Digitale Umformtechnik

  Digitale Prozessplanung der Inkrementellen Blechumformung Ahrens+Steinbach Projekte

Digitale Datenverarbeitung ist in der industriellen Fertigung weit verbreitet. So findet auch die Planung und Auslegung sowie Steuerung und Regelung von Umformprozessen zunehmend digital statt.

Die in diesem Querschnittsbereich verankerten Forschungsthemen sind unterschiedlichen Arbeitsgruppen zugeordnet und werden im Folgenden dargestellt.

 
 

Richtwalzen

Richtwalzanlage am Institut für Bildsame Formgebung

Ziel der Forschung im Bereich Richtwalzen ist die Entwicklung einer Prozesssteuerung zur automatischen Anstellung der Anlage entsprechend den Eigenschaften des Richtgutes. Mit Hilfe der Prozesssteuerung sollen Schwankungen im Richtgut, wie etwa den Materialeigenschaften, identifiziert und kompensiert werden. Zur Umsetzung der Prozesssteuerung wird die Kraft im ersten Biegedreieck der Richtanlage gemessen. Diese Messgröße wird mit den Richtguteigenschaften sowie der optimalen Anstellung korreliert. Um diese Daten zu generieren, werden Parameterfelder in einem FE Modell des Prozesses berechnet. Auf Basis dieser Ergebnisse ist das Steuerungskonzept auf eine Richtwalzanlage übertragen worden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Steuerung Änderungen in den Richtguteigenschaften erkennt und erfolgreich kompensiert. Neben der Zielgröße der Bandplanheit wird weiterhin die Einstellung definierter Eigenspannungen durch das Richtwalzen untersucht.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Markus Grüber.

 


Bild: Richtwalzanlage am Institut für Bildsame Formgebung, Bildrechte: IBF
 
Steuerung für den Richtwalzprozess
Steuerung für den Richtwalzprozess
 
 

Hochpräzisionswalzen

Spaltband läuft in ein Quarto-Walzgerüst

In Zusammenarbeit mit dem Institut für Regelungstechnik der RWTH Aachen University werden in einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt Ansätze untersucht, um die Banddickentoleranzen kaltgewalzter, metallischer Bänder weiter zu verbessern. Im Besonderen bei immer schnelleren Walzwerken reicht die Dynamik elektromechanischer oder hydraulischer Walzenanstellaktorik nicht mehr aus, um auf hochfrequente Unregelmäßigkeiten im Band reagieren zu können. Im Vergleich zu elektromechanischen oder hydraulischen Aktuatoren weisen piezoelektrische Aktuatoren eine deutlich bessere Dynamik auf. Um die Eignung dieser Aktuatoren für eine hochdynamische Walzspaltanpassung zu untersuchen, sind piezoelektrische Stapelaktuatoren in ein Versuchswalzwerk des IBF integriert worden. Diese piezoelektrischen Aktuatoren werden, unter Zuhilfenahme schneller Walzmodelle, in ein modellprädiktives Regelungssystem eingebunden, um eine optimale, hochdynamische Aktuatortrajektorie zu finden.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Sven Stockert.


Bild: Spaltband läuft in ein Quarto-Walzgerüst, Bildrechte: IBF
 

Schnelle Prozessmodelle des Walzens

Einzelstich beim Walzen inklusive Kraft-, Temperatur- und Mikrostrukturentwicklung

Schnelle Prozessmodelle sind in der Lage, z. B. das Warmwalzen im industriellen und im Labormaßstab abzubilden. Auf Basis des Stichplans und der Materialparameter werden dabei u.a. Kräfte, Temperaturen und die Mikrostrukturentwicklung innerhalb weniger Sekunden berechnet. Solche Programme lassen sich vielseitig einsetzen, die Stärken liegen aber insbesondere im Bereich der Auslegung und Optimierung. So wurde beispielsweise, im Sinne von Industrie 4.0, ein schnelles Walzmodell mit einer Datenbank gekoppelt und es konnten Materialparameter aus industriellen Daten ermitteln werden. Des Weiteren werden am IBF schnelle Walzmodelle, zusammen mit maschinellen Lernverfahren, genutzt, um optimale Stichpläne automatisiert auszulegen. Darüber hinaus erfolgt der Einsatz solcher Modelle für die Lehre und innerhalb von Seminaren. Hier können sich die Studierenden bzw. Seminarteilnehmer einen intuitiven Zugang zur Erstellung, Berechnung und Auslegung von Stichplänen erarbeiten und die ablaufenden Mechanismen in der Tiefe begreifen.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Alexander Krämer.


