Kompensationsmethoden

   

Leitung: Prof. Dr.-Ing. Arnold Gillner
Lehrstuhl für Lasertechnik LLT

Die Arbeitskreisgruppe Kompensationsmethoden führt die unterschiedlichen Methoden zur Vermeidung und Kompensation von Prozessfehlern und geometrischen Bauteilabweichungen, die aus dem Schmelzfluss, dem Wärmeflusses oder auch der Erstarrung resultieren. Übergreifend über die verschiedenen Prozesse werden Mechanismen zur Kompensation auftretender Fehler in Bezug auf Verzug, Lunkerbildung, Ausbildung von Oberflächenfehlern und anderen qualitätsmindernden Effekten bei schmelzbasierten Fertigungsprozessen diskutiert und gemeinsame Lösungsszenarien erarbeitet. Entsprechend der Struktur des SFB 1120 spiegelt dieser AK die Möglichkeiten zur Erfüllung der Zielsetzung bzgl. Verringerung der Fehlerrate und Verbesserung der Fertigungsgenauigkeit wider.

 

Die Arbeitskreise

K1: In-situ-Prozessgrößenerfassung und Prozessregelung

Der Arbeitskreis in-situ-Prozessgrößenerfassung und Prozessregelung befasst sich mit den Eingriffsmöglichkeiten in die verschiedenen schmelzbehafteten Prozesse, um mittels in-situ-Prozessgrößenerfassung eine Prozessregelung oder -steuerung vorzunehmen. Durch die Vertiefung des Verständnisses der verschiedenen Prozesse in den Projektphasen 1 und 2 wurden die Regelungsstrategien für Phase 3 weiterentwickelt. Die für die einzelnen Prozesse charakteristische Schmelz- und Erstarrungsdynamik wurde evaluiert und die Implementierung einer zeitlich dynamischen Regelung in Betracht gezogen. In diesem Zusammenhang wurde die in-situ-Detektion und -Bestimmung der ausgewählten Prozessparameter thematisiert und die geeignete Sensortechnik unter Berücksichtigung der zeitlichen Auflösungen bestimmt. Photodioden werden beispielsweise beim Laserschneiden eingesetzt, um geometrische und thermische Prozessinformationen in Echtzeit zu erfassen. Sie können die elektromagnetische Strahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen mit sehr hoher zeitlicher Auflösung bis in den MHz-Bereich erfassen, was eine Prozessauswertung in Echtzeit begünstigt. Darüber hinaus wird die Absicherung der Messung bzw. die Aussagekraft der Messsignale mit in-situ Prozessanalysen, wie zum Beispiel Röntgenuntersuchungen mittels Synchrotron-Strahlung am Deutschen-Elektronen Synchrotron in Hamburg (DESY), korreliert.

Aktive Mitglieder: A01, A02, A04, A07, A08, A10, A11, A12 , B03

 

K2: Materialbeeinflussung / Gefügezusammensetzung

Der Arbeitskreis Materialbeeinflussung / Gefügezusammensetzung befasst sich auf mehreren Ebenen mit der Einstellung von erwünschten Gefüge- und Phasenausbildungen in der erstarrten Schmelze. Durch die große Vielzahl der in den TP untersuchten Prozessen (bspw. Löten, Schweißen, Spritzgießen) und die verwendeten Werkstoffe (verschiedenste Legierungen, Kunststoffe) lag der Fokus in Phase zwei auf a) dem Austausch zu in den TP erzielten Ergebnissen und b) auf der gegenseitigen Unterstützung mit Analyse- bzw. Simulationsmethoden. So entstand aus dem AK K2 heraus eine gemeinsame Publikation von A11 und B07 zur Simulation von nicht-Gleichgewichtserstarrung im Laserauftragschweißen. Als TP-übergreifende Herausforderungen wurden die repräsentative und statisch aussagekräftige Bewertung von Mikrostrukturen und die oftmals unzureichend bekannten materialspezifischen Kennwerte bei hohen Temperaturen identifiziert. Zur Bestimmung dieser Kennwerte wurde u.a. die Flash-Differential Scanning Kalorimetrie (TP B04) zur Verfügung gestellt. In Phase 3 unterstützt der AK K2 die TP weiterhin bei der Umsetzung der gewonnenen Erkenntnisse zur Material-/Gefügebeeinflussung durch Kompetenzaustausch und der Bereitstellung notwendiger Analytikinstrumente.

Aktive Mitglieder: A05, A06, A07, A11, A12, B04 , B07

 

K3: Thermische Kompensation bei der Prozessführung in komplexen Geometrien

Das Energiemanagement in allen schmelzbasierten Fertigungsprozessen ist Grundbestandteil für die präzise Steuerung der Bauteilqualität. Dazu wird in Arbeitskreis K3 Thermische Kompensation bei der Prozessführung in komplexen Geometrien die gezielte thermische Beeinflussung der Schmelze in den Prozessen betrachtet. Hierbei wird mit gezielter Energieeinbringung bzw. Energieabfuhr gearbeitet und die entstehenden Effekte, wie Schrumpfung, Verzug, Überhitzen der Schmelze mit Schmelzauswurf und für Gießprozesse Abformgenauigkeiten betrachtet. Das in Phase 2 entwickelte Schichtsystem zur aktiven Temperierung und in-situ Temperaturmessung wird teilprojektübergreifend und prozessspezifisch weiterentwickelt, siehe auch TP A12 [E1]. Dieses ermöglicht die örtlich aufgelöste Energieeinbringung mittels einer Sensormatrix auf beispielsweise Oberflächen von Gusswerkzeugen. Weiterhin kann diese Sensormatrix zur ortsaufgelösten Temperaturbestimmung im Werkzeug oder bei Fügeprozessen genutzt werden. Ziel ist die bedarfsgerechte dynamische Temperierung zur Verzugskompensation sowie die Entwicklung von Prozessstrategien des Energiemanagements durch ortsaufgelöste Messung der Temperatur in den unterschiedlichen Prozessen.

