Beschreibung komplexer Vorgänge im Lichtbogen durch die Kopplung von inverser und direkter Modellierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Uwe Füssel; Professor Dr. Johannes Kruscha
• Fachliche Zuordnung: Werkstofftechnik
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 88798624

Die Erweiterung des Anwendungsbereichs von MSG-Verfahren auf den Dünnblechbereich und das Fügen wärmeempfindlicher Werkstoffe und Werkstoffkombinationen ist nur mit „kalten", kurzschlussbehafteten Prozessen möglich. Diese Prozesse können mit herkömmlichen Methoden der Lichtbogendiagnostik und -Simulation nur unzureichend beschrieben und modelliert werden, da sie nicht rotationssymmetrisch sind und nicht periodisch verlaufen bzw. die Lichtbogenlänge von den Schmelzbad- und Tropfenschwingungen bestimmt wird. Außerdem kommt es zur Durchdringung der Fallgebiete. Im Rahmen dieses Vorhabens wird erstmals ein neuer Weg zur Beschreibung und Modellierung dieser Prozesse beschritten. Inverse und direkte Modellierung (Simulation) werden so kombiniert, dass die bekannten Schwachstellen der einen Methode durch die Vorteile der anderen kompensiert werden und so eine neue Qualität in der Aussagefähigkeit der Modellierung erreicht wird. Bei der inversen Modellierung werden Differentialgleichungen, die das Systemverhalten quantitativ hinreichend genau, aber in einer formalen abstrakten mathematischen Form beschreiben, direkt aus den Zeitreihen- und Bildinformationen des Prozesses hergeleitet. Zur Anwendung kommen Verfahren der Rekonstruktionen nichtlinearer Gleichungen sowie Methoden der digitalen Bildverarbeitung und Mustererkennung. Die formalen Modellgleichungen werden auf der Basis einer umfangreichen spezifizierten explorativen Datenanalyse gewonnen. Diese abstrakten Differenzialgleichungen und Muster werden mittels Direktmodellbildung und Simulation physikalisch interpretiert. Hierzu werden MHD-Lichtbogenmodelle und VoF-Modelle des Werkstoffübergangs angewendet. Die aus der inversen Modellierung erkannten Muster dienen als Randbedingungen für die direkte Modellierung. Durch die Vorgabe der Randflächendynamik und die räumlichen Verteilungen kann die physikalische Komplexität der Modelle für die Simulationsrechnungen erheblich verringert werden. Dennoch gewährleisten die Modelle eine höhere Anpassung der Simulation an die Realität. Durch den Vergleich der aus der inversen Modellierung formal bestimmten Gleichungen, Verteilungen und Verhaltensmuster mit den Ergebnissen der direkten Modellbildung werden ihnen die entsprechenden physikalischen Effekte und Prozesszustände zugeordnet. Aus den dann auch von ihrer physikalischen Bedeutung her verstandenen Modellgleichungen lassen sich die Anforderungen an eine prozesstaugliche Sensorik ableiten, neue Regelungsstrategien entwickeln sowie substantielle Fortschritte im Verständnis der MSG-Prozesse erzielen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen