Prozessüberwachung und die daraus resultierende Qualitätssteigerung durch KI finden in weiten Teilen der produzierenden Industrie zunehmend Beachtung. Im Rahmen der Forschung des Sonderforschungsbereichs 1153 werden die Möglichkeiten der Inline-Prozessüberwachung des Querkeilwalzens untersucht. Ziel ist es, ein Überwachungssystem zu entwickeln, das eine Inline-Prozessregelung ermöglicht, um Prozessabweichungen, die während des Umformprozesses auftreten, zu kompensieren. Dazu wird ein Algorithmus entwickelt, der Prozessabweichungen innerhalb weniger Sekunden und bei laufendem Prozess erkennen und klassifizieren kann. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurde ein KI-basierter Bilderkennungsalgorithmus eingesetzt. Die Prozessdaten wurden im Rahmen einer Sensitivitätsstudie der Prozessparameter erhoben. Anhand einer Parameterstudie wurden optimierte Hyperparameter für die KI-Modellierung ermittelt, die eine hohe Vorhersagegenauigkeit ermöglichen. Die Herausforderung der notwendigen Geschwindigkeit der Vorhersage wurde getestet und validiert. Die Auswertung des Algorithmus einschließlich der Generierung eines Bildes benötigt im Durchschnitt 270 ms und ist damit schnell genug, um als Vorbereitung für die Prozesssteuerung eingesetzt zu werden. Die Untersuchungen ergaben eine Möglichkeit zur Datenanreicherung, die die Vorhersagegenauigkeit der Modelle deutlich erhöht. Die Gesamtleistung des Modells wurde mittels Leave-One-Out Cross-Validation (LOOCV) ermittelt.
Querkeilwalzen, Hybridbauteile, Prozessüberwachung, KI-basierte Bilderkennung
Dieser Beitrag untersucht, wie Kraftsensoren positioniert sein müssen, um eine Fehlpositionierung von Halbzeugen festzustellen. Hierfür werden simulative Untersuchungen an einem Gesenk durchgeführt. Dabei sind mögliche Positionen für eine Sensorplatzierung rasterförmig aufgebracht. Die aufgezeichneten Kraftwerte der jeweiligen Sensoren werden untersucht, um diejenigen Sensoren zu identifizieren, welche besonders geeignet sind, zuverlässig eine Fehlpositionierung zu erkennen.
Industrie 4.0, Digitalisierung, Prozessüberwachung
Es wurde untersucht, wie mittels Querwalzen in Flachbackenbauweise eine Kornfeinung in ein zylindrisches Walzstück eingebracht werden kann. Hierfür wurde eine unrunde Form ein- und wieder ausgewalzt. Aus einer theoretischen Voruntersuchung erfolgte die Definition eines geeigneten Parameterfelds zur experimentellen Evaluierung. Metallografische Untersuchungen ergaben, dass das Querwalzen einen positiven Effekt auf das Gefüge aufwies.
Querkeilwalzen, Feinkörnung
Ein großer Vorteil des gratlosen Präzisionsschmiedens ist das Einsparen von Ressourcen durch die Vermeidung überschüssigen Materials. Insbesondere bei Materialien mit guten Fließeigenschaften, wie Aluminium, kommt es zum Teil zur Flittergratbildung. Zur Vermeidung des Flittergrats, also das Fließen von Material in Werkzeugspalte, wurden Dichtungen entwickelt und experimentell untersucht. Die vorgestellte Untersuchung zeigt die Wirksamkeit differenter Dichtungswerkstoffe und die ideale Dichtungsgeometrie.
Flittergrat, Dichtungskonzept, Präzisionsschmieden, Umformtechnik, Prozessoptimierung
Es wurde untersucht, wie mittels Querwalzen in Flachbackenbauweise eine Kornfeinung in ein zylindrisches Walzstück eingebracht werden kann. Hierfür wurde eine unrunde Form ein- und wieder ausgewalzt. Aus einer theoretischen Voruntersuchung erfolgte die Definition eines geeigneten Parameterfelds zur experimentellen Evaluierung. Metallografische Untersuchungen ergaben, dass das Querwalzen einen positiven Effekt auf das Gefüge aufwies.
