Die Produktionstechnik wird aktuell durch den Übergang von automatisierten Systemen zu Cyber-Physischen Produktionssystemen (CPPS) geprägt, deren wesentliches Merkmal die räumliche und zeitliche Integration der Informations- und Planungssysteme mit den Produktionsanlagen in Echtzeit ist. CPPS sollen im Rahmen der resilienten Fabrik der Zukunft eine robuste, effiziente und gleichzeitig wandlungsfähige Produktion ermöglichen. Diese aktuellen Anforderungen betreffen die gesamte Fertigungstechnik und insbesondere die Umformtechnik aufgrund der vielseitigen Anwendungsgebiete. Bauteile, bei denen es auf eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer ankommt, erfordern häufig eine umformtechnische Herstellung. So bilden zum Beispiel geschmiedete Hochleistungskomponenten die Grundlage technischer Innovationen in der Energie- und Verkehrstechnik. Im Fahrzeugbau ermöglichen umgeformte Blechbauteile Leichtbau, Crashsicherheit und Rezyklierbarkeit in der Großserie.

Arbeitsprogramm

Problemstellung

Im Laufe der Industrialisierung wurden Umformprozesse zunehmend auf Umformmaschinen durchgeführt und automatisiert. Hierbei blieb der Einsatz der Regelungstechnik überwiegend auf die Regelung der Bewegungsabläufe der Umformmaschinen beschränkt. Umformprozesse laufen somit hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Produkteigenschaften überwiegend gesteuert ab und können daher nicht oder nur sehr eingeschränkt auf Schwankungen in den Werkstückeigenschaften oder Störungen im Prozess reagieren. Für den Einsatz in resilienten Fabriken der Zukunft muss in der Umformtechnik der Übergang von gesteuerten zu geregelten Prozessen vollzogen werden, die sich auf veränderliche Randbedingungen und Störungen einstellen können. In Hinblick auf die Erhöhung der Ressourceneffizienz erscheint ein weiterer Schritt hin zur Eigenschaftsregelung von Umformprozessen erforderlich, um insbesondere bei Schwankungen im Ausgangsmaterial und in den Prozessrandbedingungen Bauteileigenschaften innerhalb der jeweils geltenden Spezifikationen einzustellen und die Produktion von Ausschussteilen zu reduzieren. Die Herausforderungen für die Entwicklung eigenschaftsgeregelter Umformprozesse liegen in der nicht linearen, räumlich und zeitlich verteilten Wirkung des Werkzeugs auf das Werkstück, die eine erfahrungsbasierte Regelung unmöglich macht. Für eine Eigenschaftsregelung müssen Umformprozesse als örtlich verteilte und zeitlich veränderliche Systeme verstanden, modelliert und auf ihre Regelbarkeit hin untersucht werden. Für das Design effizienter Regler muss der Umformprozess in seiner Wirkung auf die Produkteigenschaften mathematisch beschrieben werden und einer systematischen Entwicklung von Reglern zugänglich gemacht werden.

Wissenschaftliche Ziele

Ziel des Schwerpunktprogramms ist es, die wissenschaftlichen Grundlagen der prozessintegrierten Eigenschaftsregelung von Umformprozessen zu erforschen und neue Ansätze der Eigenschaftsregelung zu erproben und zu validieren. Aufgrund der aktuellen Entwicklungen in der Produktionstechnik ist die Eigenschaftsregelung von Umformprozessen als Emerging Field anzusehen. Für die Umformtechnik entsteht aus der Kooperation mit der Regelungstechnik erstmals die Möglichkeit, regelbare Umformsysteme methodenbasiert auszulegen und die für die Eigenschaftsregelung notwendigen Sensoren und Aktoren im Systemdesign zu berücksichtigen. Aus dieser Zusammenarbeit wird ein grundlegender Erkenntnisgewinn über die Gestaltung resilienter, mikrostruktur- und eigenschaftsgeregelter Umformprozesse erwartet.

Die Entwicklung eigenschaftsgeregelter Umformprozesse erfordert eine thematische Eingrenzung und Strukturierung der Forschungsarbeiten. Aus umformtechnischer Sicht erfolgte eine Fokussierung auf Blech- und Massivumformverfahren für metallische Werkstoffe, bei denen neben der Erzeugung einer vorgegebenen Bauteilgeometrie eine geregelte Eigenschaftseinstellung im Bauteil erfolgt. Bei der Warmumformung steht hier die durch Rekristallisation, Ausscheidungen und Phasenumwandlungen bedingte Mikrostrukturentwicklung im Vordergrund. Bei der Kaltumformung soll der Fokus auf Prozessen liegen, mit denen eine gezielte Einstellung eigenschaftsbestimmender Merkmale wie Härte/Verfestigung, Textur oder Ähnliches möglich ist.

 

 

In der Zusammenarbeit zwischen Umform- und Regelungstechnik werden im Rahmen des Schwerpunktprogramms systematisch Erkenntnisse über die Regelbarkeit bestehender Umformprozesse gesammelt. Aus diesen Erkenntnissen werden die Prinzipien zur Gestaltung neuer Umformprozesse, Maschinen- und Werkzeugstrukturen abgeleitet, die eine Eigenschaftsregelung ermöglichen. Für die Umformtechnik besteht der wesentliche Erkenntnisgewinn aus dem angestrebten Übergang von heute verfügbaren Umformprozessen, bei deren Entwicklung die Regelbarkeit der Produkteigenschaften von untergeordneter Bedeutung war, hin zu Methoden zur Gestaltung regelbarer Umformprozesse. Hierzu müssen aus Sicht der Regelungstechnik neue Methoden entwickelt werden, die es einerseits ermöglichen, das umformtechnische System regelbar zu gestalten, das heißt die Anzahl und Platzierung der Sensoren und Aktoren sowie deren gefordertes (dynamisches) Verhalten festzulegen und andererseits basierend auf geeignet reduzierten mathematischen Modellen neue Regler- und Beobachterkonzepte zu entwickeln, die systematisch die inhärenten Nichtlinearitäten und den im Allgemeinen verteilt-parametrischen Charakter sowie die Systembeschränkungen berücksichtigen. Diese Fragestellungen führen zu intensiven Kooperationen zwischen Regelungstechnik und Umformtechnik. Aus Sicht der Werkstofftechnik besteht die Originalität der Forschungsarbeiten in der Erforschung und Entwicklung von Softsensoren, in der Modellbildung für die Regelungstechnik sowie in der Entwicklung eigenschaftsbeeinflussender Aktoren (in Kooperation mit der Umformtechnik). Die Messtechnik soll Methoden für die robuste Integration der Sensoren in Umformprozesse und die zuverlässige Schätzung von Messunsicherheiten der dynamischen Messprozesse liefern.