Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Qualifizierung eines vereinfachten Ersatzmodells zur Prozesssteuerung beim Walzrunden großer Blechdicken für hohe Umformgrade

Das Ziel des beantragten Forschungsvorhabens stellt die Entwicklung eines vereinfachten Berechnungsmodells zur Prognose des Umformergebnisses beim Walzrunden großer Blechdicken dar. Für die Automatisierung des derzeit rein manuell gesteuerten Walzrundprozesses für große Blechdicken ist die echtzeitfähige Prognose des Umformverhaltens zur Ableitung der notwendigen Zustellgrößen bei geringen Losgrößen ein großes Problem, da bei numerischen Simulationen (FEM) die erforderlichen Zykluszeiten nicht gewährleistet werden können und Materialschwankungen zu Abweichungen im Umformverhalten führen.

Als Ergebnis der Forschungsarbeit wird daher die Entwicklung und Erprobung eines Berechnungsalgorithmus für die Fertigung von Rohren großer Blechdicken durch kleine mittelständische Unternehmen (KMU) angestrebt. Zu diesem Zweck wird basierend auf einer Untersuchung des Eigenspannungszustandes und einer numerischen Sensitivitätsanalyse ein mathematisches Modell zur Abschätzung der charakteristischen Spannungsverteilung während der Umformung entwickelt. Mithilfe dieses mathematischen Modells kann die Plattenumformung über einen geometrischen Ansatz prognostiziert werden. Neben der Prognose für die Steuerung des Umformprozesses beschreibt die Rückführung des realen Umformverhaltens durch eine geeignete Prozessüberwachung ein weiteres Ergebnis des Forschungsvorhabens. Aus diesem Grund wird aufbauend auf den Forschungsergebnissen ein geeignetes Messverfahren entwickelt, mit dem die Prozessüberwachung auch für bestehende Walzanlagen ergänzt werden kann. Die entwickelten Ansätze können unter Laborbedingungen verifiziert und anschließend an einer bestehenden Walzanlage eines im projektbegleitenden Ausschuss involvierten Betriebs erprobt werden

Besonders kleine Fertigungsbetriebe können von dem entwickelten Algorithmus vollumfänglich profitieren, da sie auch bei geringen Losgrößen wirtschaftlicher produzieren können und somit ein Wachstum entlang der gesamten Wertschöpfungskette ermöglichen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde ein empirisches Prognosemodell entwickelt, mit dem das zu erwartende

Umformergebnis beim Walzrunden vorhergesagt werden kann. Dazu beruht das Modell auf einem künstlichen neuronalen Netz (KNN), welches auf Prozessdaten trainiert wird. Für die Aufzeichnung der Prozessdaten wurde in dem Projekt eine berührungslose optische Prozessüberwachung entwickelt, welche aus einem Laserdistanzsensor und einem Drehgeber besteht. Die Prozessüberwachung wurde damit so konzipiert, dass sie einfach und kostengünstig an bereits bestehenden Rundbiegemaschinen nachgerüstet werden kann und zudem unabhängig von der Baugröße der Rundbiegemaschine funktionieren kann. Mithilfe der Prozessüberwachung wird das Umformverhalten eines Blechs in der Form des lokalen Krümmungsradius über der Blechlänge vermessen. Da das KNN auf diesen Daten trainiert wird, erfolgt die Umformprognose ebenfalls in dieser Dateiform. Damit die Umformprognosen des KNN auch geometrisch visualisiert werden können, wurde in dem Projekt ein Berechnungsalgorithmus entwickelt, mit dem die Krümmungsradius-Blechlänge-Beziehung als

Krümmungskontur dargestellt werden kann.

Im Rahmen des Projekts wurde anhand von synthetischen Prozessdaten, die mithilfe von FE-Simulationen generiert wurden, nachgewiesen, dass das Umformergebnis mithilfe der Prozessüberwachung zuverlässig vermessen werden kann und dass das Prognosemodell zuverlässige Umformprognosen aufstellen kann. Aufbauend auf der numerischen Untersuchung wurde ein Demonstrator für das Prognosemodell und die Prozessüberwachung entwickelt und in Praxisversuchen an einer realen Rundbiegemaschine erprobt. In dieser Untersuchung konnte bestätigt werden, dass das Prognosemodell und die Prozessüberwachung vielversprechende Ansätze darstellen, um einen Anlagenbediener bei der Steuerung des Walzrundens zu unterstützen. Durch die einfache Nachrüstbarkeit sind die Entwicklungen insbesondere für die Umsetzung bei KMU interessant.