Zugl.: Dortmund, Universiẗat, Diss., 2008.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008.

Universiẗat-Gesamthochsch., Diss.--Paderborn, 1996.

Um immer strengere Umweltauflagen zu erfüllen, wird zur Gewichtsreduzierung bei Automobilen auf Leichtbau gesetzt. Infolgedessen findet auch beim Herstellen von Karosserieblechteilen ein verstärktes Ausreizen des Werkstoffes statt. Erschwert wird dies durch den Trend zu komplexeren Bauteilgeometrien und markanterer Designsprache. Daher wird der Herstellungsprozess mehr und mehr an den Grenzbereichen der Stabilität betrieben. Piezoelektrische Aktoren (PA) können dabei so eingesetzt werden, dass der Umformprozess um zusätzliche Einflussparameter erweitert wird. Sie beeinflussen dabei die Materialbewegung lokal und können dadurch zu einer Steigerung der Effizienz beitragen. Im Rahmen der Dissertation wurden PA in die Matrize eines Großserien-Umformwerkzeugs (Karosseriebauteil einer Reserveradmulde) implementiert und hinsichtlich der Eignung für die Prozessregelung untersucht. Dabei wurden verschiedene Sensoren berücksichtigt, wobei sich Triangulationslaser zur Messung der Materialbewegung an der Platinenkante am besten eigneten. Es wurde die Wechselwirkung der PA auf die Materialbewegung empirisch und unter Verwendung statistischer Versuchsplanung ermittelt. Ein FE-Modell unterstützte die Prozessbeschreibung. Aus den Versuchsergebnissen wurde mittels Regressionsanalyse ein Polynomialmodell zur weiteren Untersuchung berechnet. Ausgehend von den Erkenntnissen über das Prozessverhalten wurden unter Verwendung der getesteten Sensoren Regelkreise aufgebaut. Zum einen wurde ein iterativer Ansatz untersucht, der nach jedem Umformvorgang die Regelabweichung ermittelt und durch Einsetzen der PA versucht, diese im Folgehub zu minimieren. Es konnte nachgewiesen werden, dass der Prozess auf diese Weise stabilisiert werden kann. Des Weiteren wurde eine In-Prozess-Regelung implementiert, welche die Regelabweichung kontinuierlich über den Prozess minimierte. Als Führungsgröße wurde eine Referenzkurve aus einer Schar von Gutteilen verwendet. Es zeigten sich eine verbesserte Bauteilqualität und ein Ausgleichen von Störgrößen.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 2 Wissenschaftlicher Erkenntnisstand 2.1 Grundlagen der Blechumformung 2.2 Prozessregelung eines Umformvorgangs 2.3 Messeinrichtungen in Umformprozessen 2.4 Piezoelektrische Aktoren in Umformwerkzeugen 2.5 Diskussion zum wissenschaftlichen Erkenntnisstand 3 Auswahl großserientauglicher Sensorik zum Aufbau der Prozessregelung 3.1 Anforderungen an großserientaugliche Sensorik 3.2 Bewertungsmatrix einer Auswahl großserientauglicher Sensoren 4 Forschungsschwerpunkte und -hypothesen 5 Voruntersuchungen 5.1 Vorstellung des Versuchswerkzeug sowie der -geometrie 5.2 Untersuchung potenzieller Sensoren auf Beobachtbarkeit des Prozesses 5.3 Untersuchung der piezoelektrischen Aktoren 5.3.1 Prozessbeschreibung mit integrierten piezoelektrischen Aktoren 5.3.2 Versuchsaufbau mit integrierten piezoelektrischen Aktoren 5.3.3 Untersuchung der piezoelektrischen Aktoren auf Eignung im Prozess 5.3.4 Untersuchung der piezoelektrischen Aktoren auf Steuerbarkeit des Prozesses 6 Modellbildung 6.1 Versuchsplanung 6.2 Modellarten 6.3 Versuchsergebnisse und Modellvorstellung 6.4 Modellvergleich der Ziehkissenarten auf den Einfluss der PA 7 Prozessregelungsansätze 7.1 Iterative Regelung der Materialbewegung 7.1.1 Aufbau und Grundlagen der iterativen Regelung 7.1.2 Verifikation 1: Konvergenzverhalten bei gesetzten Zielen 7.1.3 Verifikation 2: Prozessregelung bei Prozessgrenzenüberschreitung 7.1.4 Diskussion der iterativen Prozessregelung 7.2 In-Prozess-Regelung der Materialbewegung 7.2.1 Aufbau und Grundlagen der In-Prozess-Regelung 7.2.2 Verifikation der In-Prozess-Regelung anhand empirischer Versuche 7.3 Ergebnisdiskussion und Gegenüberstellung der Regelungsansätze 8 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Allgemeine Ergänzungen

