Integrative Prozesskettenplanung und -auslegung umformtechnisch gefertigter Bauteile auf Basis genetischer Algorithmen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Herstellung schmiedetechnisch gefertigter Bauteile erfordert mehrere zeitlich und funktional aufeinander abgestimmte Fertigungsprozesse. Diese einzelnen Prozesse bilden jeweils produktspezifische Prozessketten, die gleichzeitig hinsichtlich unterschiedlicher, meist konträrer Zielgrößen anhand definierter Stellgrößen optimiert werden müssen. Dabei bestehen innerhalb der Prozessketten vielseitige Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Prozessen, wodurch der Komplexitätsgrad steigt und somit das Auffinden eines ganzheitlichen Optimums erschwert wird. Für die einzelnen Fertigungsschritte existieren zudem häufig unterschiedliche Fertigungsalternativen (z. B. Vereinzeln: Scheren und Sägen). Diese weisen einen unterschiedlich starken Einfluss auf die wirtschaftliche Herstellung, die Qualität des Bauteils und die auftretenden Wechselwirkungen auf. Daraus resultiert ein hochdimensionales Optimierungsproblem, das mit bestehenden Methoden bislang nicht gelöst werden kann. Vor diesem Hintergrund bestand die Zielsetzung des Fortsetzungsprojektes „InformGA“ aus der Weiterentwicklung des integrativen Planungsansatzes schmiedetechnischer Prozessketten unter Berücksichtigung der Gesenk- und Bauteilherstellung zur Bewertung und Optimierung von Prozesskettenalternativen. Dies wird durch den Einsatz eines genetischen Algorithmus (GA) auf Basis generischer Prozessmodelle realisiert, wodurch der Planungsaufwand in den frühen Entwicklungsphasen hinsichtlich der zu wählenden Fertigungsprozesse reduziert und gleichzeitig die Prozessparameter für eine ganzheitlich optimale Fertigung bestimmt werden. Ergänzend zu den bestehenden Prozessmodellen wurden weitere generische Prozessmodelle aufgestellt, um den Zusammenhang zwischen den Eingangs- und Prozessgrößen zu den Ausgangs- und Zielgrößen formal abzubilden. Hierbei wurde die Methode der Sensitivitätsanalyse verwendet. Als zusätzliche prozessübergreifende Wechselwirkung wurde u. a. der Volumenverlust, der bei der Vereinzelung mit verschiedenen Trennprozessen entsteht, identifiziert. Dieser beeinflusst die Formfüllung des Umformprozesses. Als weitere Wechselwirkung zwischen der Prozesskette der Gesenk- und der Bauteilfertigung wurden die Herstellkosten des Umformwerkzeugs und die Oberflächenrauheit der Gesenke identifiziert. Für die Lösung des Optimierungsproblems, wurde der bereits im ersten Projektzeitraum erfolgreich eingesetzte GA weiterentwickelt. Dabei wurden für das vorliegende Optimierungsproblem Straffunktionen, u. a. zur Gewährleistung der Einhaltung von Qualitätskriterien, integriert. Weiter wurden verschiedene Steuerungsparametersätze getestet, um die Güte der Berechnungsergebnisse zu verbessern. Als bester Steuerungsparametersatz stellte sich eine Populationsgröße von 150, die Berücksichtigung von 2 elitären Individuen in der jeweils nächsten Generation und das Kreuzungsverfahren 2-Punkt-Rekombination bei einer Kreuzungsrate von 0,8 heraus. Mit Hilfe des angepassten GA wurden anschließend die zur Fertigung einer Lagerbuchse wirtschaftlichste Prozesskette sowie die spezifischen Prozessparameter ermittelt. Die Prozesskette bestand für das Werkzeug aus den Prozessen (Weich-)Drehen, Vergüten und Hartschleifen. Für die Herstellung des Bauteils wurden die Prozesse Bandsägen, widerstandsbeheizter Erwärmung, Umformung mit einer Spindelpresse, Härten mit dem Abkühlmedium Öl und der spanenden Endbearbeitung mittels Bohren und Schleifen bestimmt. Die Validierung der Optimierungsergebnisse mittels experimenteller Versuche ergab, dass eine Fertigung des Schmiedegesenks und Bauteils mit den ermittelten Prozessparametern möglich ist. Ferner lieferten die neuen generischen Prozessmodelle eine gute Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass durch die weiterentwickelte Optimierungsmethode eine wirtschaftliche Auslegung alternativer schmiedetechnischer Prozessketten realisiert werden kann. Durch die Methode wurde eine hohe Ergebnisgüte in einer kurzen Rechenzeit erreicht. Grundsätzlich besteht jedoch zusätzlicher Bedarf an einer Ergänzung der Methodik z. B. in Bezug auf die Beschreibung der Wechselwirkungen. Für eine Übertragbarkeit der Methodik auf weitere Anwendungsbereiche, wie z. B. der Fertigung von CFK-Strukturteilen oder Blechbauteilen, müssen neue generische Prozessmodelle aufgestellt und die auftretenden Wechselwirkungen beschrieben werden, um neue und bestehende Fertigungstechnologien ausreichend abbilden zu können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Auslegung alternativer Schmiedeprozessketten mit Hilfe genetischer Algorithmen. UTF-Science, Meisenbach Verlag, Bamberg, S. 1 - 11, Juni, 2014
Behrens, B.-A.; Denkena, B.; Dannenberg, M.; Georgiadis, A.
- Model Based Optimization of Forging Process Chains under the Consideration of Penalty Functions. Advanced Materials Research, Vol. 1018, Trans Tech Publications, Switzerland, S. 533 - 538, 2014
Dannenberg, M.; Georgiadis, A.; Behrens, B.-A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1018.533) - Optimierung alternativer Schmiedeprozessketten. wt Werkstattstechnik online, Jg. 104, H. 10, S. 691-695, Springer-VDI-Verlag, Düsseldorf, 2014
Denkena, B.; Behrens, B.-A.; Dannenberg, M.; Georgiadis, A.
- Prozessketten klug optimiert. Umformtechnik, Meisenbach Verlag, Bamberg, S. 20 – 23, 2014
Behrens, B.-A.; Denkena, B.; Dannenberg, M.; Georgiadis, A.
