Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Intelligente Werkstoffprüfung mit automatisierter Versuchsplanung und Modellidentifikation

Das Ziel dieses Vorhabens besteht darin, „intelligentere“ bzw. iterative Vorgehensweisen für die Werkstoffcharakterisierung als Eingangsdaten für die Werkstoffmodellierung zu entwickeln. Mit Hilfe einer sogenannten iterativen Werkstoffcharakterisierung soll es möglich sein, die Modellauswahl für die Umformsimulation zu unterstützen und die vorgegebene Modellgüte mit minimalem Versuchsaufwand zu erreichen.

Im Gegensatz zu der klassischen Werkstoffcharakterisierung, bei der die Prüfparameter wie z. B. Temperatur und Dehnrate unabhängig vom Materialmodell und dem Werkstoffverhalten bereits vorab festgelegt werden, soll bei der „intelligenten Werkstoffprüfung“ eine iterative Vorgehensweise bei der Werkstoffcharakterisierung angewendet werden: Nach jedem Versuch wird die aktuelle Anpassungsqualität verschiedener Werkstoffmodelle von einem Algorithmus bewertet und für den nächsten Versuch die geeigneten Prüfparameter vorgeschlagen. Dieser neu zu entwickelnde Algorithmus unterstützt den Bediener der Prüfmaschine bei der Versuchsplanung und bei der Bewertung bzw. Auswahl eines passenden Materialmodells. Im Rahmen des Projekts erfolgt eine Erprobung und Validierung dieser Methodik anhand der Charakterisierung von Blechwerkstoffen für die Warmumformung. Aus den Ergebnissen der „intelligenten Werkstoffprüfung“ werden Materialkarten für unterschiedliche Simulationssysteme erstellt. Die Methode wird als eigenständig lauffähiges Programm zur Nutzung mit vorhandenen Prüfmaschinen implementiert.

Für KMU aus den Bereichen Simulation, Werkstoffprüfung als auch für Presswerke und Werkzeugbauer bietet die neue Methodik die Möglichkeit, den Aufwand für Versuche zu reduzieren und somit Kosten für die Erstellung von Werkstoffmodellen einzusparen. Gleichzeitig kann eine vorgegebene Modellgüte kann mit minimalem Versuchsaufwand erreicht werden. Weiterhin können mit diesem Vorhaben wertvolle Impulse im Bereich der Digitalisierung bzw. Automatisierung für die Blechumformung gesetzt werden.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Projekt wurde eine Vorgehensweise entwickelt, welche die derzeitige industrielle Versuchsplanung und -auswertung verbessern soll. Dies wird durch Automatisierung der Versuchsplanung erreicht. Die Versuchsparameter werden dabei nach Wissensgewinn, Zeit und Kosten optimiert. Die Parameter von industriell verbreiteten Materialmodellen können mit überschaubarem Aufwand für Werkstoffe mit unbekanntem Fließverhalten bestimmt werden wobei eine kriterienbasierte Modellauswahl aus einer Reihe vorhandener Modelle erfolgt. Nach erfolgreichem Aufbau der Routinen und Optimierungsschleifen ist es möglich, die Auswahl von Materialmodellen und deren Parametrisierung automatisch vorzunehmen. Es können auch verschiedene Kriterien zur Auswahl der optimalen Versuchsbedingungen aufgebaut, verglichen und über Gewichtungen miteinander gekoppelt werden. Neben der iterativen Versuchsplanung und Parameteridentifikation von Materialkarten wurden zusätzlich die entstehenden Versuchskosten modelliert, damit neben dem zu erwartenden Modellgütegewinn auch die Kostenfunktion bei der Versuchsplanung mit berücksichtigt werden kann.

Zusätzlich wurde ein Workflow entwickelt, um das Datenhandling zwischen der Versuchsdurchführung und der iterativen Versuchsplanung weitgehend zu automatisieren. Bei diesem Workflow wurden aktuelle Entwicklungen aus dem Bereich der Digitalisierung von Werkstoffen eingesetzt und deren Anwendbarkeit demonstriert.

Auf Basis der erzielten Ergebnisse ist es nun grundsätzlich möglich die Versuchsplanung mit einem reduzierten Versuchsumfang und einer höheren Sicherheit bezüglich der Modellgüte durchzuführen. Die Versuchsplanung kann für den betrachtenden Anwendungsfall automatisiert durchgeführt werden, was insbesondere im KMU-Sektor bzgl. Effizient und Wirtschaftlichkeit von Vorteil ist. Die Möglichkeiten als auch die Grenzen bei der Übertragung der Vorgehensweise auf weitere Anwendungsgebiete wurden anhand von Beispielen diskutiert.