Prozessauslegung, Umformtechnik
Increasing the service life and process reliability of systems plays an important role in terms of sustainable and economical production. Especially in the field of energy-intensive bulk forming, low scrap rates and long tool lifetimes are business critical. This article describes a modular method for AI-supported process monitoring during hot forming within a screw press. With this method, the following deviations can be detected in an integrated process: the height of the semi-finished product, the positions of the die and the position of the semi-finished product. The method was developed using the CRISP-DM standard. A modular sensor concept was developed that can be used for different screw presses and dies. Subsequently a hot forming-optimized test plan was developed to examine individual and overlapping process deviations. By applying various methods of artificial intelligence, a method for process-integrated detection of process deviations was developed. The results of the investigation show the potential of the developed method and offer starting points for the investigation of further process parameters.
Prozessüberwachung, Verschleiß, Warmmassivumformung, Qualitätsmanagement
Verschleiß durch thermische und mechanische Beanspruchung ist eine der Hauptursachen für das Versagen von Schmiedegesenken. Die Beurteilung des Gesenkzustandes und die damit verbundene Lebensdauer des Gesenks basiert in der Regel auf Erfahrungswerten. In diesem Beitrag wird eine Methode zur objektiven Vorhersage der verbleibenden Lebensdauer eines Schmiedegesenks vorgestellt. Mit dieser Methode kann eine Vorhersage auf der Grundlage optischer Messungen berechnet werden. Praktische Versuche zeigen die Anwendungsmöglichkeiten. Darüber hinaus werden Kraftmessungen durchgeführt und analysiert, um festzustellen, wie sich der Verschleiß auf die Kraftverteilung im Gesenk auswirkt. Die Bewertung auf Basis optischer Messungen erlaubt objektive Aussagen über die verbleibende Standzeit von Schmiedegesenken. Die Analyse der Kraftmessungen zeigt Potenzial zur Vorhersage der Standzeit, bedarf aber weiterer Untersuchungen.
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Prozessüberwachung, Verschleiß, optische Messungen, Kraftmessung
In dem Forschungsprojekt „AutoPress“ streben das IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH und die Jobotec GmbH gemeinsam die Entwicklung einer automatisierten Prozesssteuerung von Spindelpressen an. Durch den Retrofit und die Anwendung eines Optimierungsalgorithmus sollen der Energiebedarf gesenkt und die Bauteilqualität gesteigert werden.
Digitalisierung, Umformtechnik, Produktionstechnik
Durch die Erzeugung ultrafeinkörniger Gefüge können die Materialeigenschaften eines Werkstoffs verbessert werden. Ultrafeinkörniges Gefüge besitzt eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig hoher Duktilität. In dieser Arbeit wird beschrieben, wie mithilfe eines Walzprozesses Einfluss auf das Gefüge eines Werkstoffs genommen werden soll. Der Prozess wird simulativ untersucht und Prozessfenster mithilfe der statistischen Versuchsplanung für die praktische Erprobung bestimmt
Kornfeinung, Flachbackenwalzen, Unrundwalzen, Finite-Elemente-Methode
Der Sonderforschungsbereich 1153 erforscht eine neuartige Prozesskette zur Herstellung von Hochleistungs-Hybridbauteilen. Die Kombination von Aluminium und Stahl kann das Gewicht von Bauteilen reduzieren und zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch führen. Beim Schweißen von Aluminium und Stahl bildet sich eine spröde intermetallische Phase, die die Lebensdauer des Bauteils verringert. Nach dem Schweißen wird das Werkstück inhomogen erwärmt und in einem Querkeilwalzverfahren warm umgeformt. Da die intermetallische Phase während der Warmumformung temperaturabhängig wächst, ist die Temperaturführung von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wird die Möglichkeit der prozessintegrierten Kontakttemperaturmessung mit Dünnschichtsensoren untersucht. Dazu wird die Anfangstemperaturverteilung nach der induktiven Erwärmung des Werkstücks bestimmt. Anschließend wird ein Querkeilwalzen durchgeführt und die Daten der Dünnschichtsensoren mit den Temperaturmessungen nach der Erwärmung verglichen. Es zeigt sich, dass in das Werkzeug eingebrachte Dünnschichtsensoren in der Lage sind, Oberflächentemperaturen bereits bei einer Kontaktzeit von 0,041 s zu messen. Die neue Prozessüberwachung der Temperatur ermöglicht es, ein besseres Prozessverständnis zu entwickeln sowie die Temperaturverteilung weiter zu optimieren. Langfristig lassen sich aus der Kenntnis der Temperaturen in den verschiedenen Werkstoffen auch Qualitätsmerkmale sowie Erkenntnisse über die Ursachen möglicher Prozessfehler (z.B. Bruch der Fügezone) ableiten.
