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Information für die Wissenschaft Nr. 25 | 23. Mai 2017
Schwerpunktprogramm „Oberflächenkonditionierung in Zerspanungsprozessen“ (SPP 2086)

Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat die Einrichtung des Schwerpunktprogramms „Oberflächenkonditionierung in Zerspanungsprozessen“ (SPP 2086) beschlossen. Als Laufzeit sind sechs Jahre vorgesehen. Die DFG lädt hiermit ein zur Antragstellung für die erste dreijährige Förderperiode.

Problemstellung
Alle Fertigungsprozesse beeinflussen den Randschichtzustand eines Bauteils, der zum Beispiel durch Eigenspannungszustand, Verfestigungszustand, Gefügeverteilung, Rissbild und Topografie beschrieben werden kann. Dieser Randschichtzustand bestimmt die Eigenschaften von Bauteilen unter anderem bei schwingender, tribologischer und korrosiver Beanspruchung. Die gezielte Ausnutzung eines in Fertigungsprozessen robust eingestellten Randschichtzustands führt also zu verbesserten Bauteillebensdauern bzw. -zuverlässigkeiten. Dies setzt aber voraus, dass in der Endbearbeitung nicht nur die Geometrie, sondern auch der Randschichtzustand verlässlich eingestellt wird. Die bislang nicht mögliche Regelung auf beide Größen gemeinsam soll zu einem Paradigmenwechsel in der Fertigungstechnik führen, weil die heute starren Prozessparameter nur noch indirekt in zulässigen Grenzen vorgebbar sein werden, um die Regelung zu gestatten.

Während die Zusammenhänge zwischen Prozessstellgrößen und Prozesskenngrößen bzw. Randschichtzuständen einerseits und die zwischen Randschichtzuständen und Bauteileigenschaften andererseits bereits Gegenstand intensiver Untersuchungen waren und sind, ist bislang die Robustheit der Prozesse hinsichtlich der gezielten Einstellung der Randschichtzustände nicht bekannt. Durch die Verknüpfung von neuartiger Sensorik mit geeignet aufbereitetem Prozesswissen zu Softsensoren werden bisher nicht messbare Größen erstmals in-process messbar. Durch die Integration dieser neuen Messgrößen in die dynamische, weil auf beobachtbare Störgrößen – zum Beispiel den initialen Verschleißzustand oder die Orientierung und Mikrogeometrie der Schneide – reagierende Prozessregelung kann die Robustheit des Prozesses hinsichtlich der Erzeugung definierter Randschichtzustände deutlich erhöht werden. Über die Verringerung von Schwankungen des Prozessergebnisses und damit von erforderlichen Toleranzen durch Beherrschung von Störgrößen kann die Konditionierung der Oberflächen hinsichtlich der vorgesehenen Eigenschaften erfolgen. Dies ist von hoher Aktualität, weil damit den Anforderungen zur Ressourceneinsparung und Nachhaltigkeit in der Produktion einerseits sowie den Materialanforderungen hinsichtlich Leichtbau und Festigkeit andererseits mit völlig neuen Ansätzen entgegengetreten werden kann. Zum einen ist die Forderung nach engen Sicherheitskorridoren/Toleranzen nur durch Beherrschung der Randschichtzustände erfüllbar. Zum anderen kommt den Randschichtzuständen beim Leichtbau mit optimierten Strukturen aufgrund des größeren Oberflächen/Volumen-Verhältnisses gesteigerte Bedeutung zu. Gleiches gilt für den Einsatz hochfester und damit meist sprödharter Materialien, die auf den Randschichtzustand besonders empfindlich reagieren. Die größte Herausforderung dieses Themenbereichs stellt aktuell die robuste und effiziente Erfassung des Randschichtzustands im Prozess und die dynamische Vorsteuerung und Regelung von Zerspanungsprozessen hinsichtlich der Randschichtzustände in Form der oben genannten Oberflächenkonditionierung dar.

Wissenschaftliche Ziele
Ziel der Arbeiten im Schwerpunktprogramm ist es, für Zerspanungsprozesse unter kombinierter Nutzung von in-process 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 zum Beispiel Halbzeugtoleranzen, Werkzeugeinstellwinkel, anfänglicher Werkzeugverschleißzustand und Maschinenschwingungen) oder verborgenen Störgrößen (wie zum Beispiel Werkzeugverschleiß bzw. -schartigkeit im Eingriff und streuende Materialeigenschaften) im Prozess sichergestellt werden.

Die Arbeiten sollen auf zwei Phasen aufgeteilt werden. Dabei steht 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 führen zu einem tief gehenden Verständnis der Wirkzusammenhänge. Neben der Adaption bekannter Sensoren von Bulkmaterialien auf dünne Randschichtzustände, der Identifikation neuer Messprinzipien und der Nutzung komplexer Sensorik ist 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 dann 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 der zweiten Phase soll zudem arbeitsgruppenübergreifend an der Übertragbarkeit der Mess- und Regelkonzepte auf weitere Prozesse gearbeitet werden.

Im Rahmen des Schwerpunktprogramms sollen zerspanende Endbearbeitungsprozesse mit geometrisch bestimmten und mit geometrisch unbestimmten Schneiden mit gebundenem Korn betrachtet werden, die thermisch-mechanische Hauptwirkungen aufweisen und in einem mechanisch stabilen Zustand betrieben werden. Die Analyse von Beschichtungen ist nur dann zulässig, wenn deren Aufbringung nicht während des Prozesses erfolgt und Ziel der Untersuchungen weiterhin die bearbeitete Randschicht bleibt. Die Messungen für die Prozessregelung müssen in-process erfolgen. Es werden ausschließlich Messprinzipien betrachtet, die direkt oder indirekt für das Schwerpunktprogramm relevante Randschichtcharakteristika erfassen. Modellbasierte Analyse- und Regelkonzepte werden bevorzugt.