Modellbasierte virtuelle Sensoren (VS) ermöglichen die Messung von qualitätsbestimmenden Prozessparametern (bzw. Hilfsregelgrößen) dort, wo eine direkte Messung zu teuer oder gar nicht möglich ist. Für die adaptiven VS, die ihr internes Prozessmodell nach Data-Driven-Methode bilden (z. B. durch die Benutzung künstlicher neuronaler Netze (KNN)), besteht das Problem der Abschätzung der Prädiktionsstabilität. Aktuelle Lösungsansätze lösen dieses Problem nur für wenige KNN-Typen und erfordern enormen Entwurfs- und Rechenaufwand. In dieser Arbeit wird eine alternative Methode vorgestellt, welche für eine breite Klasse von KNN gilt und keinen hohen Entwurfs- und Rechenaufwand erfordert. Die neue Methode wurde anhand realer Anwendungsbeispiele getestet und hat sehr gute Ergebnisse geliefert. Für die nicht adaptiven virtuellen Sensoren wurde eine aufwandsreduzierte Adaption nach Smith-Schema vorgeschlagen. Dieses Verfahren ermöglicht die Regelung totzeitbehafteter und zeitvarianter Prozesse mit VS in einem geschlossenen Regelkreis. Im Vergleich zu anderen Regelungsstrategien konnte damit vergleichbare Regelungsqualität bei einem deutlich geringeren Entwurfsaufwand erzielt werden. / Model-based virtual sensors allow the measurement of parameters critical for process quality where a direct measurement is too expensive or not at all possible. For the adaptive virtual sensors built after data-driven method (e.g., by use of an ANN model) there is a problem of the prediction stability. Current solutions attempt to solve this problem only for a few ANN types and require a very high development effort. In this dissertation a new method for the solution of this problem is suggested, which is valid for a wide class of the ANNs and requires no high development effort. The new method was tested on real application examples and has delivered very good results. For the non-adaptive virtual sensors a simple adaptation mechanism was suggested. This technique allows the control of dead-time and time-variant processes in closed loop. Besides, in comparison to other control strategies the comparable results were achieved with smaller development effort.

Modellbasierte virtuelle Sensoren (VS) ermöglichen die Messung von qualitätsbestimmenden Prozessparametern (bzw. Hilfsregelgrößen) dort, wo eine direkte Messung zu teuer oder gar nicht möglich ist. Für die adaptiven VS, die ihr internes Prozessmodell nach Data-Driven-Methode bilden (z. B. durch die Benutzung künstlicher neuronaler Netze (KNN)), besteht das Problem der Abschätzung der Prädiktionsstabilität. Aktuelle Lösungsansätze lösen dieses Problem nur für wenige KNN-Typen und erfordern enormen Entwurfs- und Rechenaufwand. In dieser Arbeit wird eine alternative Methode vorgestellt, welche für eine breite Klasse von KNN gilt und keinen hohen Entwurfs- und Rechenaufwand erfordert. Die neue Methode wurde anhand realer Anwendungsbeispiele getestet und hat sehr gute Ergebnisse geliefert. Für die nicht adaptiven virtuellen Sensoren wurde eine aufwandsreduzierte Adaption nach Smith-Schema vorgeschlagen. Dieses Verfahren ermöglicht die Regelung totzeitbehafteter und zeitvarianter Prozesse mit VS in einem geschlossenen Regelkreis. Im Vergleich zu anderen Regelungsstrategien konnte damit vergleichbare Regelungsqualität bei einem deutlich geringeren Entwurfsaufwand erzielt werden. / Model-based virtual sensors allow the measurement of parameters critical for process quality where a direct measurement is too expensive or not at all possible. For the adaptive virtual sensors built after data-driven method (e.g., by use of an ANN model) there is a problem of the prediction stability. Current solutions attempt to solve this problem only for a few ANN types and require a very high development effort. In this dissertation a new method for the solution of this problem is suggested, which is valid for a wide class of the ANNs and requires no high development effort. The new method was tested on real application examples and has delivered very good results. For the non-adaptive virtual sensors a simple adaptation mechanism was suggested. This technique allows the control of dead-time and time-variant processes in closed loop. Besides, in comparison to other control strategies the comparable results were achieved with smaller development effort.