Querkeilwalzen, Dünnschichtsensoren, Hybridbauteile, Aluminium, Temperaturüberwachung
Der Sonderforschungsbereich 1153 erforscht eine innovative Prozesskette zur Herstellung von Hybridbauteilen. Die hybriden Werkstücke werden zunächst gefügt und anschließend durch Querkeilwalzen umgeformt. Um das Verhalten der Fügezone bei erhöhter Komplexität des Umformprozesses zu untersuchen, wurden Ritzelwellen hergestellt. Zu diesem Zweck wurden sechs Arten von Werkstücken, die mit drei Arten von Fügeverfahren hergestellt wurden, zu Ritzelwellen umgeformt. Das Referenzverfahren liefert eine Welle mit einem glatten Lagersitz. Es wurde festgestellt, dass die erhöhte Komplexität im Vergleich zu den Referenzprozessen keine Herausforderungen darstellte. Bei den Ritzeln aus Stahl wurde eine nahezu endkonturnahe Geometrie erreicht.
Hybridbauteile, Querkeilwalzen, Warmumformung, Laserstrahlschweißen, LHWD-Schweißen
Arbeitsbedingte Erkrankungen und die daraus resultierenden Fehlzeiten der Mitarbeiter können vor allem in kleinen und mittleren Unternehmen erhebliche Auswirkungen auf die Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit haben. Gerade in der Schmiedeindustrie führt die manuelle Handhabung von Schmiedeteilen zu hohen körperlichen Belastungen und damit zu häufigen Erkrankungen des Muskel-Skelett-Systems, insbesondere des Hand-Arm-Systems. Eine Möglichkeit, diesem Umstand entgegenzuwirken, ist der Einsatz von ergonomischen Schmiedezangen. In der hier vorgestellten Studie wurde der Einfluss von ergonomischen Schmiedezangen auf die körperliche Belastung von Schmiedebeschäftigten mittels Simulation und Experiment untersucht und mit herkömmlichen Schmiedezangen verglichen. Im Rahmen der Simulation und der experimentellen Untersuchung wurden Schmiedeteile und Schmiedezangen variiert. In der Simulation konnte eine ergonomische Beurteilung der Schmiedesituation mit Hilfe des Ergonomic Assessment Worksheet bewertet werden. In der experimentellen Untersuchung wurde anhand von Greifkraft- und Kalorienmessungen ermittelt, wie sich die Handhabung der Schmiedezange auf die Schmiedearbeiter auswirkt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz der neuen ergonomisch optimierten Schmiedezange zu einer deutlichen körperlichen Entlastung der Schmiedemitarbeiter führen kann. Die Erkenntnisse aus den ergonomisch entwickelten Konzepten sind auch auf andere Branchen übertragbar.