Die betrachteten Bauteile sollen aus monolithischem Metall bestehen. Zu betrachten sind grundsätzlich gut verstandene Werkstoffe, für die insbesondere die Korrelationen zwischen Randschichtzustand und Bauteileigenschaften zugänglich sind. Untersuchungen zu den Bauteileigenschaften sollen daher nur in Sonderfällen zur Validierung der Projektidee vorgenommen werden.

Vorgesehen sind Kooperationsprojekte mit Beteiligung von im Allgemeinen zwei Arbeitsgruppen unterschiedlicher Disziplinen 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.

Nicht gefördert werden:

  • Prozesse mit geometrisch unbestimmter Schneide mit ungebundenem Korn,
  • Analysen von Rattererscheinungen,
  • chemische Eingriffe, die der Vorkonditionierung von tribologisch beanspruchten Flächen dienen,
  • Umformprozesse oder mechanische Oberflächenbehandlungsverfahren, wie zum Beispiel Verfestigungsstrahlen, Festwalzen und verwandte Verfahren,
  • Fügeprozesse,
  • nicht metallische Werkstoffe,
  • Messverfahren, die nicht in-process genutzt werden, und
  • ausschließlich regelungstechnisch orientierte Vorhaben.

Arbeitsprogramm
Die relevanten Forschungsfragen können nur durch enge Kooperation von Fertigungstechnik, Messtechnik sowie Werkstofftechnik und numerischer Mathematik 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 – zum Beispiel elektrischer Widerstand, Magnetismus, Barkhausen-Rauschen – 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 neue 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 (in-process), 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 direkte oder indirekte 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.

Die numerische Mathematik muss mit inversen Prozessmodellen die Zusammenhänge zwischen Beobachtermessungen und den Zielgrößen des Randschichtzustands für eine dynamische Prozessregelung hochgradig effizient zugänglich machen. Daher werden reduzierte Modelle zur Abbildung der Beobachtermessungen auf die Zielgrößen benötigt, die auch auf beobachtbare Veränderungen an Störgrößen dynamisch reagieren können. Dies kann im Idealfall durch Kennfelder und Interpolation sehr effizient erfolgen. Ein weiterer Ansatz besteht in der Untersuchung approximativer Invertierungsverfahren für entweder den kompletten Vorwärtsoperator oder für das Beobachter-Zielgrößen-Modell. Ansätze der Modell- und Dimensionsreduktion, Verfahren des maschinellen Lernens zur Modelladaption oder stochastische Algorithmen (random projections, compressed sensing) eröffnen hier Möglichkeiten jenseits der bekannten Forschungsergebnisse.

Reichen Sie Ihren Antrag bitte bis spätestens 29. September 2017 bei der DFG ein. Die Antragstellung erfolgt ausschließlich über das elan-Portal zur Erfassung der antragsbezogenen Daten und zur sicheren Übermittlung von Dokumenten. Bitte wählen Sie unter „Antragstellung – Neues Projekt/Antragsskizze – Schwerpunktprogramm“ im elektronischen Formular aus der angebotenen Liste „SPP 2086 – Oberflächenkonditionierung in Zerspanungsprozessen" aus. Berücksichtigen Sie bitte beim Aufbau Ihres Antrags das DFG-Merkblatt 54.01 zu Sachbeihilfen mit Leitfaden für die Antragstellung und die Hinweise im Merkblatt Schwerpunktprogramm 50.05, Teil B.

Handelt es sich bei dem Antrag innerhalb dieses Schwerpunktprogramms um Ihren ersten Antrag bei der DFG, beachten Sie, dass Sie sich vor der Antragstellung im elan-Portal registrieren müssen. Ohne Registrierung bis zum 15. September 2017 ist eine Antragstellung nicht möglich. Bitte wählen Sie im Registrierungsformular bei den abschließenden Angaben ebenso wie bei der Antragstellung Ihr Schwerpunktprogramm aus der angebotenen Liste der Ausschreibungen aus. Die Bestätigung der Registrierung erfolgt in der Regel bis zum darauffolgenden Arbeitstag.

Weiterführende Informationen

Das elan-Portal der DFG zur Einreichung der Anträge finden Sie unter:

Die Merkblätter DFG-Vordruck 50.05 und 54.01 stehen unter:

Inhaltliche Fragen beantwortet Ihnen der Koordinator des Schwerpunktprogramms:

  • Professor Dr.-Ing. Volker Schulze,
    Karlsruher Institut für Technologie (KIT),
    Institut für Produktionstechnik (WBK),
    Tel. +49 721 608-42440,
    volker.schulze@kit.edu

Auskünfte zur Antragstellung bei der DFG erteilen:

Fachlich:

Formal:

Hinweis:

Diese "Ausschreibung - Information für die Wissenschaft" ist unter der URL
www.dfg.de/foerderung/info_wissenschaft/2017/info_wissenschaft_17_25/
erreichbar. Bitte verwenden Sie ausschließlich diese URL, um das Dokument zu zitieren oder per Link einzubinden.

Zusatzinformationen

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