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Information für die Wissenschaft Nr. 48 | 31. Juli 2018
Schwerpunktprogramm „Eigenschaftsgeregelte Umformprozesse“ (SPP 2183)

Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat im März 2018 die Einrichtung des Schwerpunktprogramms „Eigenschaftsgeregelte Umformprozesse“ (SPP 2183) beschlossen. Als Laufzeit sind sechs Jahre, bestehend aus drei je zweijährigen Förderperioden, vorgesehen. Die DFG lädt hiermit zur Antragstellung für die erste zweijährige Förderperiode ein.

Problemstellung

Die Produktionstechnik wird aktuell durch den Übergang von automatisierten Systemen zu Cyber-Physischen Produktionssystemen (CPPS) geprägt, deren wesentliches Merkmal die räumliche und zeitliche Integration der Informations- und Planungssysteme mit den Produktionsanlagen in Echtzeit ist. CPPS sollen im Rahmen der resilienten Fabrik der Zukunft eine robuste, effiziente und gleichzeitig wandlungsfähige Produktion ermöglichen. Diese aktuellen Anforderungen betreffen die gesamte Fertigungstechnik und insbesondere die Umformtechnik aufgrund der vielseitigen Anwendungsgebiete. Bauteile, bei denen es auf eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer ankommt, erfordern häufig eine umformtechnische Herstellung. So bilden zum Beispiel geschmiedete Hochleistungskomponenten die Grundlage technischer Innovationen in der Energie- und Verkehrstechnik. Im Fahrzeugbau ermöglichen umgeformte Blechbauteile Leichtbau, Crashsicherheit und Rezyklierbarkeit in der Großserie.

Eine erfolgreiche Weiterentwicklung von Umformsystemen zu CPPS verlangt einen Paradigmenwechsel in der Gestaltung der Prozesse und Werkzeuge. Umformmaschinen und -prozesse haben sich seit den Ursprüngen vor mehreren tausend Jahren kontinuierlich weiterentwickelt und neuen Anforderungen angepasst. Zu Beginn der umformtechnischen Metallverarbeitung wurden flexible manuelle Verfahren (Schmieden, Dengeln, Treiben) eingesetzt, bei denen das Prozessergebnis durch die manuellen Fertigkeiten und kognitiven Fähigkeiten des Menschen geregelt wurde. Im Laufe der Industrialisierung wurden Umformprozesse zunehmend auf Umformmaschinen durchgeführt und automatisiert. Hierbei blieb der Einsatz der Regelungstechnik überwiegend auf die Regelung der Bewegungsabläufe der Umformmaschinen beschränkt. Umformprozesse laufen somit hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Produkteigenschaften überwiegend gesteuert ab und können daher nicht oder nur sehr eingeschränkt auf Schwankungen in den Werkstückeigenschaften oder Störungen im Prozess reagieren. Für den Einsatz in resilienten Fabriken der Zukunft muss in der Umformtechnik der Übergang von gesteuerten zu geregelten Prozessen vollzogen werden, die sich auf veränderliche Randbedingungen und Störungen einstellen können. In Hinblick auf die Erhöhung der Ressourceneffizienz erscheint ein weiterer Schritt hin zur Eigenschaftsregelung von Umformprozessen erforderlich, um insbesondere bei Schwankungen im Ausgangsmaterial und in den Prozessrandbedingungen Bauteileigenschaften innerhalb der jeweils geltenden Spezifikationen einzustellen und die Produktion von Ausschussteilen zu reduzieren. Die Herausforderungen für die Entwicklung eigenschaftsgeregelter Umformprozesse liegen in der nicht linearen, räumlich und zeitlich verteilten Wirkung des Werkzeugs auf das Werkstück, die eine erfahrungsbasierte Regelung unmöglich macht. Für eine Eigenschaftsregelung müssen Umformprozesse als örtlich verteilte und zeitlich veränderliche Systeme verstanden, modelliert und auf ihre Regelbarkeit hin untersucht werden. Für das Design effizienter Regler muss der Umformprozess in seiner Wirkung auf die Produkteigenschaften mathematisch beschrieben werden und einer systematischen Entwicklung von Reglern zugänglich gemacht werden.