Umformtechnik, Ergonomie
Schmiedeteile werden in mehreren Prozessschritten, der sogenannten Stadienfolge, hergestellt. Die Gestaltung von effizienten Stadienfolgen ist ein sehr komplexer und iterativer Entwicklungsprozess. Um diesen Prozess zu automatisieren und die Entwicklungszeit zu reduzieren, wird hier eine Methode vorgestellt, die auf Basis der Bauteilgeometrie (STL-Datei) automatisch mehrstufige Stadienfolgen für unterschiedliche Schmiedegeometrien erzeugt. Das Verfahren wurde für das Gesenkschmieden entwickelt. Es werden die einzelnen Module dieser Stadienfolgeauslegungsmethode (FSD-Methode) sowie die Funktionsweise des Algorithmus zur Generierung der Zwischenformen vorgestellt. Die Methode wird auf verschiedene Schmiedeteile mit unterschiedlichen geometrischen Merkmalen angewendet. Die generierten Stadienfolgen werden mit FE-Simulationen auf die Qualitätskriterien Formfüllung und Faltenfreiheit überprüft. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die entwickelte FSD-Methode in kurzer Zeit gute Näherungslösungen für einen ersten Entwurf von Stadienfolgen für das Gesenkschmieden liefert.
Stadienfolge, Stadienplanung, Automatisierung
Aufgrund der guten Fließeigenschaften von Aluminium neigt das Material beim gratlosen Präzisionsschmieden dazu, in Werkzeugspalte zu fließen und den sogenannten Flittergrat zu erzeugen. Zur industriellen Umsetzung von gratlosen Präzisionsschmiedeprozessen sollen, in Kooperation mit einem Industriepartner, eine innovative Prognosemethode für Flittergrat sowie Dichtungskonzepte erarbeitet werden. Simulative Untersuchungen zeigen, dass die lokale Formfüllung nicht gleichzusetzen ist mit einem hohen Druck respektive einer erhöhten Wahrscheinlichkeit für Flittergrat.
Flittergrat, FEM-Simulation, Dichtungskonzept, Präzisionsschmieden, Umformtechnik
Im Unrundwalzen wird die Machbarkeit untersucht, mehrere zueinander versetzte, lokal unrunde Formelemente in ein zylindrisches Halbzeug zu walzen. Ein Teilgebiet der Untersuchungen ist das Walzen von zwei elliptischen Abschnitten.
Aus drei unterschiedlichen Berechnungskonzepten für die Bestimmung der Werkzeuggravur wurde einer für eine simulative Parameterstudie gewählt. Die Haupteinflussgrößen, unter anderem die Länge und Breite der Gravur und ein Prozessfenster wurden identifiziert.
Umformtechnik, Fertigungstechnik, FEM
Um die Herstellung komplexer Geometrien möglichst effizient zu gestalten, werden in der Regel mehrere Umformstufen genutzt. Bei diesen wird das Rohteil zunächst homogen erwärmt und anschließend über mehrere Vor- und Zwischenstufen sowie der Fertigformung geschmiedet. Vorangegangene Untersuchungen haben gezeigt, dass durch den Einsatz einer inhomogenen, anstelle einer homogenen, Rohteilerwärmung eine deutliche Materialersparnis erzielt werden kann. Ein limitierender Faktor bei der praktischen Durchführung einer inhomogenen Erwärmung ist der Temperaturgradient zwischen den warmen und halbwarmen Bereichen des Rohteils.
Die vorliegende Studie untersucht daher den Einfluss der Länge des Temperaturgradienten auf die notwendige Rohteilgröße zur Erreichung einer Formfüllung bei gegebener Fertigteilgeometrie. Dafür wurde eine simulative Parameterstudie mit drei unterschiedlich langen Temperaturübergängen sowie zwei unterschiedlichen Fertigteilgrößen durchgeführt.
Es wurde gezeigt, dass je nach Fertigteilgröße und Länge des Temperaturgradienten zwischen 3,31 % und 17,49 % Material im Vergleich zu einem homogen erwärmten Rohteil eingespart werden können. Die Länge des Temperaturgradienten hat damit einen deutlichen Einfluss auf das Einsparpotential des Materials.