Themen wie Verfügbarkeit der Rohstoffe, Materialsubstitution, Umweltverträglichkeit, Schonung der Ressourcen, aber auch Produktionskosten werden immer häufiger als Bewertungskriterien herangezogen. Die Notwendigkeit der intensiven Zusammenarbeit unterschiedlicher Fachdisziplinen rückt immer mehr in den Mittelpunkt, wenn innovative Lösungen für neue Anwendungen gefragt sind. Das Projekt AMARETO wurde mit dem Ziel initiiert, im Rahmen einer engen Kooperation der TU Bergakademie Freiberg, der TU Dresden, der TU Chemnitz und des Fraunhofer IWU deren herausragende Spitzenforschung zusammenzuführen und praxisnah umzusetzen, um die anwendungsnahe Forschung weiter voranzutreiben und den wissenschaftlichen Vorlauf in Sachsen wertschöpfend zu verankern. Unter dem Motto »Vom Werkstoff zum ressourcenschonenden Produkt« trafen sich am 31. Mai 2018 Vertreter von Politik, Wirtschaft und Wissenschaft in Chemnitz zum ersten AMARETO-Kolloquium, um aktuelle Fragestellungen in den Bereichen Werkstoff-, Bauteil und Prozessentwicklung zu diskutieren. Im vorliegenden Tagungsband berichten die Projektmitarbeiter und -leiter gemeinsam über ihre aktuellen Forschungsergebnisse. Wesentlicher Ansatz des Projekts AMARETO ist es, die im Rahmen der Produktentstehung zu bearbeitenden Teilaufgaben – Entwicklung der Werkstoffe, Gestaltung und Dimensionierung von Bauteilen sowie Erarbeitung von Produktionsstrategien – enger miteinander zu verknüpfen und parallel sowie abgestimmt zu bearbeiten. Dies spiegelt sich im Tagungsband durch die Einbeziehung der Bereiche Smart Material, Smart Design und Smart Production wider. / Topics such as availability of raw materials, material substitution, environmental compatibility, conservation of resources, but also production cost are increasingly used as criteria for evaluation. The need for intensive cooperation between different disciplines becomes more and more important when innovative solutions for new applications are required. The AMARETO project was initiated with the aim of bringing together the outstanding top-level research of TU Bergakademie Freiberg, TU Dresden, TU Chemnitz and Fraunhofer IWU within the framework of close cooperation. A further project goal is the implementation of this research in a practical manner in order to further advance application-oriented research and anchor the scientific lead in Saxony in a value-adding manner. On 31 May, 2018 representatives from politics, industry and science met in Chemnitz for the first AMARETO colloquium under the heading 'From material to resource-saving product' to discuss current issues in the areas of development regarding materials, components and processes. In these conference proceedings, the project members and managers report together on their current research results. The main approach of the AMARETO project is to closely link the required subtasks of product development with each other - development of materials, design and dimensioning of components as well as the development of production strategies - and to work on them in parallel and in a coordinated manner. This is reflected in the conference proceedings due to the inclusion of the areas of Smart Material, Smart Design and Smart Production.

Konsequent betriebener Leichtbau führte und führt weiterhin zu steigender Komplexität in der Blechumformung. Erkenntnisse aus Forschungsaktivitäten zur gezielten Beeinflussung, Regelung und Vollautomatisierung des Tiefziehprozesses konnten jedoch bisher nicht in Großserienpresswerke transferiert werden. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein Werkzeugkonzept vorgestellt, welches unter Berücksichtigung der relevanten Randbedingungen eine gezielte lokale Beeinflussung des Umformprozesses ermöglicht. Gleichzeitig gestattet es, mit Hilfe eines neuartigen, optischen Sensorkonzeptes die Geschwindigkeit sowie den Einlaufweg der Platine zu überwachen. Es wird eine methodische Vorgehensweise zur Herstellung von Umformwerkzeugen, auf der neuen Konzeption basierend, beschrieben. Umformsimulationen dienen dabei zur Identifikation von kritischen Bauteilen und deren neuralgischen Zonen. Eine entsprechend angepasste Konstruktion bietet Bauraum für die Implementierung von zusätzlichen Aktuatoren und einem definiert elastischen Einsatz. Abschließende FEM-Analysen mit Volumenmodellen sowie die Kalkulation der Lebensdauer bestätigen eine ausreichende Flexibilität und die erforderliche Dauerfestigkeit. Im Rahmen der experimentellen Analyse konnte eine drastische Verkürzung der Anlaufzeit durch deutlich reduzierten Tuschieraufwand aufgrund der Anpassungsfähigkeit sowie Flexibilität des definiert elastischen Werkzeugkonzeptes nachgewiesen werden. Neben diesem Potential hinsichtlich strukturierter Inbetriebnahmen ermöglicht die Konzeption eine Kompensation von Pressenunterschieden und individuellen Maschinencharakteristika (wie bspw. Stößelverkippungen) wodurch der Transfer von der Einarbeitspresse auf die Produktionsanlage wesentlich weniger Korrekturschleifen hervorruft. Außerdem werden der Qualitätsaufwand (Nachtuschieren) während der laufenden Serienproduktion, Stillstandszeiten und Ausschussquoten stark verringert. Darüber hinaus ergeben sich erweiterte Anwendungsmöglichkeiten bei der Umformung von tailored blanks und aus der Minimierung/Optimierung des Platinenzuschnittes enorme Einsparungs- und Kostenpotentiale. Abschließend werden die Vorteile eines geschlossenen Prozessregelkreises durch die Verknüpfung von Sensorik und Aktorik analysiert. Dabei bestätigt das vorgeschlagene Regelkonzept einer Prozessnachführung die Erhöhung der Prozessstabilität bei schwankenden Prozessparametern durch die gezielte, lokale Verteilung der Flächenpressung. Zuletzt diskutiert der vorliegende Beitrag Transfermöglichkeiten der Verbesserungspotentiale in kommende Serienwerkzeuge vor dem Hintergrund von Kostenrestriktionen und Minimierung des bedientechnischen sowie konstruktiven Aufwandes.

