Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat im März 2019 die Einrichtung des Schwerpunktprogramms „Effizientes Kühlen, Schmieren und Transportieren – Gekoppelte mechanische und fluid-dynamische Simulationsmethoden zur Realisierung effizienter Produktionsprozesse (FLUSIMPRO)“ (SPP 2231) beschlossen. Als Laufzeit sind sechs Jahre vorgesehen. Die DFG lädt hiermit ein zur Antragstellung für die dritte der drei zweijährigen Förderperioden.

Im Fokus steht die ergebnisorientierte Prozess- und Werkzeugoptimierung auf Grundlage der erarbeiteten Ergebnisse aus den ersten zwei Förderphasen durch die Implementierung innovativer, rechenzeitreduzierter KSS-Strömungssimulationen. 

Problemstellung

In nahezu allen Produktionsprozessen kommen Fluide als Kühlschmierstoff (KSS) zum Einsatz. Sie zählen neben der verwendeten Maschinentechnik, den Prozessstellgrößen, den Werkzeugen sowie den zu bearbeitenden Werkstoffen zu den elementaren Prozesseinflussgrößen. Ein detailliertes Verständnis über die Wirkmechanismen von KSS, insbesondere bei der Bearbeitung anspruchsvoller Materialien, ist daher für einen zielgerichteten und effizienten KSS-Einsatz von essenzieller Bedeutung. Mit experimentellen Methoden können jedoch die relevanten Längen- und Zeitskalen nur unzureichend analysiert werden, sodass die Entwicklung neuer Methoden zur Prozesssimulation erforderlich ist, um die komplexen Vorgänge beim Einsatz von Fluiden in Produktionsprozessen detailliert abbilden und deren Potenzial in der industriellen Anwendung ausschöpfen zu können. Nur mit diesem Verständnis lässt sich der überaus energie- und ressourcenintensive Einsatz von KSS zielgerichtet steuern und effizient gestalten.

Übergeordnete Zielsetzung

Aus der geschilderten Problemstellung leitet sich als übergeordnete Zielsetzung des Programms ab, die erforderlichen Grundlagen durch interdisziplinäre Kooperation wissenschaftlich zu erarbeiten und gekoppelte mechanische und fluiddynamische Simulationsmethoden zu realisieren. Im Fokus stehen ausschließlich Produktionsprozesse, bei denen der KSS kühlende, schmierende und transportierende Funktionen, zum Beispiel von Spänen, Ladungsträgern, Abrasivmitteln oder Reaktionsprodukten übernimmt.

Erste Phase (Grundlagen)

In der ersten Phase wurden grundlegende experimentelle und simulative Untersuchungen von Makro- und Mikrowirkmechanismen von KSS in Produktionsprozessen betrachtet, bei denen der KSS kühlende, schmierende und transportierende Funktionen übernimmt. So wurde geklärt, welche Randbedingungen zu betrachten sind und welche gegebenenfalls erforderlichen Vereinfachungen zu realitätsnahen mathematischen und strömungsmechanischen Ansätzen sowie 3-D-Modellierungsmethoden führen.

Zweite Phase (Anwendung)

In der zweiten Phase wurden die Ergebnisse und Modelle der ersten Phase auf simulationstechnische Anwendungen übertragen. Im Fokus standen die Einflussanalyse, die Parameteridentifikation und die Validierung von Modellierungsansätzen. Des Weiteren wurde die Kopplung von Struktur- und Strömungsmechanik (FEM, CFD, SPH) sowie die Modellierung von Fluid-Struktur-Interaktionen durchgeführt.

Dritte Phase (Optimierung)

In der dritten Phase sollen die entwickelten Simulationsmethoden zur Werkzeug- und Prozessoptimierung eingesetzt werden, um basierend auf einem größeren Verständnis der Zusammenhänge und der komplexen Wechselwirkungen beim KSS-Einsatz zu effizienteren Produktionsprozessen zu gelangen. Zudem sollen rechenzeitreduzierte KSS-Strömungssimulationen zu einer ergebnisorientierten Fertigungsoptimierung führen und die Implementierung und Validierung entsprechender Methoden der Fluid-Struktur-Kopplung es erlauben, das volle Potenzial eines effizienten KSS-Einsatzes auszuschöpfen.

