Mikrostrukturgeregeltes Freiformschmieden unter Nutzung schneller Prozessmodelle

• Antragsteller: Dr.-Ing. David Bailly, seit 7/2024
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452539735

Das Freiformschmieden wird überwiegend für die Herstellung hochbelasteter Großbauteile genutzt, die in der späteren Anwendung exzellente mechanische Eigenschaften aufweisen müssen. Da diese mechanischen Eigenschaften im Wesentlichen durch die Mikrostruktur des Bauteils bestimmt werden, bestehen die maßgeblichen Anforderungen an den Freiformschmiedeprozess darin, das inhomogene und grobkörnige Guss- in ein feinkörniges Umformgefüge umzuwandeln. Obwohl die Ausprägung des Gefüges im Freiformschmieden wesentlich von den Prozessparametern und der Schmiedefolge abhängt, erfolgt die Prozessauslegung und -ausführung bis heute sehr stark erfahrungsbasiert, sodass im Prozess keine Kontrolle oder Regelung der Mikrostruktur als Kenngröße für die finale Produktqualität stattfindet. Hierbei wird eine ideale Schmiedefolge berechnet, die bestmöglich umzusetzen versucht wird. Bedingt durch die Charakteristika des Freiformschmiedens, wie der Umformtemperatur und Werkstückgröße, kann es in Realität allerdings einfach zu Abweichungen vom „idealen“ Stichplan kommen, die sich durch die Vielzahl der Umformschritte unzulässig akkumulieren können und somit Auswirkungen auf die sich ausbildende Mikrostruktur haben.Das Ziel des hier beantragten Forschungsvorhabens besteht daher grundsätzlich darin, eine Regelung der Mikrostruktur im Freiformschmieden zu realisieren. Die Regelung soll dabei zunächst nach dem „Operator-in-the-Loop“ Konzept ausgeführt werden, bei dem der Pressenbediener als maßgebliche Entscheidungsinstanz im Regelkreis vorgesehen ist. Für die Umsetzung der Regelung werden zunächst am IBF entwickelte schnelle Modelle für Formänderung, Temperatur sowie Mikrostruktur im Prozess als Beobachter genutzt, um aus Oberflächentemperatur sowie der Bauteilgeometrie die im Werkstück vorliegende Mikrostruktur zu berechnen. Ausgehend vom aktuellen Gefügezustand, der unmittelbar aus der vorliegenden Prozessfolge resultiert, werden Vorschläge zur weiteren Prozessabfolge ermittelt und dem Bediener als Entscheidungsinstanz vorgelegt. Hier weist die zu realisierende Prozessregelung somit den Charakter eines Assistenzsystems auf. Hierzu ist es erforderlich, umfassend die Regelbarkeit der Mikrostruktur zu untersuchen und geeignete Algorithmen zu implementieren, welche basierend auf dem Prozessfenster die gewünschte Beeinflussung der Mikrostruktur ermöglichen. Im Rahmen der eigenen Vorarbeiten konnte gezeigt werden, dass die Mikrostruktur wesentlich von den gewählten Prozessparametern abhängt und somit die Regelbarkeit grundsätzlich zu erwarten ist. Somit soll in der ersten Förderperiode ein Gesamtsystem realisiert werden, in dem ein Bediener die Vorschläge des Assistenzsystems evaluiert und die Entscheidung darüber trifft, wie der Prozess weitergeführt wird. Eine mögliche zweite Förderperiode zielt auf eine hinreichende Verbesserung des Systems ab, um eine vollautomatische Regelung der Mikrostruktur im Freiformschmieden zu verwirklichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gerhard Hirt, bis 6/2024