Op het tweejaarlijkse event van het onderzoeksprogramma Digitally Enhanced New Steel Product Development (DENS) is het meest recente 3D-model voor de ontwikkeling van nieuwe staalsoorten gepresenteerd. Onderzoekers van de TU Delft, de TU Eindhoven, de Universiteit Twente en het Max Planck Institut für Eisenforschung uit Düsseldorf hebben hier de afgelopen drie jaar aan gewerkt. In dit model kunnen nu alle fasen gesimuleerd worden die bij het produceren van staal komen kijken. Uiteindelijk doel is het ontwikkelen van het ideale staal: sterk en makkelijk te vervormen.
De weg naar sterker staal
Op het DENS-event waren alle betrokken partijen aanwezig en is de laatste versie van het 3D-model door programmaleider Kees Bos (Tata Steel en TU Delft) gepresenteerd. Met dit model is het nu gelukt om alle stappen in het productieproces van staal - van het warm en koud walsen tot het gloeien van staal - goed te beschrijven en de bijhorende mechanische eigenschappen uit te rekenen. Zo worden bijvoorbeeld de eigenschappen van het staal beïnvloed door het snel of langzaam afkoelen ervan. ‘Door met de procescondities en de samenstelling te spelen, kun je de eigenschappen van het staal verbeteren en het bijvoorbeeld sterker maken,’ aldus Kees Bos.
Het ultieme doel van de onderzoeksgroep is om met betere simulatiemodellen op een snelle en goedkope manier betere staalkwaliteiten te ontwikkelen. Bos zegt hierover: ‘We verbeteren onze simulatiemodellen door ze te ijken in de gecontroleerde omgeving van het lab en op de fabrieksvloer waar de omstandigheden, zoals bijvoorbeeld de temperatuur, weer heel anders zijn. We gaan met DENS het laatste jaar in. Ons streven is een laatste slag te maken op de kwaliteit van het 3D-model.’
Een typische dual-phase microstructuur. De ferrietfase van het staal is blauw, de martensietfase is oranje. De donkere cellen geven de grenzen tussen de verschillend georiënteerde kristallen aan. De walsrichting is aangeven als RD.
De microstructuur na de continu gloei stap. De kristallen zijn gekleurd op basis van de kristaloriëntatie, een recente toevoeging aan het model die het mogelijk maakt om de ontwikkeling van de microstructuur beter te beschrijven en om de bijbehorende eigenschappen nauwkeuriger uit te rekenen.
Een microstructuur tijdens het warmwalsen als het staal zich in de austenitische fase bevindt. Ook hier zijn de kristallen gekleurd op basis van de kristaloriëntatie (die duidelijk een andere verdeling heeft dan na het continue gloeien)
Lichte, veilige auto’s
Tata Steel, de industriële co-financier van het onderzoeksprogramma, zal deze modellen straks daadwerkelijk gaan gebruiken om dit betere staal te ontwikkelen en te produceren. Voor Tata Steel is dit 3D-model aantrekkelijk omdat niet alleen de kwaliteit van het staal beter wordt, maar ook de ontwikkeling van stabiele productie- en controleprocessen aanzienlijk wordt verkort en daarmee de weg naar de markt.
Groot afnemer van dit nieuwe staal is de auto-industrie. Die vraagt om staalsoorten die sterk en tegelijk goed vervormbaar zijn om steeds lichtere auto’s te kunnen maken. ’Het idee is dat als het staal sterker is, je een onderdeel dunner kunt maken en daarmee de auto lichter, zonder dat het de auto minder veilig maakt. Bijkomend voordeel is dat lichtere auto’s ook goed voor het energieverbruik zijn,’ licht Bos toe.
Meerwaarde door samenwerken
Naast winst op wetenschappelijk en industrieel gebied, levert DENS ook qua samenwerking meerwaarde op. Iedere universiteit brengt zijn eigen expertise in. De TU Delft werkt vooral aan de modellen die de interne structuurverandering van het staal tijdens het productieproces beschrijven en de Universiteit Twente, de TU Eindhoven en het Max Planck Institute für Eisenforschung zijn goed in het modelleren van de mechanische eigenschappen op basis van die interne structuur.
Het eigendom van het model ligt bij materiaalinstituut M2i. Het grote voordeel daarvan is dat ook andere industriële partners zoals Philips, Bosch, Bouwen met Staal, DAF, SKF en Allseas er mee aan de slag kunnen. Ondanks dat zij op andere industriële toepassingen zitten, zijn delen van het model ook voor hen bruikbaar.
Alle onderzoekers werken met software die ook bij Tata Steel gebruikt wordt. ‘Dat is tijdswinst,’ aldus Bos. ‘Je voorkomt daarmee dat iedereen met zijn eigen model aan de slag gaat en er verschillende modellen in omloop komen die niet op elkaar aansluiten’.
Visuele samenvatting van het DENS-concept. TUD werkt aan WP2 en WP3 en UT, TU/e en het Max Planck Institut für Eisenforschung aan WP1