Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Prognosetool für Plasmanitierprozesse zur Randschichtbehandlung von Werkzeugen und Bauteilen

„Prognosetool für Plasmanitrierprozesse zur Randschichtbehandlung von Werkzeugen und Bauteilen (ProgPlas)“

Abstract

Plasmanitrieren ist ein etabliertes Verfahren zur Randschichthärtung. Das Wissen im Bereich des Plasmanitrierens basiert in der Regel auf Erfahrungswerten. Dadurch gibt es ein Defizit an fundierten Korrelationen zwischen den Nitrierparametern, dem Nitrierergebnis und den Bauteileigenschaften. Als übergeordnetes Ziel des Vorhabens soll eine verbesserte und reproduzierbare Nutzung von Plasmanitrierbehandlungen entstehen. Dies ist durch eine genauere Vorhersage des Nitrierergebnisses in Abhängigkeit industriell relevanter Prozess- und Werkstoffkenngrößen möglich. Ausgewählte Werkstoffe werden unter Variation der Prozessparameter sowie der Bauteilgeometrie plasmanitriert und anschließend mit Hilfe verschiedener Verfahren der Werkstoffprüfung charakterisiert. Im nächsten Schritt wird ein Künstliches Neuronales Netz modelliert, das bei Variation der einzelnen Prozess- und Werkstoffparameter eine zuverlässige Aussage über die lokal zu erwartenden Nitrierergebnisse unter Berücksichtigung der Bauteilgeometrie liefert und darauf aufbauend eine Berechnung geeigneter Nitrierparameter ermöglicht. Das Prognosemodell wird dem industriellen Anwender mit einer einfach zu bedienenden Benutzeroberfläche bereitgestellt. Projektbegleitend wird das entwickelte Prognosetool auf den Anlagen der beteiligten Lohnbehandler validiert. Das Vorhaben bietet erhebliches Innovationspotential für die beteiligten Unternehmen, da Behandlungsfehler und unzureichende Behandlungsergebnisse minimiert werden. Darüber hinaus erfolgt eine Reduzierung des Zeit- und Kostenaufwandes bei der Prozessauslegung. Die Vorhersage des Nitrierergebnisses kann bereits in der Konstruktionsphase von Bauteilen erfolgen und ermöglicht eine höhere Bauteilqualität und -lebensdauer durch angepasste Nitrierverfahren.

Ergebniszusammenfassung:

In dem Forschungsvorhaben wurde mittels verschiedener umfangreicher Versuchsreihen bestehend aus einer Vielzahl an Plasmanitrierprozessen ein Prognosetool zu Vorhersage von Plasmanitrierergebnissen entwickelt. Das Prognosetool basiert auf einem künstlichen neuronalen Netzwerk (KNN), welches experimentelle Datensätze zum Training und zur Validierung verwendet.

Durchgeführt wurden 42 Plasmanitrierprozesse mit je 12 Werkstoffproben. Daraus ergeben sich insgesamt über 500 untersuchte Proben an denen Mikrohärtemessungen und Gefügeaufnahmen erstellt worden sind.

Unternehmen haben einen großen Zeitvorteil bei der Auslegung angepasster Nitrierprozesse. In der Vergangenheit mussten in der Regel Vorprozesse durchgeführt werden als auch aufwendige metallographische Analysen, um das Nitrierergebnis beurteilen zu können. Diese Arbeiten entfallen zukünftig, da eine Vielzahl an Versuchen im Rahmen dieses Vorhabens durchgeführt worden sind, die eine grundlegende Datenbasis darstellen. Damit einher geht die Vorhersage des Ergebnisses, welches in der Konstruktionsphase von Werkzeugen und Bauteilen bereits mitberücksichtigt werden kann.

Der Anwender, der Werkzeuge und Bauteile mit angepassten Plasmanitrierergebnissen einsetzt, hat darüber hinaus eine verbesserte Bauteilqualität und -lebensdauer, durch die angepassten Prozessparameter.