Verbesserung der Dicken- und Breitentoleranz metallischer Bänder durch piezoelektrisch unterstützte Walzspaltregelung eines Tandemwalzwerks

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Abel; Professor Dr.-Ing. Gerhard Hirt
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 267239860

Dünne und schmale, metallische Bänder zählen zu einer Produktgruppe, die in vielen technologischen Bereichen weiterverarbeitet wird. Die stetige Verkleinerung von Bauteilen technischer Geräte verlangt immer bessere Dickentoleranzen dieser kaltgewalzten Bänder. Im ersten Förderzeitraum konnte die Banddicke der höchsten Präzisionsklasse (DIN10140) von ±15 µm um über die Hälfte reduziert werden. Hierzu wurden zusätzliche, hochdynamische und präzise piezoelektrische Stapelaktoren (PSA) für die Walzenanstellung in ein Walzgerüst integriert. Gleichzeitig wurde eine Zwei-Freiheitsgrade-Regelung entwickelt, der ein präzises Walzmodell auf Basis der Streifentheorie zugrunde liegt. Eine modellbasierte prädiktive Regelung (MPR), welche das einlaufende Banddickenprofil erfasst und somit eine optimale Stelltrajektorie für die PSA generiert, zeigte in der Simulation zusätzliches Verbesserungspotential und wird bis zum Ende der aktuellen Förderperiode experimentell validiert. Die Breitentoleranz entsprechender Bänder liegt deutlich höher. Dies beruht darauf, dass dünne und schmale Bänder ohne Naturkanten durch das Schneiden von zuvor breiterem Walzgut hergestellt werden (Spaltband). Da in vielen Anwendungen auch die Breitentoleranz entscheidend ist, ist das Ziel des vorliegenden Fortsetzungsantrags in einem Walzprozess neben der vorhandenen Dickenregelung gleichzeitig auch die Breitentoleranz eines Spaltbandes zu reduzieren. Dabei sollen die zurzeit üblichen Breitentoleranzen (DIN10140 bzw. DIN13599) von ±65 µm (Stahl) bzw. ±100 µm (Kupfer) auf ±10 µm verbessert werden. Beim Walzen fließt Material in Längs- sowie in Breitenrichtung. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass das aus den unterschiedlichen Anstellkombinationen von zwei aufeinanderfolgenden Walzgerüsten resultierende Breitungsspektrum ausreicht, um der Zielbreite des Walzguts genau zu kontrollieren. Somit müsste es möglich sein, durch gezielte Aufteilung der Gesamtdickenabnahme auf zwei Stiche sowohl die Solldicke als auch die Sollbreite einzustellen. Im ersten Schritt wird den Dickenregelungssystemen beider Walzgerüste die Anstellkombination durch modellbasierte Kennfelder zur Verfügung gestellt. Da es für einen Zielquerschnitt mehrere Kombinationsmöglichkeiten geben kann, wird das Stichabnahmemodell anschließend direkt in das Kostenfunktional der MPR integriert, sodass die beiden Stichabnahmen hinsichtlich minimaler Aktorbewegungen optimiert werden können. Dazu muss das zugrundeliegende Walzmodell den Materialfluss in Breitenrichtung möglichst schnell und präzise abbilden können. Das kann gelingen, indem die infinitesimal dünnen Streifenelemente der Streifentheorie durch trapezförmige Prismen ersetzt werden, deren Abmessungen nicht nur in Walzrichtung, sondern auch in Breitenrichtung infinitesimal sind. Das Kräftegleichgewicht an diesem Körper führt zu einem partiellen Differenzialgleichungssystem das numerisch gelöst werden kann und unter Berücksichtigung eines Fließgesetzes die Breitung vorhersagt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen