Projekt 5 – TU Dresden, Uni Magdeburg

Thermomechanisches Ringwalzen mit prädiktiver Eigenschaftsregelung

Das thermomechanische tangentiale Profilringwalzen (TMR) eröffnet prinzipbedingt die Möglichkeit, Ringe in endkonturnaher Geometrie herzustellen und dabei im selben Prozessschritt über eine gezielte Prozessführung in Bezug auf Temperatur und Umformung zusätzlich spezifische Eigenschaften hinsichtlich Mikrostruktur, Festigkeit und Härte einzustellen. Trotz dieses hohen Potentials ressourcenschonend und eigenschaftsorientiert zu fertigen, ist es bisher nicht üblich das Ringwalzen als Prozess mit thermomechanischer Behandlung durchzuführen. Der Grund liegt in der Vielzahl der in Wechselwirkung stehenden materialphysikalischen Effekte, die eine vollständige Beherrschung des Prozesses und damit eine gesteuerte Fertigung innerhalb eines sicheren Prozessfensters stark erschweren.

Ergebnisse der 1. und 2. Projektphase

Die erste und zweite Förderperiode beinhaltete die Entwicklung der die Eigenschaftsregelung ermöglichenden Systemarchitektur sowie der Messdatenverarbeitung, um einen geschlossenen Regelkreis an der Ringwalzanlage realisieren zu können. Neben der experimentellen Identifizierung von Stell- und Störgrößen wurden notwendige Sensoren in entsprechende kaskadierte Regelkreise platziert, um die Regelung von Abkühlgeschwindigkeit, Luftstrom und Vorschubgeschwindigkeit zu realisieren. Die Transformation der Sensordaten erfolgt in einem Softsensor. Der Softsensor beinhaltet eine Eigenentwicklung eines speziellen Wirbelstromsensors, welcher in der Lage ist, Mikrostruktureigenschaften zu erfassen sowie an einem digitalen Zwilling validierte zur Prognose notwendige schnelle Temperatur-, Material- und Umformmodelle. Die prognostizierten Input-Parameter werden an den Prozessregler übermittelt, um eine modellprädiktive Regelung durchzuführen. Die Erkenntnisse aus der zweiten Förderperiode führten zu einem Konzept für die Regelung der Ringwalzanlage und zur Identifizierung zugehöriger Prozessfenster.

Ziele der 3. Projektphase

Das Ziel der dritten Förderperiode besteht darin, eine zeitlich und örtlich prognosefähige Eigenschaftsregelung für das TMR unter produktionsnahen Bedingungen zu realisieren. Um eine Ableitung von Gestaltungsprinzipien für die Eigenschaftsregelung des TMR zu bewerkstelligen, soll der digitale Zwilling um eine virtuelle Regelung, welche die realen Gegebenheiten der vorhandenen Umformmaschine und Sensoren abbildet, erweitert werden. Die Analyse der Regelstrategie wird ermöglicht, die Größe und Lage des nutzbaren Parameterraums bestimmt und die Genauigkeit der einstellbaren Eigenschaften unter spezifizierten Bedingungen quantifiziert. Die virtuelle und experimentell verifizierte Identifikation von Prozessgrenzen stellt die Übertragbarkeit der entwickelten Methodik, z. B. auf verschiedene Ringgeometrien sicher. Für eine robuste Gestaltung des eigenschaftsgeregelten TMR ist eine Untersuchung des Werkstoffeinflusses auf die Dynamik der Eigenschaftsregelung und der damit erzielbaren Eigenschaften durchzuführen. Eine Analyse von Prozess und Systemleistung des eigenschaftsgeregelten TMR soll in Bezug auf die Systemarchitektur (Aktorik, Sensorik, Modellbildung und Regelung) zu der Gestaltung eines Leitfadens für die Auslegung vergleichbarer eigenschaftsgeregelter Umformprozesse führen.

Kontakt

Professur Formgebende Fertigungsverfahren der Technischen Universität Dresden
Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Alexander Brosius
Projektbearbeiter: Dipl.-Ing. Thomas Werner / thomas.werner1@tu-dresden.de

Institut für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Magdeburg
Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Thorsten Halle
Projektbearbeiter: Sebastian Hütter, M.Sc. / sebastian.huetter@ovgu.de

Veröffentlichungen

• Hütter, S.; Lafarge, R.; Simonin, J.; Mook, G.; Brosius, A.; Halle, T.: Determination of Microstructure Changes by Eddy-Current Methods for Cold and Warm Forming Applications. In: Advances in Industrial and Manufacturing Engineering, Elsevier BV (2021), Nr. 2C, S. 100042. https://doi.org/10.1016/j.aime.2021.100042
• Lafarge, R.; Hütter, S.; Michael, O.; Halle, T.; Brosius, A.: Property controlled thermomechanical ring rolling: process implementation and window. In: 33. Aachener Stahlkolloquium. Aachen : RWTH Aachen, 2022
• Hütter, S.; Mook, G.; Halle, T.: Quantifizierung elektromagnetischer Eigenschaften durch Wirbelstrom-basierte Softsensoren. In: 40. Vortrags- und Diskussionstagung Werkstoffprüfung. Dresden: Deutsche Gesellschaft für Materialkunde, 2022 — ISBN 978-3-88355-430-3
• Hütter, S.; Mook, G.; Halle, T.: Real-Time Microstructure Characterization using Eddy Current-based Soft Sensors. In: SMSI 2023 Conference Sensor and Measurement Science International. Nürnberg, Germany, 2023 — ISBN 9783981937688, S. 201–202. https://doi.org/10.5162/SMSI2023/D1.3
• Lafarge, R.; Hütter, S.; Halle, T.; Brosius, A.: Process Window and Repeatability of Thermomechanical Tangential Ring Rolling. In: Journal of Manufacturing and Materials Processing Bd. 7, MDPI AG (2023), Nr. 3, S. 98. https://doi.org/10.3390/jmmp7030098
• Hütter, S.; Kauss, N.; Halle, T.: Continuous Cooling Transformation Diagram of Case Hardening Steel by Instrumented Jominy Test. In: HTM Journal of Heat Treatment and Materials Bd. 78, Walter de Gruyter GmbH (2023), Nr. 4, S. 209–216. https://doi.org/10.1515/htm-2023-0006
• Stebner, S. C.; Martschin, J.; Arian, B.; Dietrich, S.; Feistle, M.; Hütter, S.; Lafarge, R.; Laue, R.; u. a.: Monitoring the evolution of dimensional accuracy and product properties in property-controlled forming processes. In: Advances in Industrial and Manufacturing Engineering Bd. 8 (2024), S. 100133. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.aime.2023.100133
• Lafarge, R.; Brosius, A.: Temperature control for thermomechanical ring rolling. In: Production Engineering, Res. Devel. 17, 907–914 (2023). https://doi.org/10.1007/s11740-023-01213-7
• Hütter, S.; Kauss, N.; Halle, T.: Cooling Transformation Diagram of Case Hardening Steel by Instrumented Jominy Test. HTM Journal of Heat Treatment and Materials 78, no. 4 (2023): 193-194. https://doi.org/10.1515/htm-2023-frontmatter4
• Hütter, S.; Simonin, J.; Mook, G.; Halle, T. Equivalent network modeling of eddy-current transfer functions, Measurement 235, 2024, 114943, https://doi.org/10.1016/j.measurement.2024.114943