Bild: Einzelstich beim Walzen inklusive Kraft-, Temperatur- und Mikrostrukturentwicklung, Bildrechte: IBF
 
Schnelle Walzmodelle für die Stichplanauslegung
Schnelle Walzmodelle für die Stichplanauslegung
 
 

Stichplanauslegung durch maschinelle Lernverfahren

Interaktion der Einflussgrößen bei der Stichplanauslegung

Die Stichplanauslegung für das Walzen ist ein durch Expertenwissen und Empirie getriebener Prozess. Dies liegt daran, dass jeder Stich alle Folgestiche beeinflusst. Ein Ansatz zur Automatisierung der Stichplanauslegung besteht in der Nutzung von maschinellen Lernverfahren. Diese können auf Basis von Daten die Zusammenhänge erlernen, ohne dass diese explizit, in Form von Gleichungen, angegeben werden müssen. Zum Nachweis der Anwendbarkeit wurde daher eine Datenbank mithilfe eines schnellen Prozessmodells erstellt. Anhand dieser Datenbank wurde ein neuronales Netz trainiert, welches in der Lage ist Stichpläne automatisiert auszulegen, wenn der Ausgangs- und Endzustand bekannt sind. Die Randbedingungen wurden dabei durch das am IBF vorhandene Universalwalzwerk vorgegeben. Der ausgelegte Stichplan zeigte exakte Übereinstimmungen mit den Vorgaben bei einer Validierungsrechnung durch das schnelle Prozessmodell. Die automatisierte Stichplanauslegung scheint daher erfolgversprechend zu sein.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Alexander Krämer.


Bild: Interaktion der Einflussgrößen bei der Stichplanauslegung, Bildrechte: IBF
 

STOFF – Schnelle Berechnungsmodelle im Freiformschmieden

STOFF

Das Freiformschmieden ist ein inkrementeller Umformprozess, bei dem die Ausgangsgeometrie in oft mehreren hundert Umformschritten zur Zielgeometrie überführt wird. Die Auslegung von Schmiedeprozessen erfolgt dabei überwiegend erfahrungsbasiert oder auf Grundlage einfacher geometrischer Zusammenhänge. Hiermit ist lediglich eine geometrische Prozessauslegung möglich, die keine Aussagen über die Temperaturführung, die Kerndurchschmiedung sowie die Korngrößenverteilung erlaubt. Da die FEM-Simulation sehr zeitintensiv ist, hat das IBF mit „STOFF“ schnelle Berechnungsmodelle für das Freiformschmieden entwickelt, welche die schnelle Berechnung dieser Zielgrößen ermöglichen. Kombiniert mit einer graphischen Oberfläche kann so eine eigenschaftsbasierte Auslegung und Optimierung von Schmiedeprozessen erfolgen. Zudem bietet sich eine Nutzung zu Lehrzwecken an, da anschaulich die Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und resultierenden Bauteileigenschaften analysiert werden können.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Martin Wolfgarten.


Bild: Erweiterte Informationen zum Schmiedeprozess durch schnelle Modelle, Bildrechte: IBF
 
STOFF - Schnelle Schmiedemodelle für Prozessauslegung
STOFF - Schnelle Schmiedemodelle für Prozessauslegung
 
 

