Mehrgrößenregelung mit Störgrößenaufschaltung von umformend erzeugten Produkteigenschaften – Grundlagen und Anwendung auf das Stanzlochwalzen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Groche; Professor Dr.-Ing. Volker Schulze
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 424334856

Im Rahmen dieses Projektes werden die bisherigen Grundlagen zur Regelung von umformend erzeugten Produkteigenschaften beim Stanzlochwalzen und der Konzepte zur Softsensorerfassung mittels magnetischem Barkhausenrauschen (MBN) genutzt, um im Prozess die Eigenschaftsregelung der Randschicht (v. a. Härte) und die Produktgeometrie in Echtzeit zu regeln. Hierbei sollen Erkenntnisse der werkstoffkundlichen Untersuchungen am TRIP Stahl 1.4301 aus der zweiten Förderperiode verwendet werden, um die Oberflächenhärte und die Kragenhöhe durch die Variation der Drehzahl und des radialen Vorschubs während des Prozesses einstellen zu können. Die Umsetzung des Reglers auf dem bereits entwickelten Werkzeug für Servomotorpressen erfolgt über eine Kaskadenregelung, die mittels eines modellprädiktiven Ansatzes basierend auf den Daten einer werkzeugintegrierte Messung mit dem MBN-Softsensor die Reglerparameter initiiert und überwacht und über die bisher gefundenen ordnungsreduzierten Modelle die Führungsgrößen anpasst. Der Martensitgehalt in der Randschicht und die optisch gemessene Kragengeometrie dienen anschließend der Prozessregelung als Ist-Werte, welche die maschinenseitigen Freiheitsgrade nutzen, um auf die Führungsgrößen zu reagieren. Um den Softsensor möglichst robust und präzise einzusetzen, müssen auch weitere Randschichtzustandsgrößen wie etwa Eigenspannungen und Korngrößen miterfasst werden, um eine umfangreiche und möglichst exakte Kenntnis ihrer Randschichtbeiträge zu implementieren. Zur Ableitung weiterer Werkstoffmodelle als Regler für diese Größen müssen demnach die in einer Parameterstudie eingestellten Randschichtzustände lokal aufgelöst untersucht und mittels metallografischer, röntgenografischer und elektronenmikroskopischer Analysen ergänzt werden. Auf Basis der in der zweiten Förderperiode um Werkstoffmodelle ergänzten und validierten FE-Simulation soll neben der Analyse von Bereichen unmittelbar an der Oberfläche auch eine Vorhersage der Tiefeninformationen des Gefügezustands ermöglicht werden. Dadurch kann dann gleichzeitig eine simulationsbasierte Regelung über die gesamten Produkteigenschaften unterstützt werden. Anschließend wird der Störgrößeneinfluss der Halbzeugschwankungen auf die Produkteigenschaften quantifiziert. Hierzu sollen klassische Störgrößen im Halbzeug wie der Gefügezustand, die Blechdicke und der Startlochdurchmesser in ihrer Wirkung auf das Softsensorsignal abgebildet werden um ein Regeln auch bei initialen oder unstetigen Schwankungen der Reglergröße zu ermöglichen. Die Reglergüte wird abschließend anhand des Optimierungsvermögens hinsichtlich der Verschleißeigenschaften in Abhängigkeit des Randschichtzustands bewertet. Final sollen dann generalisierte Gestaltungsprinzipien für eigenschaftsgeregelte Umformverfahren abgeleitet werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2183: Eigenschaftsgeregelte Umformprozesse
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Stefan Dietrich