Aspekte der folgenden Fragestellungen sollen in den einzureichenden Anträgen fokussiert werden:

• Werkzeug- und Prozessoptimierung hinsichtlich 
  • einer rechenzeitreduzierten KSS-Strömungssimulation zur ergebnisorientierten Fertigungsoptimierung;
  • der Minimierung des KSS-Einsatzes sowie Reduktion der hohen aufzuwendenden Energieanteile für die Aufrechterhaltung der entsprechenden KSS-Kreisläufe;
  • der Reduzierung des Werkzeugverschleißes durch ausreichende Benetzung und damit ausreichende Kühlung der relevanten Bereiche der Werkzeuge.
• Implementierung und Validierung innovativer FEM-CFD-Strategien für die 3-D-Simulation
• Modellierung und Simulation von Fluid-Partikel-Interaktionen, insbesondere beim Abtransport von abgetragenen Partikeln und Spänen durch enge Spalte im Zusammenspiel mit Materialmodellen für die Produktionsprozesse selbst.
• Beschreibung von dynamisch veränderlichen 3-D-Rechengebieten, die zum Beispiel aus engen Zylinderspalten und dem Komplement der Werkzeuggeometrien bestehen, wobei hohe Relativgeschwindigkeiten und gleichzeitig langsamere Veränderungen der Werkzeugposition und der Werkstückgeometrie zu beachten sind.
• Optimierter Einsatz von KSS bei Produktionsprozessen von anspruchsvollen bzw. neuartigen Werkstoffen
• Durch den Produktionsprozess erforderliche adaptive Vernetzung und neue Vernetzungsmethoden unter Einbeziehung der komplexen dynamischen Randbedingungen
• Simulation und Modellierung von mehrskaligen Problemstellungen zur Abbildung der im Produktionsprozess auftretenden Phänomene
• Hochgenaue und robuste Simulationstechniken für Teilbenetzung beziehungsweise Teilfüllung durch (eventuell nicht newtonsche) KSS und der zugehörigen mehrskaligen Modellierung des Wärmetransports
• Entwicklung von gitterfreien Methoden für die Anwendungen in Fluidsimulationen in Produktionsprozessen
• Modellierung des Wärmeübergangs von den Wirkpartnern Werkstück und Werkzeug in den Kühlschmierstoff und des Wärmetransports durch Kühlschmierstoff
• Entwicklung massiv paralleler Methoden inklusive adaptiver Lastverteilung für die Mehrphasenströmung bei Produktionsprozessen
• Kombination von physikbasierten und datenbasierten Modellentwicklungen bei Produktionsprozessen
• Optimierung der Modellansätze unter Berücksichtigung von Uncertainty-Quantification-Verfahren für Produktionsprozesse

Darüber hinaus sind unter anderem folgende prozesstechnische Aspekte mithilfe der Strömungssimulation zu analysieren:

• Welche Teile des Werkzeugs und des Werkstücks werden beim Prozess von welcher Menge des KSS in welcher Form benetzt?
• Welche mechanischen, thermischen und tribologischen Auswirkungen erzeugt das Auftreffen von KSS?
• Verbesserung der tribologischen Vorgänge an Werkzeugflächen, wiederum durch ausreichende Benetzung mit KSS.
• Sicherer Spanabtransport
• Ausreichende Kühlung der Bauteile, Reduktion thermischer Verzüge bis hin zur Vermeidung von unerwünschten Gefügeveränderungen und Phasenumwandlungen
• Wie werden abgetrennte Späne beziehungsweise Abtragsprodukte durch den KSS, speziell bei Bohr-, aber auch bei weiteren Fertigungsprozessen, transportiert? Ist diese Transportwirkung ausreichend, um etwa eine hohe Prozesssicherheit zu gewährleisten?

Es sollen ausschließlich Produktionsprozesse betrachtet werden, bei denen der KSS kühlende, schmierende und transportierende Funktionen übernimmt. Darüber hinaus ist es im Rahmen des Schwerpunktprogramms nicht vorgesehen, KSS-Medien neu beziehungsweise existierende KSS-Medien weiterzuentwickeln. Hier ist auf das heute verfügbare breite Spektrum an KSS-Medien für den jeweiligen Produktionsprozess zurückzugreifen.

Aufgrund der hohen Komplexität, des grundlegenden Forschungsbedarfs und der in diesem Zusammenhang stehenden wissenschaftlichen Fragestellungen ist zu erwarten, dass vor allem interdisziplinäre Koppelprojekte die Fragestellungen erfolgreich bearbeiten können. Daher ist eine kooperierende Vorgehensweise mit interdisziplinären Projekttandems zwischen der Produktionstechnik und den Disziplinen – Mathematik, Strömungsmechanik, Strukturmechanik, Thermodynamik – besonders zielführend.

