Eigenschaftsregelung beim Schmieden auf Spindelpressen durch Dosierung der Schlagenergie und lokal wirkende Aktoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Bambach
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 424334584

Mit dem Gesenkschmieden wird gewöhnlich das Ziel verfolgt, das Werkstück bei reduzierten Umformkräften umzuformen und die bei hohen homologen Temperaturen ablaufenden mikrostrukturellen Änderungen zu nutzen, um die Eigenschaften für die Anwendung einzustellen. Die Evolution der Mikrostruktur kann bei der Warmumformung als dynamisches System aufgefasst werden. Sie wird durch die zeitliche Evolution der Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder am materiellen Punkt im Werkstück gesteuert. Variationen (z.B. der Ausgangsmikrostruktur und der Reib- und Wärmeübergangsbedingungen) führen zu Schwankungen in den Eigenschaften. Beim Schmieden auf energiegebundenen Pressen wird das Werkstück mit mehreren Schlägen in Form gebracht. Hier scheint es generell möglich, das dynamische System der Mikrostrukturevolution über den Verlauf der Schläge zu regeln. Durch Adaption der Schlagenergie und der Pausenzeiten zwischen den Schlägen könnten Abweichungen, z.B. von der Solltemperatur infolge eines verzögerten Transports des Werkstücks, ausgeglichen werden. Üblicherweise ist es nicht möglich, beim Gesenkschmieden kritische Bauteilbereiche gezielt zu beeinflussen. Hierzu fehlen in den Werkzeugen Freiheitsgrade, mit denen Umformenergie gezielt lokal eingebracht werden kann. Bislang sind keine Arbeiten bekannt, die die Schlagenergie gezielt als Stellgröße einsetzen, um die Mikrostruktur- und Eigenschaftsausbildung beim Schmieden direkt zu regeln. Auch ist keine lokale Beeinflussung kritischer Stellen möglich, da Aktoren in Schmiedegesenken, die über die Ausstoßerfunktion hinausgehen, gegenwärtig nicht Stand der Technik sind. Der vorliegende Antrag hat die Erforschung, Implementierung und Validierung von Beobachter- und Regelungsstrategien für die globale und lokale Eigenschaftsregelung beim energiegebundenen Schmieden auf Spindelpressen zum Gegenstand. Wird die Zielmikrostruktur auf einem bestimmten Gebiet im Werkstück vorgegeben, so kann mithilfe statischer Optimierungsverfahren eine optimale Schlagfolge als Referenz berechnet werden. Aus Messwerten ist dann im Prozessverlauf die Entwicklung der Mikrostruktur zu schätzen. Ein erstes Teilziel ist die Entwicklung eines energiebasierten Gefügemodells, d.h. die Formulierung und Validierung von Materialgleichungen für die eigenschaftsbestimmenden Mikrostrukturvariablen auf Basis der durch Umformung in das Gefüge eingebrachten Energie. Das Materialmodell soll mit einem online-fähigen Prozessmodell auf Basis interpolierter FEM-Lösungen kombiniert werden. Hierbei soll eine Bewegungsgleichung für den Rand des Gebiets mit erfüllter Mikrostrukturanforderung hergeleitet werden. Dieses Modell ("Gefügemonitor") bildet die Grundlage für die Eigenschaftsregelung, die als Trajektorienfolgeregelung zwischen Ist- und Sollzustand des Gebietsrands realisiert werden soll. Die entwickelte Lösung wird zunächst virtuell mithilfe eines FEM-Modells erprobt und dann auf die Spindelpresse des Lehrstuhls übertragen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2183: Eigenschaftsgeregelte Umformprozesse