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Schwerpunktprogramm ,,Oberflächenkonditionierung in Zerspanungsprozessen" (SPP 2086)
Termin:
01.01.2022
Fördergeber:
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Ziel der Arbeiten im Schwerpunktprogramm ist es, für Zerspanungsprozesse unter kombinierter Nutzung von im Prozess einsetzbarer Softsensorik und Prozesswissen in Form von Prozess-, Geometrie- und Werkstoffmodellen dynamische Vorsteuerungen bzw. -regelungen aufzubauen, die es gestatten, in metallischen Bauteilen gleichzeitig definierte Geometrien und Randschichtzustände einzustellen. Damit sollen diese Randschichtzustände und somit auch die Eigenschaften der gefertigten Bauteile, auch bei Vorliegen von beobachtbaren Störgrößen (wie z. B. Halbzeugtoleranzen, Werkzeugeinstellwinkel, anfänglicher Werkzeugverschleißzustand und Maschinenschwingungen) oder verborgenen Störgrößen (wie z. B. Werkzeugverschleiß bzw. -schartigkeit im Eingriff und streuende Materialeigenschaften) im Prozess sichergestellt werden.

Die Arbeiten sind auf zwei Phasen aufgeteilt. Dabei stand in der ersten Phase die Erforschung der notwendigen Zusammenhänge für eine schnelle und robuste Regelung der Fertigungsprozesse, basierend auf meist bekannten Einflussfaktoren auf Randschichtcharakteristika, im Vordergrund der Forschungsarbeiten. Die Analyse der Einflussfaktoren und die Aufbereitung des erforderlichen Prozesswissens in Form von Prozessmodellen sollten zu einem tief gehenden Verständnis der Wirkzusammenhänge führen. Neben der Adaption bekannter Sensoren von Bulkmaterialien auf dünne Randschichtzustände, der Identifikation neuer Messprinzipien und der Nutzung komplexer Sensorik war insbesondere die Softsensorik zu erforschen, sodass gegebenenfalls mehrere Sensoren gemeinsam mit einem Modell zur virtuellen Ermittlung einer an sich unzugänglichen Messgröße genutzt werden können.

In der zweiten Phase sollen nun die Messtechnik und die aus den Wirkzusammenhängen abgeleiteten Prozessmodelle zur dynamischen Vorsteuerung bzw. Prozessregelung eingesetzt werden und die Robustheit der Prozesse hinsichtlich im realen Ablauf unvermeidlicher Störeinflüsse analysiert werden. Damit wird der bereits angesprochene Paradigmenwechsel in der Vorgabe der Prozessstellgrößen vollzogen, weil diese durch die neue Prozessregelung nur noch in gewissen Intervallen vorgebbar sein werden. Dabei steht auch die Auswahl der einzusetzenden Messtechnik hinsichtlich Effizienz, Schnelligkeit, Signifikanz und nicht zuletzt auch Wirtschaftlichkeit im Mittelpunkt des Interesses, sodass die Bedeutung der einzelnen Messsignale hinsichtlich der Regelung des Prozesses auf das oben genannte gewichtete Optimum der einzelnen Zielgrößen zu bewerten sein wird. In dieser zweiten Phase soll zudem arbeitsgruppenübergreifend an der Übertragbarkeit der Mess- und Regel-Konzepte auf weitere Prozesse gearbeitet werden.

Vorgesehen sind Kooperationsprojekte mit Beteiligung von im Allgemeinen zwei Arbeitsgruppen unterschiedlicher Disziplinen (d. h. Fertigungs-, Mess- sowie Werkstofftechnik) in einem gemeinsamen Antrag, um die Komplementarität des Wissens und der Ausstattung sowie die Interdisziplinarität sicherzustellen. In jedem Antrag soll die praktische Umsetzung des verfolgten Ansatzes in einem Fertigungsprozess und somit die Möglichkeit der Verifikation des angestrebten Ansatzes vorgesehen sein.
Die relevanten Forschungsfragen können nur durch enge Kooperation von Fertigungstechnik, Messtechnik sowie Werkstofftechnik erfolgreich beantwortet werden und werden zu völlig neuen Vorgaben von Prozessstellgrößen führen.