Wissenschaftliche Ziele

Ziel des Schwerpunktprogramms ist es, die wissenschaftlichen Grundlagen der prozessintegrierten Eigenschaftsregelung von Umformprozessen zu erforschen und neue Ansätze der Eigenschaftsregelung zu erproben und zu validieren. Aufgrund der aktuellen Entwicklungen in der Produktionstechnik ist die Eigenschaftsregelung von Umformprozessen als Emerging Field anzusehen. Für die Umformtechnik entsteht aus der Kooperation mit der Regelungstechnik erstmals die Möglichkeit, regelbare Umformsysteme methodenbasiert auszulegen und die für die Eigenschaftsregelung notwendigen Sensoren und Aktoren im Systemdesign zu berücksichtigen. Aus dieser Zusammenarbeit wird ein grundlegender Erkenntnisgewinn über die Gestaltung resilienter, mikrostruktur- und eigenschaftsgeregelter Umformprozesse erwartet.

Die Entwicklung eigenschaftsgeregelter Umformprozesse erfordert eine thematische Eingrenzung und Strukturierung der Forschungsarbeiten. Aus umformtechnischer Sicht soll eine Fokussierung auf Blech- und Massivumformverfahren für metallische Werkstoffe erfolgen, bei denen neben der Erzeugung einer vorgegebenen Bauteilgeometrie eine geregelte Eigenschaftseinstellung im Bauteil erfolgt. Bei der Warmumformung steht hier die durch Rekristallisation, Ausscheidungen und Phasenumwandlungen bedingte Mikrostrukturentwicklung im Vordergrund. Bei der Kaltumformung soll der Fokus auf Prozessen liegen, mit denen eine gezielte Einstellung eigenschaftsbestimmender Merkmale wie Härte/Verfestigung, Textur oder Ähnliches möglich ist. In der Prozesskette vor- und nachgelagerte Urform-, Trenn- und Fügeprozesse werden nicht behandelt. Verfahren der Randschichtbeeinflussung ohne makroskopische Umformung werden ebenfalls nicht gefördert. Wärmebehandlungen können im Sinne einer thermomechanischen Behandlung oder bei direkter Wärmebehandlung aus der Umformhitze untersucht werden.

Für das Schwerpunktprogramm ist ein Antragszeitraum von insgesamt sechs Jahren (3 x 2 Jahre) vorgesehen. In der ersten Phase sollen grundlegende Erkenntnisse über die Regelbarkeit bestimmter für das spätere Produkt wesentlicher Eigenschaften in Umformprozessen gesammelt werden. Hierbei ist insbesondere darauf zu achten, dass die Umformung eine unmittelbare Wirkung auf die Produkteigenschaften haben sollte. Auf Basis der Erkenntnisse soll der Nachweis erfolgen, dass Umformprozesse gezielt für eine Eigenschaftsregelung ausgelegt oder neu entwickelt werden können, dass Regelstrategien und neue Mess- und Aktorprinzipien in Werkzeuge und Umformmaschinen integriert und dass Softsensoren basierend auf schnellen, robusten Prozess- und Werkstoffmodellen mit bekannten Fehlerschranken bereitgestellt werden können, die im Rahmen der Eigenschaftsregelung zur Schätzung des Werkstückzustands eingesetzt werden sollen. Die zweite Phase hat zum Ziel, die mit geregelten Umformprozessen tatsächlich erzielbaren Verbesserungen zur Einstellung der gewünschten Eigenschaften für die unterschiedlichen Umformprozesse zu quantifizieren, die Regelstrategien und Modelle zu validieren und Gestaltungsprinzipen eigenschaftsgeregelter Umformprozesse abzuleiten. Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen konzentrieren sich dann die Arbeiten der dritten Phase auf die robuste Gestaltung, Auslegung und Optimierung der Umformprozesse, -anlagen und -werkzeuge im Sinne eines quantitativen Nachweises der Eigenschaftsregelung produzierter Bauteile.

Im Rahmen des Schwerpunktprogramms sollen Arbeiten gefördert werden, die die Entwicklung eigenschaftsgeregelter Umformprozesse zum Ziel haben und deutlich über den aktuellen Stand der Technik hinausgehen. Hierzu sind Kooperationen zwischen Arbeitsgruppen unterschiedlicher Disziplinen anzustreben. In jedem Antrag soll die praktische Umsetzung des zu entwickelnden eigenschaftsgeregelten Umformprozesses und somit die Möglichkeit der praktischen Validierung der angestrebten Eigenschaftsregelung vorgesehen sein.