Online-Assistenzsystem für das Freiformschmieden

Online-Assistenzsystem an der IBF-Schmiedepresse

Beim Freiformschmieden ist ein kontrollierter Prozessverlauf von großer Bedeutung für die Bauteilqualität. Während des Schmiedeprozesses ist es allerdings nicht möglich, die entscheidenden Eigenschaften wie die Korngröße, die Vergleichsformänderung sowie das Temperaturfeld im Bauteil zu messen. Daher ist es bei unerwarteten Abweichungen vom geplanten Prozessablauf für den Bediener nicht möglich, die Auswirkungen auf die Prozesszielgrößen sinnvoll zu bewerten und die Weiterführung des Prozesses im Hinblick auf die Zielgrößen vorzunehmen. Aufgrund dieser Problematik besteht ein Forschungsschwerpunkt am IBF in der Entwicklung eines Assistenzsystems für das Freiformschmieden, welches unter Nutzung schneller Prozessmodelle für Formänderung, Temperatur sowie Korngröße die Bewertung der Bauteilqualität aus messbaren Prozessgrößen ermöglicht. Hiermit soll langfristig die Vision einer autonomen Prozessregelung für das Freiformschmieden realisiert werden.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Martin Wolfgarten.


Bild: Online-Assistenzsystem an der IBF-Schmiedepresse, Bildrechte: IBF
 
 

Flexibles radiales Ringwalzen zur Herstellung nicht-axialsymmetrischer nahtloser Ringe

Flexibles radiales Ringwalzen

Möglichst endkonturnahes Ringwalzen zur Minimierung des Material- und Zerspanungsaufwands hat heute eine erhebliche wirtschaftliche und ökologische Bedeutung. Industriell erzielbare endkonturnahe Ringgeometrien sind bisher ausschließlich rotationssymmetrisch, obwohl auch Anwendungen mit einer in Umfangsrichtung variierenden Volumenverteilung existieren, z.B. exzentrische Ringe mit einem annährend linearen Wanddickenprofil. Diese Bauteile werden bisher je nach Bauteilgröße durch Zerspanung, Gesenkschmieden oder Gießverfahren hergestellt, wobei Nachteile bezüglich Materialaufwand, Prozessflexibilität oder mechanische Eigenschaften hingenommen werden müssen.
Ziel des Projektes ist es, den Ringwalzprozess so weiterzuentwickeln, dass er die endkonturnahe Fertigung exzentrischer Ringgeometrien ermöglicht. Hierdurch kann insbesondere für die Herstellung großer Bauteile Material eingespart werden ohne die Flexibilität des Prozesses oder die Eigenschaften gefertigter Bauteile einzuschränken.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Stefan Günther.


Bild: Flexibles radiales Ringwalzen, Bildrechte: IBF
 
Flexibles Ringwalzen - Exzentrische Ringe
Flexibles Ringwalzen - Exzentrische Ringe
 
 

Integrierte CAx-Prozesskette

Bauteilfertigung mittels integrierter CAx-Prozesskette

In der Prototypen- und Kleinserienfertigung sind konventionelle Fertigungsverfahren, wie das Tiefziehen, meist nicht wirtschaftlich einsetzbar. Flexible Verfahren mit geringem Werkzeugaufwand, wie das Streckziehen und die Inkrementelle Blechumformung, kurz IBU, sind eine vielversprechende Alternative, um Bauteile innerhalb kürzester Zeit zu realisieren. Mit dem Ziel „first time right“ sollen zusätzlich Ressourcen geschont werden. Dazu sind verlässliche und präzise Planungstools und Modelle notwendig. Die am IBF entwickelte integrierte CAx-Prozesskette ermöglicht die Planung der Fertigung in einer CAD-CAM-Umgebung mit entsprechenden Schnittstellen zu FE-Modellen und Bildkorrelationstools. Numerische Simulationen des Streckziehens oder der IBU liefern digitale Geometrien, die mit der Zielgeometrie abgeglichen werden können. Iterationsschleifen können bei der Prototypenfertigung so virtuell durchgeführt und material- sowie zeitintensive Versuchsreihen vermieden werden.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Roman Schmitz.


Bild: Bauteilfertigung mittels integrierter CAx-Prozesskette, Bildrechte: Ahrens+Steinbach Projekte
 
Digitale Prozessplanung für die flexible Blechumformung
Digitale Prozessplanung für die flexible Blechumformung