Die Fertigungstechnik soll dabei die Prozessführungen für Zerspanungsprozesse ableiten, die hinsichtlich des resultierenden Bauteilzustands regelbar sein müssen und damit nur noch innerhalb zulässiger Grenzen definierbare Prozessstellgrößen aufweisen. Grundsätzlich sollten diese Prozesse bereits ohne die neue Regelung innerhalb der Stabilitätsgrenzen der Werkzeugmaschinen betrieben werden. Zusätzlich sind diese Prozessführungen bezüglich des Störgrößeneinflusses experimentell und in Modellen zu durchdringen und zu dynamischen Fertigungsprozessmodellen weiterzuentwickeln. Die entwickelten Regelungen sollen in der zweiten Phase des Schwerpunktprogramms zur Erzeugung vordefinierter Randschichtzustände genutzt werden, um zu überprüfen, ob die Ursachen für die fertigungsbedingte Veränderung des Randschichtzustands durch die Regelung robust beherrscht werden.

Die Aufgabe der Werkstofftechnik ist es, die eigenschaftsrelevanten Randschichtcharakteristika einschließlich der zu deren Messung geeigneten Prozesskenngrößen zu identifizieren, Messstrategien für die identifizierten Randschichtzustände oder Prozesskenngrößen vorzuschlagen und die Bewertung der Bauteileigenschaften bei der jeweils relevanten Beanspruchung einschließlich der Robustheit der Prozessführung in Form von dynamischen Randschichtmodellen vorzunehmen. Dabei sollen Messverfahren eingesetzt werden, die entgegen aktueller Erfordernisse nicht mehr aufwendige Mikrostrukturanalytik auf Basis mikroskopischer oder integraler Messgrößen nutzen, sondern vielmehr die eigenschaftsrelevanten Randschichteigenschaften auf Basis indirekter Verfahren - z. B. elektrischer Widerstand, Magnetismus, Barkhausen-Rauschen usw. - sicherstellen. Es besteht massiver Forschungsbedarf zur Analyse der oben genannten Wirkzusammenhänge. Hierzu müssen bisher an Bulkmaterialien eingesetzte Sensoren auf dünne Randschichtzustände angepasst werden bzw. für diese neuen Messprinzipien und gegebenenfalls komplexe Sensorik identifiziert werden.

Die Messtechnik wird sich mit der Identifikation relevanter Messgrößen, der Erforschung geeigneter Softsensorik, der Entwicklung schneller und berechenbarer Beobachterstrukturen und der dynamischen Prozessregelung hinsichtlich der Zielgrößen Form und Randschichtzustand zuwenden. Herausforderung ist dabei der erstmalige Einsatz dieser Techniken unter Fertigungsbedingungen (im Prozess), die es zu beherrschen gilt. Die Reaktion bekannter Messverfahren auf geänderte Umgebungsbedingungen ist nur schwer absehbar. Daher müssen Funktionalitäten angepasst, erweitert oder neu entwickelt werden, um die gewünschten Messgrößen mit der geforderten Performance (Geschwindigkeit, Genauigkeit) zu erfassen. Die Signalverarbeitung stellt zudem bei großen Datenmengen (Hochgeschwindigkeitskameras), aufwendiger Verarbeitung der Daten (Verarbeitung von Stereobildern) oder aufwendiger Interpretation (akustische Signale) eine besondere Herausforderung dar. Der Einsatz neuartiger Messtechniken für Randschichtzustände ermöglicht die Ermittlung und Verifikation von physikalischen Prozessmodellen mit bisher nicht erreichtem Detaillierungsgrad. Durch die Modellierung der Messtechnik werden virtuelle Messungen ermöglicht, die eine Grundlage der korrekten Interpretation der Messergebnisse bilden. Damit sollen Randschichtzustände mit einer möglichst geringen Anzahl an Sensoren durch Beobachterstrukturen geregelt, also robust gegenüber externen Einflüssen hergestellt werden. Die entwickelten dynamischen Prozessmodelle werden mit experimentell ermittelten Daten abgeglichen und verifiziert sowie auf Beobachtbarkeit untersucht. Aus den Beobachterstrukturen lassen sich die für die Konvergenz notwendigen Messsignale ableiten, die anschließend im Prozess mittels Softsensoren erfasst werden.

Ansprechpartner:

Prof. Dr.-Ing. Volker Schulze
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Institut für Produktionstechnik (WBK)
Kaiserstr. 12
Geb. 10.91
76131 Karlsruhe
Tel. +49 721 608-42440
E-Mail: volker.schulze@kit.edu

Auskünfte zur Antragstellung bei der DFG erteilen:
Fachlich:
Dr.-Ing. Sebastian Heidrich
Tel. +49 228 885-2834
sebastian.heidrich@dfg.de

Formal:
Gudrun Freitag
Tel. +49 228 885-2623
gudrun.freitag@dfg.de

Weitere Informationen:
www.dfg.de/foerderung/info_wissenschaft/2020/info_wissenschaft_20_54
www.wbk.kit.edu/wbkintern/Forschung/Projekte/SPP2086