Nicht gefördert werden:

  • Arbeiten zur Regelung rein geometrischer Größen des Werkstücks oder zum Einsatz von Regelungstechnik zur Vermeidung von Defekten
  • Arbeiten zu den der Umformung in der Prozesskette vor- und nachgelagerten Prozessen
  • Arbeiten zur Randzonenbeeinflussung ohne Umformung
  • nicht metallische Werkstoffe
  • Entwicklung von Sensoren für die Offline-Messung von Produkteigenschaften
  • ausschließlich mess- oder regelungstechnisch orientierte Vorhaben sowie Werkstoff- und Prozessmodellierung ohne Einbindung in die Eigenschaftsregelung von Umformprozessen
  • Arbeiten zur Offline-/run-by-run-Regelung oder zu ausschließlichen Lösungen von Optimalsteuerungsproblemen

Arbeitsprogramm

Für die geregelte Eigenschaftseinstellung in Umformprozessen ist eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Umform- und Regelungstechnik notwendig. Das Ziel, Umformprozesse mit Eigenschaftsregelung zu versehen, führt zu originären Forschungsfragen in den beteiligten Disziplinen und zu neuen Arbeitsrichtungen in der interdisziplinären Zusammenarbeit.

In der Zusammenarbeit zwischen Umform- und Regelungstechnik werden im Rahmen des Schwerpunktprogramms systematisch Erkenntnisse über die Regelbarkeit bestehender Umformprozesse gesammelt. Aus diesen Erkenntnissen werden die Prinzipien zur Gestaltung neuer Umformprozesse, Maschinen- und Werkzeugstrukturen abgeleitet, die eine Eigenschaftsregelung ermöglichen. Für die Umformtechnik besteht der wesentliche Erkenntnisgewinn aus dem angestrebten Übergang von heute verfügbaren Umformprozessen, bei deren Entwicklung die Regelbarkeit der Produkteigenschaften von untergeordneter Bedeutung war, hin zu Methoden zur Gestaltung regelbarer Umformprozesse. Hierzu müssen aus Sicht der Regelungstechnik neue Methoden entwickelt werden, die es einerseits ermöglichen, das umformtechnische System regelbar zu gestalten, das heißt die Anzahl und Platzierung der Sensoren und Aktoren sowie deren gefordertes (dynamisches) Verhalten festzulegen und andererseits basierend auf geeignet reduzierten mathematischen Modellen neue Regler- und Beobachterkonzepte zu entwickeln, die systematisch die inhärenten Nichtlinearitäten und den im Allgemeinen verteilt-parametrischen Charakter sowie die Systembeschränkungen berücksichtigen. Diese Fragestellungen führen zu intensiven Kooperationen zwischen Regelungstechnik und Umformtechnik. Aus Sicht der Werkstofftechnik besteht die Originalität der Forschungsarbeiten in der Erforschung und Entwicklung von Softsensoren, in der Modellbildung für die Regelungstechnik sowie in der Entwicklung eigenschaftsbeeinflussender Aktoren (in Kooperation mit der Umformtechnik). Die Messtechnik soll Methoden für die robuste Integration der Sensoren in Umformprozesse und die zuverlässige Schätzung von Messunsicherheiten der dynamischen Messprozesse liefern.

Antragstellung

Bitte reichen Sie Ihren Antrag bis spätestens 12. November 2018 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 2183 – Eigenschaftsgeregelte Umformprozesse“ 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 5. November 2018 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:

  • Prof. Dr.-Ing. Markus Bambach,
    Brandenburgische Technische Universität Cottbus – Senftenberg,
    Fakultät 3: Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme,
    Lehrstuhl Konstruktion und Fertigung,
    Konrad-Wachsmann-Allee 17,
    03046 Cottbus,
    Tel. +49 355 693108,
    Link auf E-Mailbambach@b-tu.de

Auskünfte zur Antragstellung bei der DFG erteilen:

Hinweis:

Diese "Ausschreibung - Information für die Wissenschaft" ist unter Interner Linkwww.dfg.de/foerderung/info_wissenschaft/2018/info_wissenschaft_18_48/
erreichbar. Bitte verwenden Sie ausschließlich diese URL, um das Dokument zu zitieren oder per Link einzubinden.