Aktive Mitglieder: A01, A10, A11, A12, B01, B08

 

K4: Form-Kompensation bei komplexen Geometrien in Spritzguss und Gießprozessen

Der Fokus dieses Arbeitskreises liegt auf der geometrischen Kompensation. Es werden insbesondere Methoden erarbeitet und angewendet, welche auch mit komplexen Geometrien einsetzbar sind. Einer der Schwerpunkte der gemeinsamen Arbeiten in diesem Arbeitskreis besteht darin, Kompensationsmethoden, welche für Spritzgussverfahren entwickelt wurden, auch für Gießprozesse mit metallischen Werkstoffen nutzbar zu machen. Eine Methode zur Bestimmung eines optimalen Kühlkanallayouts im Spritzguss, welche in Projekt B01 entwickelt wird, konnte hier bereits erfolgreich in Projekt B08 für das Schwerkraftkokillengießen adaptiert werden. Hierdurch ließ sich die relative Streuung des Verzuges reduzieren. Des Weiteren werden in Projekt B02 Methoden zur geometrischen Kompensation durch Anpassung der Spritzgusskavität entwickelt. Diese Ansätze wurden auch bereits testweise in Kooperation mit Projekt B09 für das Kokillengießen ausprobiert. In diesem Zusammenhang gibt es Kooperationspotenzial insbesondere mit Bezug auf eine optimierungsgeeignete, niedrig-dimensionale Geometriebeschreibung, ein geeignetes Zielfunktional und die verwendeten Optimierungsmethoden. Neben der Übertragung von Methoden mit Kunststoff- bzw. Spritzgussausrichtung auf metallische Werkstoffe und entsprechende Verfahren gibt es auch vielversprechende Kollaborationsmöglichkeiten zwischen den Projekten, welche auf Kunststoffe fokussiert sind. Konkret wird in den Projekten B01 und B02 eine Kombination der Optimierungsverfahren für die Auslegung des Kühlkanallayouts und der Kavitätsgeometrie angestrebt.

Aktive Mitglieder: A02, B01, B02, B08, B09

 

K5: Schmelzströmungsbeeinflussung

Der für Phase 3 neu etablierte Arbeitskreis Schmelzströmungsbeeinflussung behandelt gezielt die Beeinflussung der Strömung in hochdynamischen, schmelzbasierten Prozessen. Die Schmelzströmung, hervorgerufen durch thermische Gradienten im Prozess sowie mechanische Kräfte und Drucke ist maßgeblich für die Bauteilqualität, speziell der Oberflächenrauheit und der Porenbildung verantwortlich. Der teilprojektübergreifende Austausch bezieht sich dabei auf die Entwicklung von Kompensationsstrategien zur Beeinflussung der Schmelzströmung. Ansätze zur Beeinflussung behandeln dabei die prozessabhängige Anpassung der Anzahl an Energiequellen, magnetischer Felder oder der Zuführung weiterer Legierungselemente. Die aus Phase 2 etablierte Diagnosemethodik der Phasenkontrast-Bildgebung mittels Synchrotron-Strahlung wird als zentrales Tool eingesetzt, um abgeleitete Kompensationsmethoden in Bezug auf die Schmelzströmung zu bewerten und weiterzuentwickeln.

Mitglieder: A01, A03, A04, A07, A08, A09, A11

 

K6: Numerische Optimierungsstrategien für Kompensationsmaßnahmen

Das Einstellen und Einhalten eines robusten Prozessfensters, in dem eine definierte Qualität erzielt wird, ist wesentliches Element jeder Kompensationsstrategie. Die zugrundeliegende Aufgabenstellung ist in aller Regel als inverse Aufgabe formuliert, bei der passende Eingangsparameter für einen definierten Satz von Qualitätskennzahlen zu ermitteln sind oder online während des Prozesses geregelt werden müssen. Zur Lösung dieser Problemstellung werden Werkzeuge aus der numerischen Optimierung genutzt. KI-basierte Algorithmen zur Vorwärts-Modellierung des untersuchten Prozesses werden verwendet, um im Parameterraum geeignete Arbeitspunkte zu identifizieren. Genetische Algorithmen können durch Rekombination bekannter Lösungen aussichtsreiche Kandidaten für eine verbesserte Prozessführung ermitteln. Geeignete Modellreduktionsverfahren und die Einschränkung auf klar definierte Prozessdomänen lassen in Einzelfällen eine inverse Formulierung des Vorwärtsmodells zu, so dass die inverse Aufgabe direkt gelöst wird. Erschwert wird die Kompensation durch Messfehler und nicht vom Modell erfasste Schwankungen, die eine Abbildung von Wahrscheinlichkeiten innerhalb der numerischen Optimierung erfordern.

Mitglieder: A07, A08, A09, A11, B02, B05