Arbeitskreise

Im laufenden Schwerpunktprogramm wurden drei Arbeitskreise etabliert, die interdisziplinäre und ortsübergreifende Zusammenarbeit forcieren und relevante Querschnittsthemengebiete diskutieren, sodass die erarbeiteten Lösungen dem gesamten Schwerpunktprogramm zur Verfügung stehen. Im Bereich der messtechnischen Methoden und Messverfahren zur Erfassung von Strömungsphänomenen liegt der Fokus auf dem Austausch über Versuchsbedingungen, der Diskussion über die Mess- und Auswertemethoden sowie der physikalischen Interpretation der Messergebnisse. Der zweite Arbeitskreis befasst sich mit der Entwicklung sowie der Bearbeitung eines gemeinsamen Modellproblems (Communication Case) mit verschiedenen Modellierungs- und Simulationsansätzen des Schwerpunktprogramms. Im dritten Arbeitskreis wird die Optimierung der Kühlung und Schmierung technischer Produktionssysteme durchgeführt, bei der die Harmonisierung im Hinblick auf den projektübergreifenden Wissensaustausch in einer entwickelten Projektmatrix begleitet wird.

Reichen Sie Ihren Antrag für die dritte Förderphase bitte bis spätestens 22. März 2024 bei der DFG ein. Die Antragstellung erfolgt ausschließlich über das elan-Portal zur Erfassung der antragsbezogenen Daten und zur sicheren Übermittlung von Dokumenten. Sofern Sie beabsichtigen, einen Neuantrag einzureichen, wählen Sie bitte unter „Antragstellung – Neues Projekt – Schwerpunktprogramm“ im elektronischen Formular aus der angebotenen Liste „SPP 2231 – Effizientes Kühlen, Schmieren und Transportieren – Gekoppelte mechanische und fluid-dynamische Simulationsmethoden zur Realisierung effizienter Produktionsprozesse (FLUSIMPRO)“ aus.

Antragstellerinnen und Antragsteller, die bereits gefördert werden und einen Fortsetzungsantrag stellen wollen, müssen den Antrag über die Registerkarte „Antragstellung – Antragsübersicht/Fortsetzungsantrag“ einreichen. Hier wird Ihr in der Förderung befindliches Projekt angezeigt, und Sie können Ihren Fortsetzungsantrag stellen.

Handelt es sich bei dem Antrag um Ihren ersten Antrag bei der DFG, beachten Sie, dass Sie sich vor der Antragstellung im elan-Portal registrieren müssen. Ohne Registrierung bis zum 15. März 2024 ist eine Antragstellung nicht möglich. Bitte wählen Sie im Registrierungsformular bei den abschließenden Angaben ebenso wie bei der Antragstellung Ihr Schwerpunktprogramm aus der angebotenen Liste der Ausschreibungen aus. Die Bestätigung der Registrierung erfolgt in der Regel bis zum darauffolgenden Arbeitstag. 

Berücksichtigen Sie bitte beim Aufbau Ihres Antrags das DFG-Merkblatt 54.01 zu Sachbeihilfen mit Leitfaden für die Antragstellung und die Hinweise im Merkblatt Schwerpunktprogramm 50.05, Teil B.

Das Begutachtungskolloquium des Schwerpunktprogramms wird voraussichtlich am 3. Juli 2024 in Dortmund stattfinden.

Die DFG begrüßt ausdrücklich Antragstellungen von Forschenden aller Geschlechter und sexueller Identitäten, aus verschiedenen ethnischen, kulturellen, religiösen, weltanschaulichen oder sozialen Hintergründen, verschiedener Karrierestufen, Hochschultypen und Forschungseinrichtungen sowie mit Behinderung oder chronischer Erkrankung. Im Hinblick auf den fachlichen Schwerpunkt dieser Ausschreibung fordert die DFG insbesondere Wissenschaftlerinnen explizit auf, Anträge zu stellen.

Weiterführende Informationen 

Detaillierte Informationen zum Schwerpunktprogramm finden Sie unter:

• https://flusimpro.isf.maschinenbau.tu-dortmund.de

Das elan-Portal der DFG zur Einreichung der Anträge finden Sie unter:

• https://elan.dfg.de

Die Merkblätter DFG-Vordruck 50.05 und 54.01 stehen unter:

• www.dfg.de/formulare/50_05
• www.dfg.de/formulare/54_01

Inhaltliche Fragen beantwortet Ihnen der Koordinator des Schwerpunktprogramms:

• Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann
  Technische Universität Dortmund
  Fakultät Maschinenbau
  Institut für Spanende Fertigung
  Baroper Straße 303
  44227 Dortmund
  Tel. +49 231 755-2782
  dirk.biermann@tu-dortmund.de

Auskünfte zur Antragstellung bei der DFG erteilen:

Fachlich:

• Dr.-Ing. Sebastian Heidrich
  Tel. +49 228 885-2277
  sebastian.heidrich@dfg.de

Formal: 

• Gudrun Freitag
  Tel. +49 228 885-2623
  gudrun.freitag@dfg.de