Konsequent betriebener Leichtbau führte und führt weiterhin zu steigender Komplexität in der Blechumformung. Erkenntnisse aus Forschungsaktivitäten zur gezielten Beeinflussung, Regelung und Vollautomatisierung des Tiefziehprozesses konnten jedoch bisher nicht in Großserienpresswerke transferiert werden. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein Werkzeugkonzept vorgestellt, welches unter Berücksichtigung der relevanten Randbedingungen eine gezielte lokale Beeinflussung des Umformprozesses ermöglicht. Gleichzeitig gestattet es, mit Hilfe eines neuartigen, optischen Sensorkonzeptes die Geschwindigkeit sowie den Einlaufweg der Platine zu überwachen. Es wird eine methodische Vorgehensweise zur Herstellung von Umformwerkzeugen, auf der neuen Konzeption basierend, beschrieben. Umformsimulationen dienen dabei zur Identifikation von kritischen Bauteilen und deren neuralgischen Zonen. Eine entsprechend angepasste Konstruktion bietet Bauraum für die Implementierung von zusätzlichen Aktuatoren und einem definiert elastischen Einsatz. Abschließende FEM-Analysen mit Volumenmodellen sowie die Kalkulation der Lebensdauer bestätigen eine ausreichende Flexibilität und die erforderliche Dauerfestigkeit. Im Rahmen der experimentellen Analyse konnte eine drastische Verkürzung der Anlaufzeit durch deutlich reduzierten Tuschieraufwand aufgrund der Anpassungsfähigkeit sowie Flexibilität des definiert elastischen Werkzeugkonzeptes nachgewiesen werden. Neben diesem Potential hinsichtlich strukturierter Inbetriebnahmen ermöglicht die Konzeption eine Kompensation von Pressenunterschieden und individuellen Maschinencharakteristika (wie bspw. Stößelverkippungen) wodurch der Transfer von der Einarbeitspresse auf die Produktionsanlage wesentlich weniger Korrekturschleifen hervorruft. Außerdem werden der Qualitätsaufwand (Nachtuschieren) während der laufenden Serienproduktion, Stillstandszeiten und Ausschussquoten stark verringert. Darüber hinaus ergeben sich erweiterte Anwendungsmöglichkeiten bei der Umformung von tailored blanks und aus der Minimierung/Optimierung des Platinenzuschnittes enorme Einsparungs- und Kostenpotentiale. Abschließend werden die Vorteile eines geschlossenen Prozessregelkreises durch die Verknüpfung von Sensorik und Aktorik analysiert. Dabei bestätigt das vorgeschlagene Regelkonzept einer Prozessnachführung die Erhöhung der Prozessstabilität bei schwankenden Prozessparametern durch die gezielte, lokale Verteilung der Flächenpressung. Zuletzt diskutiert der vorliegende Beitrag Transfermöglichkeiten der Verbesserungspotentiale in kommende Serienwerkzeuge vor dem Hintergrund von Kostenrestriktionen und Minimierung des bedientechnischen sowie konstruktiven Aufwandes.