Entwurf optimaler Vorformstufen zum Herstellen von Schmiedebauteilen unter Anwendung von stochastischen Optimierungsverfahren

Bis heute ist die Auslegung von Vorformen für Gesenkschmiedeprozesse ein zeitaufwändiger und manueller Trial-and-Error Prozess. Die Qualität der Vorform ist dabei maßgeblich abhängig vom konstruierenden Ingenieur. Gleichzeitig besitzt die Vorform einen großen Einfluss auf das spätere Schmiedeergebnis. Um unabhängig von der Erfahrung des Ingenieurs und zeitaufwändigen Optimierungsprozessen zu werden, präsentiert und untersucht dieser Artikel einen Algorithmus zur Vorformoptimierung von querkeilgewalzten Vorformen. Der Algorithmus berücksichtigt dafür die Massenverteilung des fertigen Bauteils, das Vorformvolumen, die Komplexität der Vorformkontur, die Auftrittswahrscheinlichkeit von Falten im fertigen Bauteil und den notwendigen Gratzuschlag. So bildet sich ein multikriterielles Optimierungsproblem, das zu einem großen Suchraum führt. Daher wird ein evolutionärer Algorithmus zur Optimierung verwendet. Der entwickelte Algorithmus wird anhand eines Pleuels getestet, um den Einfluss der Algorithmusparameter zu bestimmen. Es zeigt sich, dass der Algorithmus in der Lage ist, innerhalb einer Minute eine geeignete Vorform hinsichtlich der gegebenen Kriterien, auszulegen. Darüber hinaus zeigen zwei der fünf Algorithmusparameter, der Selektionsdruck und die Populationsgröße, einen signifikanten Einfluss auf die Laufzeit und Qualität der Optimierung.

Vorformoptimierung, Genetischer Algorithmus, Querkeilwalzen, Adaptiver Grat

Die Gestaltung der Vorform eines Schmiedeprozesses hat einen großen Einfluss auf die Qualität der Stadienfolge, welche sich direkt auf deren Wirtschaftlichkeit auswirkt und ist aktuell ein zeitaufwendiger, manueller Prozess. ln dieser Arbeit wird eine Methode zur algorithmischen Vorformoptimierung für komplexe Langteile vorgestellt, um den Entwicklungsaufwand für mehrstufige Stadienfolgen zu reduzieren. Dazu werden analytische Gleichungen entwickelt, welche die Eignung von Vorformen beschreiben. Diese Gleichungen berücksichtigen alle wesentlichen Qualitäts- (Formfüllung und Faltenfreiheit) und Wirtschaftlichkeitsparameter (Gratanteil, Umformkraft, Fertigungsaufwand).

Um das multikriterielle Optimierungsproblem zu lösen, wird ein evolutionärer Algorithmus eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass es mit Hilfe des entwickelten Algorithmus möglich ist, automatisiert Vorformen in weniger als 60 Sekunden zu erzeugen. Weiterhin wird eine Methode zur Reduktion des Gratanteils für querkeilgewalzte Vorformen entwickelt. Auf Basis dieser Methode kann der minimal erforderliche Gratanteil in einzelnen Bauteilmodulen bestimmt und so insgesamt der Gratanteil durch eine optimierte Massenvorverteilung reduziert werden. lm Vergleich zu konventionell ausgelegten Vorformen wurde so eine Gratreduktion um bis zu 66 % erreicht.

Massivumformung, Evolutionärer Algorithmus, Vorformoptimierung, Gratreduktion

In mehrstufigen Schmiedeprozessen wird das Schmiedeergebnis hauptsächlich von der Geometrie der Vorform bestimmt. Das Auslegen von mehrstufigen Schmiedeprozessen ist dennoch immer noch ein zeitaufwendiger Trial- and Error Prozess. Die Qualität der entwickelten Schmiedeprozesse hängt weiterhin stark vom Erfahrungswissen des zuständigen Konstrukteurs ab. Dieses Paper präsentiert einen Algorithmus, um das multikriterielle Optimierungsproblem der Vorformoptimierung zu lösen. Dazu werden querkeilgewalzte Vorformen untersucht und ein evolutionärer Algorithmus eingesetzt, um die Vorformen so zu verbessern, bis die gewünschten Qualitätskriterien in der Fertigschmiedestufe erreicht werden. Dabei werden die Massenverteilung des Fertigteils, das Vorformvolumen und die Bauteilkomplexität als Bewertungsparameter eingeführt. Es wird eine Formel zur Berechnung des minimal erforderlichen Gratanteils abgeleitet und anhand verschiedener Demonstratorbauteile auf ihre Eignung überprüft. 

Vorformoptimierung, Schmieden, Evolutionäre Algorithmen, Querkeilwalzen

In mehrstufigen Schmiedeprozessen wird das Schmiedeergebnis hauptsächlich von der Geometrie der Vorform bestimmt. Das Auslegen von mehrstufigen Schmiedeprozessen ist dennoch immer noch ein zeitaufwendiger Trial- and Error Prozess. Die Qualität der entwickelten Schmiedeprozesse hängt weiterhin stark vom Erfahrungswissen des zuständigen Konstrukteurs ab. Dieses Paper präsentiert einen Algorithmus, um das multikriterielle Optimierungsproblem der Vorformoptimierung zu lösen. Dazu werden querkeilgewalzte Vorformen untersucht und ein evolutionärer Algorithmus eingesetzt, um die Vorformen so zu verbessern, bis die gewünschten Qualitätskriterien in der Fertigschmiedestufe erreicht werden. Dabei werden die Massenverteilung des Fertigteils, das Vorformvolumen und die Bauteilkomplexität als Bewertungsparameter eingeführt. Der entwickelte Algorithmus wird anhand eines Pleuels validiert und die fortlaufende Optimierung überprüft.

Vorformoptimierung, Schmieden, Evolutionäre Algorithmen, Querkeilwalzen

Vorformen für Schmiedeteile lassen sich künftig automatisiert auslegen: Das IPH arbeitet derzeit an einer Software auf Basis evolutionärer Algorithmen. Damit können Unternehmen wertvolle Entwicklungszeit sparen und die Wirtschaftlichkeit von Schmiedeprozessen steigern.

Umformtechnik, Schmieden, Vorform, evolutionäre Algorithmen

Um die Formfüllung in Schmiedeprozessen sicher zu prognostizieren, werden unterschiedliche künstliche neuronale Netze auf ihre Eignung überprüft. Als Eingangsparameter werden mehrere Querschnittsflächeneigenschaften getestet, um das Ergebnis der Formfüllung von FEM-Simulationen zu prognostizieren. Der Einfluss der Querschnittseigenschaften auf die Formfüllungsprognose wird dargestellt und die beste Methode ausgewählt.

FEM, Schmieden, Vorformoptimierung