Projekt 10 – Uni Kiel, TU Dortmund

Eigenschaftsgeregelte mehrstufige Warmblechumformung

Unter der Zielstellung eine robuste, effiziente und gleichzeitig wandlungsfähige Produktion zu ermöglichen wird in dem Vorhaben eine Methode zur Herstellung von komplex gestalteten Blechbauteilen durch einen geregelten, mehrstufigen und temperaturunterstützten Umformprozess entwickelt.
Mit der Technologie soll die Fertigung von mehrfach umgeformten Komponenten mit definierten Produkteigenschaften ermöglicht werden, wobei die Eigenschaften aus der Umformung und der simultanen thermischen Behandlung resultieren. Bisher ist die Fertigung solcher Produkte aufgrund der unbekannten Wechselwirkungen bei dem Zusammenspiel von thermischen und mechanischen Einflüssen Sonderanwendungen vorenthalten.

In der Untersuchung wird zunächst eine Betrachtung der thermischen Einflüsse auf die umformtechnischen Teilprozesse wie das Biegen, Tiefziehen und Kragenziehen sowie der Wärmebehandlung selbst in Form einer Umwandlungshärtung erfolgen. Im Anschluss folgt die Analyse von Teilprozessen in einer zusammengesetzten Prozesskette mit der Wärmebehandlung.

Zur Beherrschung der thermisch-mechanischen Interaktionen werden die charakterisierten Vorgänge in einem geschlossenen Regelkreis mit modellbasierter Zustandsschätzung eingestellt werden, um einzelne geometrische und mechanische Kennwerte zu adaptieren. Der Lösungsansatz sieht eine vereinfachte, analytische Beschreibung der isolierten Teilprozesse vor, die als Funktion der Temperaturverteilung und -historie definiert werden. Durch eine übergreifende thermische Modellierung soll die Wechselwirkung der Teilprozesse abgebildet werden, sodass eine modellbasierte Prädiktion der Produkteigenschaften parallel zum laufenden Fertigungsprozess mittels einer Zustands- und Störgrößenschätzung durch die Injektion der Messgrößen in das Modell ermöglicht wird.

Ergebnisse der 1. Projektphase

In der 1. Projektphase wurden durch eine prozessnahe Aufnahme von Warmfließkurven für den Werkstoff X46Cr13 die Einflüsse der thermo-mechanischen Historie auf das Fließverhalten phänomenologisch ermittelt, um diese dann im Kontext der regelungsorientierten Berechnung der Umformhistorie zu berücksichtigen. Implementiert wurde diese Beschreibung unter anderen bei einem eigens entwickelten elementbasierten Ansatz zur zeiteffizienten Bestimmung des Ausdünnung beim Warmstreckziehen.
Durch eine regelungsorientierte Charakterisierung des Warmkragenziehens von X46Cr13 Blechmaterial konnte zudem gezeigt werden, dass die Geometrie und Härte des umgeformten Kragens über die Austenitisierungsparameter und die Stößelgeschwindigkeit geregelt werden können.

Auf Basis von Stirnabschreckversuchen wurde hierbei ermittelt, dass bei einer raschen Erwärmung (Heizraten von 500 K/s) mit steigender Austenitisierungstemperatur und Haltezeit ein Anstieg der abgeschreckten Härte einhergeht.
Die im Erstantrag als Basis der regelungsorientierten mathematischen Modellbildung getroffene Annahme der Separation von mechanischer Deformation und der Temperaturevolution im umgeformten Bauteil hat sich als zulässige Basis für den Entwurf von kombinierten Zustands- und Störgrößenschätzern erwiesen.

Durch die Entwicklung eines erweiterten Kalman-Filters (EKF) wurde die Möglichkeiten geschaffen (i) variierende Stößelgeschwindigkeiten und Haltezeiten im unteren Totpunkt direkt ohne Neu-Parametrierung zu erfassen, (ii) die bereits kurzen Rechenzeiten und den Speicherbedarf durch die Definition so genannter unterstützender Temperaturtrajektorien und der darauf aufbauenden lokalen Linearisierung des reduzierten Modells weiter zu verbessern und (iii) Modellunbestimmtheiten im Rahmen einer Störgrößenschätzung zu ermitteln. Erste Ergebnisse zur beobachterbasierten Steuerung und Regelung des betrachteten Warmumformprozesses bestätigen die Eignung dieser Verfahren zur kombinierten Geometrie- und Eigenschaftseinstellung.

Ziele der 2. Projektphase

In der 2. Projektphase wird die Regelung der Mikrostruktur und der hierauf basierenden Produkteigenschaften eines im Folgeverbundwerkzeug pressgehärteten Hutprofils unter Aufrechterhaltung der geometrischen Merkmale betrachtet. Am Beispiel des Werkstoffs 22MnB5 wird der Einfluss der thermo-mechanischen Historie auf die Mikrostruktur berücksichtigt und die Regelung insbesondere um die Abkühlratensensitivität erweitert.
Zur Vermeidung eines unteraktuierten Systems bei einer Mehrgrößenregelung wird die Prozessaktorik um eine Temperierstufe und einen aktiven Niederhalter erweitert. Mit der Implementierung eines Mikrostruktur-Softsensors wird zudem das Ziel verfolgt den Zustand der Mikrostruktur zu jedem Zeitpunkt im Prozess zu bestimmen und als Zielgröße in die optimal-prädiktive Eigenschaftsregelung zurückzuführen.

Zum Abschluss dieser Phase wird der Einfluss schwankender Halbzeugeigenschaften auf die Produkteigenschaften am Beispiel der Blechdicke analysiert.

Prozessregelung der mehrstufigen Warmblechumformung und Arbeitspakete für die zweite Förderperiode

Kontakt

Lehrstuhl für Automatische Steuerung der Universität Kiel
Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Thomas Meurer
Projektbearbeiter: N.N.

Institut für Umformtechnik und Leichtbau der Technischen Universität Dortmund
Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. A. Erman Tekkaya
Projektbearbeiter: Juri Martschin, M.Sc. / Juri.Martschin@iul.tu-dortmund.de