Schweißen gilt als beherrschter Prozess – doch im Inneren der Materialien entscheiden feinste Veränderungen über Präzision oder Ungenauigkeiten. Forschende der RWTH Aachen arbeiten im Sonderforschungsbereich 1120 Bauteilpräzision daran, diese komplexen Abläufe besser zu verstehen und der Realität mit Simulationen so nah wie möglich zu kommen.

Schweißen wirkt auf den ersten Blick wie ein simpler Prozess: Zwei Metallteile werden durch Hitze miteinander verbunden. Doch der Schein trügt. Sobald ein Bauteil schmilzt und wieder erstarrt, verändert es sich entscheidend. Bei dem Prozess entstehen innere Spannungen, die sich nach und nach auflösen – mit unerwünschten Folgen. Es kommt zu Verformungen des Bauteils und inneren Veränderungen, die für die weitere Verarbeitung von großer Bedeutung sind. Denn dann muss das Bauteil aufwändig nachbearbeitet werden. Im schlechtesten Fall entstehen sogar Risse oder andere Materialfehler, die es unbrauchbar machen.

Was sich Wissenschaft und Industrie deshalb wünschen sind präzise Bauteile, die intakt sind und kaum bis im besten Fall gar nicht nachbearbeitet werden müssen. Um das zu ermöglichen, arbeitet seit zwölf Jahren ein interdisziplinäres Team der RWTH Aachen aus zehn Instituten intensiv am Verständnis von schmelzebasierten Prozessen wie dem Schweißprozess. Sie wollen verstehen, was genau beim Schmelzen und Erkalten passiert. Aufgeteilt in mehr als 20 Teilprojekte gehen die Forschenden der Frage nach, wie sie Bauteile präziser herstellen können. Die Projekte werden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1120 Bauteilpräzision seit 2014 durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Im Juni 2026 kommt das Großprojekt zum Abschluss.

Während das Fräsen von Metall im Mikrometer-Maßstab genau erfolgen kann, sind Schmelzprozesse deutlich unvorhersehbarer. „Beim Schweißen spielen mehr als 100 Einflüsse eine Rolle. Angefangen beim Werkstoff, über die Umgebungstemperatur bis hin zum Menschen, der den Prozess durchführt“, sagt Professor Uwe Reisgen, Leiter des Instituts für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH und Sprecher des SFB.

„Eine realistische Simulation von Schweißprozessen, die eine hohe Genauigkeit aufweist, gibt es bis heute nicht“, sagt Reisgen. Und jede Annäherung daran ist mit erheblichem Aufwand verbunden: Um drei Sekunden Schweißen mit hoher Präzision abzubilden, benötigt man 120 Stunden Rechenzeit. In den vergangenen Jahren sind Reisgen und sein Team einer präziseren Simulation jedoch ein großes Stück nähergekommen. Die Forschenden haben eine Software entwickelt, in die sie Parameter eines Schweißprozesses eingeben können und kommen damit schon relativ nah an die Realität heran. In manchen Bereichen seien sie dadurch um den Faktor 100 besser geworden. „Früher hat man teils auf den Zentimeter genau gearbeitet, heute können wir schon auf ein Zehntel Millimeter genaue Ergebnisse erzielen“, sagt Professor Reisgen.

Angefangen haben die Forschenden in der ersten Förderperiode mit einfacheren Abbildungen von Schweißprozessen, mit denen sie die Prozesse beim Erhitzen und Erkalten von Werkstoffen nachvollziehen konnten. Die anschließende Begutachtung durch die DFG fiel äußerst positiv aus: „Alle waren so begeistert, dass wir uns diesem Thema annehmen“, erinnert sich Dr. Oleg Mokrov, der am Lehrstuhl von Professor Reisgen das Team „Simulation und Modellierung“ leitet. Für den Mathematiker, der sich seit über 25 Jahren mit der Simulation von Schmelzprozessen beschäftigt, war dies die Bestätigung, den bis eingeschlagenen Weg weiterzugehen. Die Förderung für die nächsten vier Jahre war gesichert.

In der zweiten Förderperiode stand das Team vor einer neuen Herausforderung: der Suche nach einer geeigneten Simulationssoftware. „Wir haben uns darauf eingestellt, weltweit nach passenden Forschenden zu suchen“, erklärt Reisgen. Doch die Lösung lag näher als gedacht – direkt an der RWTH. Mit dem Visual Computing Institute brachten Professor Jan Bender und sein Team die nötige Expertise mit, um den SFB weiter nach vorn zu bringen.

Die Informatikerinnen und Informatiker bringen fundiertes Wissen in der Simulation bewegter Flüssigkeiten mit ein – ein zentraler Aspekt beim Schweißen und anderen schmelzebasierten Prozessen. Sie nutzen dafür möglichst viele Berechnungspunkte, um ein Modell zu erstellen. „Im Idealfall rechnen wir mit unendlich vielen Punkten, um ein möglichst genaues Ergebnis zu bekommen“, sagt Bender. Da dies praktisch unmöglich ist, gilt es, einen optimalen Kompromiss zwischen Rechenaufwand und Präzision zu finden.

Die Zusammenarbeit zahlte sich aus und am Ende der zweiten Förderphase gelang der Durchbruch: Die Forschenden entwickelten ein neues Modell, das bisher getrennt betrachtete Einflussgrößen erstmals integriert. Das bisher verwendete Modell der Gaußschen Verteilung eignet sich für viele Forschungsbereiche, „nur für unser Verfahren war es nicht passend“, erklärt Mokrov. Mit dem neuen Ansatz lassen sich nun Strömungen im Schmelzbad, Temperatureinflüsse, Materialveränderungen und Verzugseffekte gemeinsam berechnen – ein Meilenstein für die Simulation.

Mit dem Abschluss des Sonderforschungsbereichs rückt nun die Anwendung in den Fokus: Bereits sechs Transferprojekte mit Industriepartnern zeigen, wie die Forschung in die Praxis überführt werden kann.

Sonderforschungsbereiche zählen zu den prestigeträchtigsten Förderinstrumenten der Deutschen Forschungsgemeinschaft. SFB ermöglichen langfristig angelegte, interdisziplinäre Forschungsverbünde mit einer Laufzeit von bis zu zwölf Jahren. Alle vier Jahre erfolgt eine umfassende Evaluation durch externe Gutachterinnen und Gutachter.

Auch Professorin Sandra Korte-Kerzel, Prorektorin für Forschung, betont die Bedeutung der SFB für die RWTH: „Wir können uns glücklich schätzen, dass die DFG diese ambitionierten, langfristigen Kooperationen fördert, denn sie ermöglichen es den Forschenden, spannende und relevante Fragestellungen mit außergewöhnlicher Tiefe zu verfolgen. Gleichzeitig leisten die SFB mehr als nur exzellente Wissenschaft: Sie fördern starke Forschungsteams, dauerhafte Kooperationsstrukturen und ein hervorragendes Umfeld, in dem sich Nachwuchswissenschaftlerinnen und ‑wissenschaftler entfalten können. Sie prägen unser Profil als Exzellenzuniversität und schaffen oft auch Impulse für größere und zunehmend interdisziplinäre Initiativen.“

Die Forschungsverbünde dienen der institutionellen Schwerpunkt- und Strukturbildung. Kooperationen mit außeruniversitären Forschungseinrichtungen sind laut DFG ausdrücklich erwünscht. Eine besondere Form stellen die sogenannten Transregios (SFB/TRR) dar: Hier wird ein Sonderforschungsbereich gemeinsam von mehreren Universitäten getragen und standortübergreifend organisiert.