数字化锻造实验室：通过自由锻仿真实现资源高效利用

2026-07-31 17:06:26

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弗莱堡弗劳恩霍夫材料力学研究所（Fraunhofer IWM）的研究人员开发了一种仿真模型，能够在锻造部件制造之前就发现其潜在薄弱点。此类薄弱点的成因往往是晶粒新生不完整，即所谓的再结晶。将该模型集成到贯穿始终的数字化流程中，便形成了一个虚拟锻造实验室，可在锻造生产中节省材料和能源。

锻造行业目前正面临巨大压力：能源价格持续上涨，气候政策要求日趋严格，转向可持续生产的“绿色”钢铁也要求生产工艺流程发生观念转变。这是因为“绿色钢铁”的新型制造工艺会导致化学成分波动加大、材料性能发生变化，从而使锻造行为更难预测。对于安全关键部件而言，这一问题尤为突出。此处，有缺陷的微观组织不仅会降低质量，在最坏的情况下还可能导致部件发生后果严重的失效。因此，该行业正处于日益增长的可持续发展要求与始终如一的高质量标准之间的张力场中。

迄今尚未被利用的潜力

从毛坯到成品部件，需要经过多个高能耗的生产步骤：加热、成形、中间退火、再次成形。每一步都需要精确协调大量参数（包括温度控制、变形程度、保温时间和所用压力机压力）。在实际生产中，目前主要依靠多年积累的经验值以及基于试错原理的繁琐且昂贵的试验系列。然而，在材料质量波动带来日益增长的不确定性时，这种方法便达到了极限。尽管人们长期以来一直尝试用仿真替代物理试验——但迄今往往收效甚微，原因在于缺乏适合特定材料的模型、缺乏可靠的数据，也缺少将仿真结果转化为具体操作指令的实用途径。

为何材料本身才是真正的挑战

问题的核心在于钢在热成形过程中的行为：其内部组织绝非静态的，而是处于持续演变之中。材料在变形作用下首先发生硬化；与此同时，通过再结晶不断生成新的无应力晶粒。随后，如果这种新晶粒组织继续长大，则可能再次粗化。这一过程可被极细小的析出颗粒所抑制。这些相互对抗的机制作用有多强，主要取决于温度、变形程度以及钢的具体化学成分。

透彻理解并控制物理、化学和机械效应的这种相互作用，正是锻造技术的精髓所在——将锻造压力机的设置与微观材料结构的演变进行精准关联的能力同样如此。

为传统行业打造数字实验室

弗劳恩霍夫IWM的新方法正是从这里切入：一个面向实践的数字化流程使材料内部复杂的演变过程可以通过计算加以把握。核心是一个基于物理原理、专门针对再结晶而开发的材料模型。这个所谓的均场模型（Mean-Field模型）将两大优势合二为一。由于它建立在热力学基本原理之上，即使在真实锻造过程的多变条件下也能提供可靠的结果。同时，其计算效率经过优化设计，即使是重达数吨的部件也能在可接受的时间内于计算机上完成模拟。由于该模型基于真实的物理关联而非纯经验值，即使面对新合金或改变的工艺参数，其预测依然保持可靠。

出发点首先是一张所谓的材料图（材料卡）：实验室试验提供关键的材料特性参数，例如在定义条件下的流变行为和晶粒尺寸演变。在此基础上，有限元仿真计算部件上每一个点在时间历程中所承受的温度和力。这些结果又输入均场模型，由其推导出材料组织的发展。最终得到部件的三维显示图，可以清晰看出内部哪些位置会出现什么样的晶粒尺寸。基于此，可以在虚拟环境中对不同工艺方案进行比较和评估——包括具体的缺陷避免建议。

实践测试验证模型的性能

该方法已在欧盟项目“AID4GREENEST”中证明了其实用性。该项目旨在简化可持续生产钢的加工——此类钢材的化学成分天然地波动更大。在该项目框架内，一根重达22吨、由高强度钢制成的涡轮轴的全部锻造过程被完整地在计算机上进行了仿真——这是一个持续数小时、包含多个成形和再加热步骤的过程。

“我们的仿真提前正确识别了关键区域，”弗劳恩哈弗IWM大体积成形团队负责人马克西姆·扎帕拉博士（Dr. Maxim Zapara）解释道。“对于轴的端部，预测会出现不希望的粗晶组织，因为该区域在最后一个决定性锻造步骤中材料没有被充分‘揉压’。”

值得注意的是：该模型不仅止步于预测薄弱点，还同时提供了其成因。在轴心部分，最后一个锻造步骤中足够的变形确保了组织的完全、细晶粒新生。而在端部，这一决定性的“重置”未能发生。这一通过计算机得到的预测随后通过对实际锻造部件的材料检测得到了证实。

扎帕拉补充道：“这一应用案例表明，该模型不仅能反映材料行为，还能在实际生产中出现缺陷之前揭示工艺错误。我们现在可以虚拟测试不同的处理方式：在仿真中仅对最终锻造步骤进行简单调整，便直接得到完全细晶粒、无缺陷的部件。这在实践中能节省大量材料和能源。”

由此带来的未来可能性

借助数字化锻造实验室，重点正在发生转移：从事后质量控制转向对整个流程的前瞻性规划。缺陷不再需要等到成品部件上才被发现，而是可以在计算机上提前识别并有针对性地加以避免。对于新材料，不再需要长达数月的物理试验系列，几小时内即可在虚拟环境中测试数百种场景。

对机器设置与材料性能之间关联的深入理解还开辟了额外的优化空间：加热循环可以缩短，压力机压力可以降低。更精确、更接近最终轮廓的成形工艺又能同时降低能耗、减少机器负荷以及后续精加工的工作量。

从长远来看，甚至可以为每一个锻造部件设想一个“数字护照”——对其内部结构进行无缝记录，使其质量和安全性从制造到使用的整个生命周期内都清晰可追溯。

这些研究成果出自欧盟“地平线欧洲”项目AID4GREENEST（拨款协议编号：101091912）。

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