Regelung der Oberflächeneigenschaften kaltgewalzter Halbzeuge durch Entwicklung eines neuartigen Regelungskonzepts basierend auf Online-Rauheitsmessungen der Bandoberfläche

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gerhard Hirt; Dr.-Ing. Sebastian Stemmler
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 424333859

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer Eigenschaftsregelung für den Prozess des Nachwalzens basierend auf einer Messung der Oberflächenrauheit. Mithilfe der im Nachwalzen eingestellten Oberflächentopographie werden funktionale Eigenschaften metallischer Halbzeuge wie etwa die Lackierbarkeit (Lackhaftung), der Oberflächenglanz oder tribologische Eigenschaften (Reibzahl) maßgeblich beeinflusst. Bislang erfolgt die Führung des Nachwalzprozesses anhand der Vorgabe einer Walzkraft. Diese wird aus Modellen, welche das Abprägeverhalten einer strukturierten Walze approximieren, vorab berechnet. Eine gezielte Einstellung der Bandeigenschaften im Betrieb erfolgt nicht. Ebenfalls werden Abweichungen in Folge einer ungenauen Modellierung oder wirkender Prozessstörungen (bspw. Walzenverschleiß, inhomogene Reibverhältnisse im Walzspalt) weder erfasst noch in den Prozess rückgeführt, sodass die funktionalen Eigenschaften über das gewalzte Band variieren. In diesem Kontext wurde in den vorangegangenen Förderperioden des hier adressierten Schwerpunktprogramms ein kaskadierter Regelkreis zur Nachführung der Bandeigenschaften entwickelt. Der auf einer modellprädiktiven Regelung (MPR) aufsetzenden Rauheitsregler, ermöglicht dabei die unterlagerte Einstellung der Bandmittenrauheit Ra unabhängig der geforderten Bandgeometrie (Banddicke). Hierzu wurde in der ersten Förderperiode ein schnelles Metamodell auf Basis einer offline gerechneten Mehrskalensimulation zur Beschreibung der Walzenabprägung abgeleitet. Modellabweichungen werden unter Verwendung des integrierten Rauheitssensors zur Laufzeit identifiziert und für eine datenbasierte Adaption der Reglermodelle genutzt. Zwecks Entkopplung von Oberflächentopographie und Bandgeometrie wurde neben der Nutzung eines zweiten Walzgerüsts der Bandzug als zusätzlicher Aktor untersucht, dessen Einfluss auf das Abprägeverhalten demonstriert werden konnte. In der zweiten Förderperiode wurde der Regelkreis durch Modelle zur rauheitsabhängigen Eigenschaftsvorhersage erweitert und durch die Einführung eines Softsensors geschlossen. Neben einer Analyse des realisierbaren Prozessfensters wurde der Rauheitsregler angepasst, so dass Unsicherheiten in der Prozessmodellierung nunmehr explizit in der MPR berücksichtigt werden können. In der dritten Phase ist die Validierung der Eigenschaftsregelung unter industrienahen Prozessbedingungen geplant. Neben der Übertragung auf ein weiteres Walzmaterial sind hierfür im Speziellen der Walzenverscheiß, höhere Bandgeschwindigkeiten sowie der Einsatz von Schmierstoffen zu berücksichtigen. Weiterhin soll der Effekt der Eigenschaftsregelung auf Bandcharakteristika wie die Streckgrenze oder zweidimensionale Rauheitskennwerte untersucht werden. Abschließende Walzversuche zielen auf eine Quantifizierung der Eigenschaftsverbesserung gegenüber einer konventionellen Prozessführung sowie die Ableitung von Gestaltungsprinzipien für den eigenschaftsgeregelten Umformprozess.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2183: Eigenschaftsgeregelte Umformprozesse
• Internationaler Bezug: Niederlande
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Dirk Abel; Dr.-Ing. David Bailly; Professorin Dr.-Ing. Heike Vallery