Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines lernenden Umwandlungs- und Dilatometermodells zur virtuellen Prozessauslegung von Presshärtprozessen

Thermomechanische Umformprozesse wie das partielle Presshärten erfordern aufwändige Werkstoffuntersuchungen für die Auslegung von Prozessen und Werk-zeugen, die für KMU eine erhebliche finanzielle Belastung darstellen. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, den Aufwand für die Auslegung von Presshärteprozessen durch die Entwicklung eines Daten-basierten Vorhersagemodells zu reduzieren. Konkret sollen Daten, die im Rahmen von Dilatometerversuchen und begleitenden Untersuchungen gewonnen wurden, auf Basis geeigneter Modelle in ein lernendes „virtuelles Umformdilatometer“ überführt werden. Ein kalibriertes virtuelles Umformdilatometer ersetzt reale Dilatometerversuche. Mit dem virtuellen Umformdilatometer sollen besonders die isothermen Umwandlungsvorgänge nach Umformung des unterkühlten Austenits des Stahls 22MnB5 in Ferrit, Perlit und Bainit für die numerische Simulation des partiellen Presshärtens genauer abgebildet werden, um die Bauteileigenschaften nach der Umformung besser vorhersagen zu können. Aufbauend auf experimentellen Daten aus Warmzug- und Dilatometerversuchen soll eine Datenbasis für das virtuelle Dilatometer erstellt werden. Für die Extrapolation zu Versuchsbedingungen, die nicht durch Interpolation der Daten abbildbar sind, werden im virtuellen Dilatometer ein Modell des Umwandlungsverhaltens und ein Daten-basiertes Modell aus dem Bereich der Systemidentifikation implementiert. Auf Basis von Gütekriterien sollen falls erforderlich Versuchsbedingungen für weitere Versuche bestimmt und der Versuchsumfang für die Kalibrierung des virtuellen Dilatometers bei neuen Stahlvarianten oder thermomechanischen Routen drastisch reduziert werden. Um die erarbeiteten Modelle für KMU nutzbar zu machen, wird das virtuelle Dilatometer als Stand-Alone Programm erzeugt und eine Exportschnittstelle für Dilatometerkurven, UZTU und ZTU-Diagramme programmiert. Zudem wird das kalibrierte Modell für die Implementierung in bestehende FEM Systeme vorbereitet.

Das geplante Vorhaben ist für die Schaffung von Basiswissen und für die Entwicklung neuer Produkte, Verfahren und Dienstleistungen geeignet. Durch Steigerung der Entwicklungsgeschwindigkeit und Reduzierung des Versuchsaufwandes ist ein wirtschaftlicher Vorteil und damit eine höhere Wettbewerbsfähigkeit in bestehenden Geschäftsfeldern zu erwarten.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein Stand Alone Tool entwickelt, welches auf Basis eines erweiterten Materialmodells das Umwandlungsverhalten des Stahlwerkstoffs 22MnB5 bei partiellen Presshärteprozessen prognostizieren kann. Durch umfangreiche Versuche konnte zudem das Prozessverständnis im Hinblick auf den Einfluss prozessspezifischer Parameter verbessert werden.

Durch die datenbasierte Erweiterung vorhandener Materialmodelle kann die Prognosegüte der numerischen Prozessauslegung verbessert werden. Vor allem für KMU bietet das Stand Alone Tool eine gute Möglichkeit, auf Basis thermomechanischer Lastpfade, beispielsweise aus der Simulation, die finalen Bauteileigenschaften zu prognostizieren. Umfangreiche experimentelle Versuche, z.B. an einem Umformdilatometer mit anschließender Analyse der Sekundärproben sind daher nicht mehr erforderlich. Vor allem im Hinblick auf die oftmals fehlende experimentelle Ausstattung kleiner und mittlerer Unternehmen bietet das virtuelle Dilatometer einen hohen Mehrwert. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine vertieften Fachkenntnisse im Bereich der Werkstofftechnik erforderlich sind um die Eigenschaften bewerten zu können. Auf Basis der prognostizierten Ergebnisse lassen sich daher entsprechende Maßnahmen bei der Prozessauslegung treffen um robuste Bauteileigenschaften zu gewährleisten.

Des Weiteren verfügt das Tool über eine integrierte Lernfunktion. Diese ermöglicht es, auf Basis einer geringen Anzahl von neuen Untersuchungen das Materialmodell für alternative Legierungen zu kalibrieren. Vor allem im Hinblick auf die stetige Weiterentwicklung von Presshärtelegierungen garantiert die Lernfunktion des virtuellen Dilatometers eine gute Wettbewerbsfähigkeit kleiner und mittlerer Unternehmen. Der experimentelle Aufwand bei der Charakterisierung neuer Legierungen wird durch das Tool reduziert, wodurch ebenfalls die finanzielle und zeitliche Hürde zur Erweiterung des eigenen Produktportfolios sinkt.