Massivumformung, Inhomogene Erwärmung, Ressourceneffizienz, FEM
Durch Prozessüberwachungsstrategien lassen sich verschleißbedingte Zustände von Schmiedegesenken erkennen und prognostizieren. Die Prognose des Verschleißzustands erlauben intelligente Instandhaltungsstrategien. Dadurch lassen sich Reststandmengen voll ausschöpfen, Ausschuss reduzieren und Ausfallzeiten einkalkulieren. Inhalt dieses Beitrags ist die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zur Kalkulation des Amortisationszeitpunkts einer Prozessüberwachung
Schmieden, Prozessüberwachung, Wirtschaftlichkeit
In der manuellen Massivumformung werden bei der Bearbeitung von Schmiedeteilen handgeführte Schmiedezangen eingesetzt. Beim Schmiedeprozess werden die Mitarbeiter körperlich durch hohe Schmiedeteilgewichte und übertragene Stöße belastet. Diese körperliche Belastung führt zu gesundheitlichen Einschränkungen der Mitarbeiter und erhöht die Ausfallquoten. Im IPH wurden ergonomische Schmiedezangen entwickelt, die zu einer Entlastung der Schmiedemitarbeiter führen.
Ergonomie, Schmiedezangen, Umformtechnik, Prävention
Durch die Ergebnisse der Verschleißuntersuchungen lassen sich mehrdirektionale Prozesse in der Warmmassivumformung künftig verschleißarm und wirtschaftlich optimieren. Die ermittelten, verschleißinduzierenden Prozessparameter innerhalb der Konstruktionsrichtlinie stellen elementares Grundwissen dar, welches prozessspezifisch angewendet werden kann. Grundsätzlich hängt das wirtschaftliche Potenzial mehrdirektionaler Schmiedeprozesse unter Verwendung von Schiebewerkzeugen vom Anwendungsfall und den gewünschten Bauteilgeometrien ab. Mehrdirektionale Schmiedeprozesse bieten große Einsparpotenziale und können durch die gezielte Prozessauslegung unter Verwendung der erarbeiteten Ergebnisse hohe Standmengen aufweisen und die Wettbewerbssituation von Unternehmen positiv beeinflussen. Dadurch lassen sich die Herstellkosten für explizit ausgewählte Nischenbauteile mit deutlich erhöhter Komplexität künftig bei überschaubarem Investitionsaufwand reduzieren. Neben der prozessspezifischen Optimierung der Prozessparameter müssten in Zukunft Optionen zur konstruktiven Werkzeuganpassung in Hinblick auf lokale Kühlung beziehungsweise thermischen Isolierung der Schieber-Keil-Mechanik erarbeitet werden, um die Systeme in automatisierten Serienfertigungen gezielt einsetzen zu können.
Schieberwerkzeuge, Prozessauslegung, Wirtschaftlichkeit, Massivumformung
Tailored Forming dient der Herstellung von Hybridbauteilen, bei denen die verwendeten Werkstoffe lokal an die unterschiedlichen physikalischen, chemischen und tribologischen Anforderungen angepasst werden. In dieser Arbeit wird eine Tailored-Forming-Prozesskette für die Herstellung einer Hybridwelle mit Lagersitz untersucht. Die Prozesskette besteht aus den Fertigungsschritten Laserwarmdraht-Auftragschweißen, Querkantenwalzen, Drehen und Festwalzen. Als Grundwerkstoff wird ein zylindrischer Stab aus Baustahl C22.8 verwendet und im Bereich des Lagersitzes eine Plattierung aus dem martensitischen Ventilstahl X45CrSi9-3 aufgebracht, um die erforderliche Festigkeit und Härte zu erreichen. Es wird untersucht, wie sich die Oberflächen- und Untergrundeigenschaften des Hybridbauteils, wie Härte, Gefüge und Eigenspannungszustand, innerhalb der Prozesskette verändern. Die Ergebnisse werden mit einer früheren Studie verglichen, in der der austenitische rostfreie Stahl X2CrNiMo19-12 als Plattierungswerkstoff untersucht wurde. Es zeigt sich, dass der Eigenspannungszustand nach der Warmumformung von den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Plattierungswerkstoffs abhängt.
Tailored Forming, Eigenspannung, Laserheißdrahtplattieren, Festwalzen, Hybridbauteile
