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
Ziel: Wir untersuchen die Nutzung des Open Research Knowledge Graph (ORKG) als eine solche Infrastruktur, indem wir zeigen, wie Ingenieure den ORKG auf innovative Weise für die Kommunikation und (Wieder-)Verwendung nutzen können.
Methode: Für einen Anwendungsfall aus dem Sonderforschungsbereich 1153 „Tailored Forming“ sammeln, extrahieren und analysieren wir wissenschaftliches Wissen zu 10 Tailored Forming Process Chains (TFPCs) aus fünf Publikationen im ORKG. Insbesondere werden die TFPCs semantisch beschrieben, u.a. in Bezug auf ihre Schritte, Herstellungsverfahren, Messungen und Ergebnisse. Die Nützlichkeit der Datenextraktionsthemen, ihre Organisation und die Relevanz des beschriebenen Wissens wird durch eine Expertenbefragung mit 21 Experten untersucht.
Ergebnisse: Basierend auf dem beschriebenen Wissen erstellen und veröffentlichen wir einen ORKG-Vergleich als detaillierte Übersicht für die Kommunikation. Darüber hinaus (wieder-)verwenden wir das Wissen und beantworten acht Kompetenzfragen, die von zwei Domänenexperten gestellt wurden. Die Validierung zeigt eine deutliche Übereinstimmung der 21 Experten hinsichtlich der untersuchten Nützlichkeit und Relevanz.
Schlussfolgerungen: Unser Anwendungsfall zeigt, dass der ORKG als gebrauchsfertige Infrastruktur mit Diensten Forscher, einschließlich Ingenieure, dabei unterstützt, FAIR wissenschaftliches Wissen nachhaltig zu organisieren. Die direkte Nutzung des ORKG durch Ingenieure ist machbar, so dass der ORKG eine vielversprechende Infrastruktur für innovative Wege der Kommunikation und (Wieder-)Nutzung von FAIR wissenschaftlichem Wissen in den Ingenieurwissenschaften darstellt und damit dieses Forschungsfeld vorantreibt.
Tailored Forming, Wissen, Kommunikation, Wissensgrafik
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
Bienen stellen einen wichtigen Bestandteil lokaler Ökosysteme dar. Viele Unternehmen lassen als ökologische Maßnahme Bienenstöcke auf ihren Firmengrundstücken aufstellen und von Imker*innen betreuen. Um den Arbeitsaufwand zu reduzieren und gleichzeitig die Gesundheit und den Fortbestand des Bienenvolkes sicherzustellen, kann eine digitale Überwachung aus der Ferne sinnvoll sein. Die entwickelte, prototypische und auf KI basierende Objekterkennung bietet Imker*innen die Möglichkeit, Aktivitätszustände am Bienenstock zu überwachen, Eindringlinge wie beispielsweise Wespen zu bemerken oder frühzeitig eine Drohnenbrütigkeit zu erkennen, die entsteht, wenn die Bienenkönigin stirbt.
KI, Bildüberwachung, Bienen
Hybridbauteile, die aus mehreren Werkstoffen bestehen, können die steigenden Anforderungen an Leichtbau und Funktionsintegration in der Automobil- und Flugzeugindustrie erfüllen. Hybride Halbzeuge werden hergestellt, indem auf einen niedrig legierten Grundwerkstoff eine hochlegierte Schicht aufgebracht wird, bevor das Werkstück warm umgeformt und bearbeitet wird. Während dieser Prozesskette können Werkstückabweichungen in Form von Materialverteilung und Werkstoffeigenschaften auftreten, die die Lebensdauer des Bauteils beeinflussen. In dieser Arbeit wird untersucht, ob solche Werkstückabweichungen innerhalb der Prozesskette durch die Analyse von Prozesssignalen aus nachfolgenden Prozessschritten erkannt werden können. Zu diesem Zweck wurden Hybrid-Halbzeuge aus C22.8/X45CrSi9-3 mit künstlichen Werkstückabweichungen versehen. Anschließend wurden die Prozesssignale während der Umformung und der Bearbeitung auf ihre Empfindlichkeit gegenüber den künstlichen Abweichungen hin analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass Abweichungen in der Beschichtungsgröße mit Hilfe von Signalen sowohl aus der Umformung als auch aus der Zerspanung effektiv überwacht werden können. Abweichungen in der Position der Beschichtung können nur während der Bearbeitung erkannt werden, während die Signale der Umformung besser auf die eingeführten Härteabweichungen von ca. 100 HV0,1 reagieren.
