数字锻造实验室

弗莱堡弗劳恩霍夫材料力学研究所（IWM）开发出一种新型模拟模型，可预测因不完全晶粒再结晶导致的锻件薄弱点。该模型嵌入高效的数字化流程，构建出虚拟锻造实验室，从而在锻造过程中实现材料和能源的节约。
不断上涨的能源成本和更严格的气候保护法规给锻造行业带来了压力。同时，向可持续生产的“绿色”钢材转型也要求制造业重新思考。因为新的生产工艺带来了化学成分的波动和材料特性的变化，使得锻造过程中的行为更难预测。此外，安全关键部件中微观结构的缺陷不仅是质量问题，还可能导致灾难性失效。这种在可持续性与最高质量要求之间的冲突，给锻造行业带来了巨大压力。
尚未挖掘的优化潜力
从毛坯到成品零件的过程中，金属要经历多个高能耗步骤：加热、成形、中间退火和再次成形。每一步都取决于众多可调参数，如温度、变形程度、保温时间和压力机力，这些参数必须精确协调。许多锻造厂的现状依赖于数十年的经验和昂贵的试错循环。然而，当需要控制因材料质量波动带来的不确定性时，这一概念便达到了极限。试图用计算机模拟取代实际测试，往往因缺乏精确针对材料的模型、数据不足以及难以将模拟结果可靠转化为行动建议而失败。
材料技术挑战
真正的挑战在于材料本身：在热成形过程中，钢材的内部微观结构并非固定不变，而是一个不断变化的动态系统。一方面，材料因变形而硬化；另一方面，通过所谓的再结晶，微观结构中会持续形成新的、无应力的晶粒。随后的晶粒生长可能使微观结构粗化，而微小颗粒（析出物）则会阻碍材料中的这种运动。所有这些机制都受到温度、变形程度和钢材化学成分的显著影响。
锻造技术的高超之处在于掌控这种物理、化学和力学之间的复杂相互作用。如何将巨型锻造压机的机器设置与微观材料微观结构的发展联系起来？

传统环境中的数字锻造实验室
弗劳恩霍夫IWM正是从这里入手，开发了一种实用的数字化流程，使材料中的这些复杂过程变得可计算。核心是一个物理材料模型，特别关注晶粒再结晶。所谓的平均场模型结合了两方面的优势：它基于热力学原理，因此非常可靠——即使在工业锻造过程中复杂多变的条件之下。同时，它的计算效率很高，即使是重达数吨的部件也能在可接受的时间内通过计算机模拟。由于该模型基于真实的物理量，即使涉及新合金或变化的工艺条件，它也能提供可靠的预测。
数字锻造实验室性能验证
该模型在实际中的表现如何，已在欧盟项目AID4GREENEST中得到验证。为此，研究人员在计算机上模拟了一根22吨重的高强度钢涡轮轴的完整锻造过程——这是一个持续数小时、多阶段的过程，包括多次成形和再加热。
“我们的模拟提前正确识别了关键区域，”弗劳恩霍夫IWM大体积成形团队负责人马克西姆·扎帕拉博士解释道。对于轴的两端，模型预测了不希望的粗晶微观结构，因为在这些区域，材料在最后的关键锻造步骤中没有得到充分揉捏。该模型不仅预测了薄弱点，还直接指出了原因：在最终锻造步骤中，轴心部分得到了充分变形，微观结构完全重新形成并变得细小，而两端则缺少了这种重要的“重置”。这一虚拟预测后来通过对实际锻造部件的材料分析得到了证实。
扎帕拉进一步指出：“这个应用案例表明，该模型不仅能反映材料行为，还能在实际生产中产生工艺缺陷之前就发现它们。我们现在可以虚拟测试不同的方法：在模拟中简单调整最终锻造步骤，就直接得到了一个完全细晶、无缺陷的部件。这在实践中节省了大量的材料和能源。”
创新新空间
数字锻造实验室为创新开辟了新空间：重点从事后质量控制转向前瞻性工艺规划。不再需要为新材料进行长达数月的试验系列，现在可以在几小时内虚拟模拟数百种场景。未来，每个锻件甚至可能获得一个“数字护照”——一份关于其内部结构的完整文档，证明其从制造到最终使用的质量和安全性。
来源：弗劳恩霍夫IWM

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