyssenKrupp Nirosta verwendeten Simulationsprogramme ermöglichen es, das Umformverhalten von Materialien anhand von mathematischen Modellen am Computer darzustellen. Die Vorteile der Simulation gegenüber dem Echtversuch liegen auf der Hand: Weder Rohstoffe noch Anlagen werden eingesetzt, es kommt zu einer erheblichen Zeit- und Kostenersparnis.

Kundenanfrage in der Werkstoffforschung: Bei bestimmten Anwendungen sollen austenitische Stähle durch ferritischen Stähle, die nickelärmer und dadurch kostengünstiger sind, ersetzt werden. Doch: Wie nah kommen sich die Werkstoffeigenschaften dieser Edelstähle? Können die ferritischen Stähle die austenitischen in der konkreten Anwendung problemlos ersetzen?

Hier ist eine grundlegende Analyse gefragt, um dem Kunden eine zufriedenstellende Antwort zu liefern. Anderer Sachverhalt, gleiche Aufgabenstellung: Das Innenblech der Mikrowelle zerreißt während der Umformung. Woran liegt es? Auch hier soll eine Analyse Aufschluss über die Fehlerquelle geben. Und das modernste Analyseinstrument heißt in beiden Fällen „Umformsimulation“.

Die von ThyssenKrupp Nirosta verwendeten Simulationsprogramme ermöglichen es, das Umformverhalten von Materialien anhand von mathematischen Modellen am Computer darzustellen. Die Simulation gibt einen Eindruck vom Umformverhalten der Stähle, z.B. ob sich ein ferritischer Werkstoff mit den gleichen Umformparametern bearbeiten lässt, die bisher für die Fertigung austenitischer Werkstoffe verwendet werden. Die Vorteile der Simulation gegenüber dem Echtversuch liegen auf der Hand: Weder Rohstoffe noch Anlagen werden eingesetzt, es kommt zu einer erheblichen Zeit- und Kostenersparnis. Dr. Evelin Ratte aus der Werkstoffentwicklung bei ThyssenKrupp Nirosta (Krefeld) ist verantwortlich für die Umformsimulation. Sie ermittelt in enger Zusammenarbeit mit der Abteilung Umformsimulation bei ThyssenKrupp Steel die mathematischen Modelle, die als Basis für die Simulation dienen. Die Simulationen selbst laufen bei ThyssenKrupp Steel bei Dr. Lutz Kessler in Duisburg. Der Umformprozess wird dann plastisch auf dem Bildschirm dargestellt, kritische Punkte herausgefiltert und die generelle Machbarkeit geprüft. Der Simulationsprozess bringt schon vor dem Echtversuch Schwachstellen zu Tage, liefert Ergebnisse zur Faltenbildung, Ausdünnung des Materials oder auch Reißgefahr. Der direkte Vergleich verschiedener Werkstoffe verdeutlicht in Schaubildern auf einen Blick die Unterschiede.

Wie funktioniert das konkret? Zurück zu dem oben angeführten Beispiel: die Kundenreklamation bezüglich der Rissbildung beim Umformen der Innenwände einer Mikrowelle. Der technische Kundendienst schlug dem langjährigen Kunden Whirpool in diesem Fall eine Analyse durch Umformsimulation des Werkstoffes vor. Dr. Evelin Ratte führte sie anhand der genauen Kundendaten dann durch, mit dem Ergebnis, dass kein Werkstofffehler vorlag. Vielmehr ergab die Simulation, dass es bei der Umformung zu einem mechanischen Reibungsproblem und damit zu den beobachteten Rissen kam. Durch Änderung des Schmiersystems könnte Abhilfe geschaffen werden. Diese Ergebnisse präsentierte die Werkstoffforscherin dem Kunden, der darauf entsprechend reagieren und das Problem damit kurzfristig beseitigen konnte. „Diese Art von Problembeseitigung ist für uns mehr als hilfreich und bestätigt uns in unserer Entscheidung für ThyssenKrupp Nirosta als Werkstoff-Lieferant“, bestätigt Bo Hallgreen, Einkäufer beim führenden schwedischen Edelstahl-Service-Center Tibor AB. „Seit mehr als 30 Jahren vertrauen wir auf die Produktqualität und den Kundenservice der ThyssenKrupp Nirosta.“

Ein weiterer Fokus der Umformsimulation liegt in dem Bereich der „Machbarkeitsprüfung“ sowohl für die eigenen als auch für Kundenanlagen. Sind bestimmte Design-Änderungen möglich, ohne die Anlagen kostenintensiv umbauen zu müssen? Wie verhalten sich andere Werkstoffe auf den vorhandenen Anlagen? Die von Dr. Evelin Ratte durchgeführten Simulation liefern Antworten auf diese Fragen. Auch die Tatsache, dass angefragte Optionen sich durch die Simulation als nicht durchführbar erweisen, hilft dem Kunden dann weiter. So auch die Anfrage eines Bierfass-Herstellers, der auf einen kostengünstigeren, ferritischen Werkstoff umsteigen wollte. Die Simulationsberechnung ergab zwar eine generelle Machbarkeit, auch wenn im Vergleich zum Austenit durch dickere Platinen mehr ferritisches Material eingesetzt werden müsste. Es zeigten sich in den Computer-Schaubildern zwar einige kritische Stellen, jedoch kam es zu keiner Werteüberschreitung. Jedoch war zusätzlich die Aufrauung der Oberfläche zu hoch und die Schweißeigenschaften stellen sich als nicht anforderungsgerecht heraus. Auch ein italienischer Autohersteller wollte die Produktion eines Teils der Abgasanlage auf einen anderen Werkstoff umstellen. Die Umformsimulation des gewünschten Werkstoffes ergab allerdings, dass die nicht umsetzbar war. Damit konnte den Kunden in beiden Fällen von der Materialumstellung abgeraten werden. Um noch gezielter auf Kundenwünsche zu reagieren hat ThyssenKrupp Nirosta in Zusammenarbeit mit der TU Graz ein Spülenwerkzeug anfertigen lassen. Mithilfe dieses Werkzeugs können die Prozessbedingungen beim Kunden sehr gut nachgefahren werden und mit den Simulationen verglichen werden. Zusätzlich zum erwähnten Trouble-Shooting können auch neue Simulationstechniken für den Kunden getestet werden.

Die Einsatzbereiche der Umformsimulation sind vielfältig. Sie gewinnt im Bereich Forschung- und Entwicklung zunehmend an Bedeutung. Das theoretische Prüfen der Umformeigenschaften spart nicht nur Zeit und Kosten, sondern auch wertvolle Rohstoffe.