Laser-Heißdraht-Auftragschweißen, Querkeilwalzen, Zerspanung, Überwachung, Werkstückabweichungen
Eine alternde Gesellschaft sowie das Auftreten immer neuer Krankheiten erzeugen ein schnelles Wachstum der Gesundheitsbranche in vielen Industriestaaten. Die Nutzung von KI kann zu einer Leistungssteigerung bei gleichzeitigem Einsparen von Kosten führen. Daher nimmt der Einsatz von KI im Bereich der Medizintechnik kontinuierlich zu, angetrieben von den zahlreichen Vorteilen, die sie mit sich bringt, unter anderem:
KI, Unüberwachtes Lernen, Diagnostik
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
Die fortschreitende Digitalisierung und neue Technologien haben die Entwicklung der Künstlichen Intelligenz (KI) in den letzten Jahren stark beeinflusst. Besonders für Unternehmen aus dem Bereich des Handwerks nimmt der Faktor Zeit aufgrund von verändertem Kundenverhalten, komplexer und anspruchsvoller werdenden Aufgaben und anderen Herausforderungen eine immer entscheidendere Rolle ein.
Künstliche Intelligenz, Handwerk, Leitfaden
Es wird eine neue Prozesskette für die Herstellung von lastangepassten Hybridbauteilen vorgestellt. Die Prozesskette "Tailored Forming" besteht aus einem Auftragschweißprozess, der Warmumformung, der spanenden Bearbeitung und einer optionalen Wärmebehandlung. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Kombination des Laserstrahl-Warmdraht-Auftragschweißens mit anschließender Warmumformung zur Herstellung von Hybridbauteilen. Die Anwendbarkeit wird für verschiedene Werkstoffkombinationen und Bauteilgeometrien, z. B. eine Welle mit Lagersitz oder ein Kegelrad, untersucht. Als Plattierungswerkstoffe werden der austenitische Edelstahl AISI 316L und der martensitische Ventilstahl AISI HNV3 verwendet, als Grundwerkstoffe werden Baustahl AISI 1022M und Einsatzstahl AISI 5120 eingesetzt. Die resultierenden Bauteileigenschaften nach dem Laserwarmdraht-Auftragschweißen und der Warmumformung wie Härte, Gefüge und Eigenspannungszustand werden vorgestellt. Die Warmumformung bewirkt im Auftragschweißen und in der Wärmeeinflusszone eine Umwandlung von einem Schweißgefüge in ein feinkörniges Umformgefüge. Die Warmumformung beeinflusst den Eigenspannungszustand in der Umhüllung erheblich, wobei der resultierende Eigenspannungszustand von der Werkstoffkombination abhängt.
Laser-Heißdraht-Auftragschweißen, Auftragschweißen, Warmumformung, Eigenspannung, Tailored Forming
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
Die Prozesskette Tailored Forming dient der Herstellung hybrider Bauteile und besteht aus einem Fügeprozess für verschiedene Werkstoffe (z. B. Auftragschweißen), anschließender Warmumformung, spanender Bearbeitung und Wärmebehandlung. Auf diese Weise können Bauteile mit an den Lastfall angepassten Werkstoffen hergestellt werden. In dieser Arbeit werden Hybridwellen durch Auftragschweißen einer Beschichtung aus X45CrSi9-3 auf ein Werkstück aus 20MnCr5 hergestellt. Die Hybridwellen werden dann durch Querkeilwalzen umgeformt. Es wird untersucht, wie sich die Dicke der Schicht und die Art der Abkühlung nach der Warmumformung (an Luft oder in Wasser) auf die Eigenschaften der Schicht auswirken. Die Hybridwellen werden ohne Schichtablösung umgeformt. Allerdings kommt es im Bereich des Lagersitzes durch den Mannesmann-Effekt zu leichten Kernauflockerungen. Die Mikrohärte der Auftragschicht wird durch die Kühlstrategie nur geringfügig beeinflusst, während die Mikrohärte des Grundmaterials bei wassergekühlten Wellen deutlich höher ist. Das Gefüge der Plattierung besteht nach beiden Abkühlstrategien hauptsächlich aus Martensit. Im Grundwerkstoff führt die Luftkühlung zu einem überwiegend ferritischen Gefüge mit Ferrit-Perlit-Körnern. Abschrecken in Wasser führt zu einem Gefüge, das hauptsächlich aus Martensit besteht.
Laser-Heißdraht-Auftragschweißen, Querkeilwalzen, Hybridbauteile, Auftragschweißen
