Surrogat-Modelle zur Auslegung und Optimierung einhubiger Scherschneidprozesse

Abstract

Das Scherschneiden zählt zu den wirtschaftlich bedeutenden Fertigungsverfahren in der blechbearbeitenden Industrie. Grund dafür ist, dass nahezu jedes Blechbauteil im Laufe seiner Fertigungskette beschnitten und/oder gelocht wird. Im Zuge der stetig ansteigenden Anforderungen an die Qualität von Blechbauteilen müssen die beim Scherschneiden entstehenden Bauteilkanten heute vermehrt Qualitätsanforderungen wie denjenigen von Bauteilfunktionsflächen entsprechen. In der industriellen Praxis sind derartig hohe Qualitäten von Schnittkanten bzw. -flächen durch einen geringen Kanteneinzug, einen hohen Glattschnittanteil sowie geringe Bruchflächen- und Grathöhen gekennzeichnet. Darüber hinaus ist neben der möglichst hohen Schnittflächenqualität bei der Herstellung von schergeschnittenen Bauteilen auch die Produktivität des verwendeten Verfahrens von entscheidender Bedeutung. Diese Produktivität ist insbesondere durch hohe Ausbringungsmengen, geringe Werkzeugkosten und niedrige Werkzeuginstandhaltungskosten gekennzeichnet. In diesem Zusammenhang zählt das konventionelle Scherschneiden bzw. das Lochen mit einfachwirkenden Pressen zu den produktivsten Schneidverfahren. Nachteilig ist dabei jedoch, dass mit dem konventionellen Scherschneiden nur Schnittkanten mit vergleichsweise groben Toleranzen und maximalen Glattschnittanteilen von bis zu 50 % der Blechdicke erzielt werden können. Sind höhere Bauteilkantenqualitäten erforderlich, so werden bislang Präzisionsschneidverfahren wie Feinschneiden, Genauschneiden oder Nachschneiden eingesetzt. Verglichen mit dem Normalschneiden führt die höhere Werkzeug- und Prozesskomplexität der genannten Präzisionsschneidverfahren jedoch zu deutlich geringeren Ausbringungsmengen und damit zu höheren Bauteilkosten. Vor dem Hintergrund dieser Problemstellungen wurde das Verfahrensprinzip des Hohlschneidens in den vergangenen Jahren am Institut für Umformtechnik (IFU) entwickelt. Das Hohlschneiden stellt ein Sonderschneidverfahren dar, welches sich infolge geometrisch angepasster Lochstempelgeometrien signifikant von Normalschneidprozessen unterscheidet. In Abgrenzung zu konventionell plan geschliffenen Lochstempeln wird die Stempelgeometrie beim Hohlschneiden durch eine stirnseitig angebrachte „Stegbreite“ entlang der Schneidkante des Stempels sowie durch einen sogenannten „Stegwinkel“ definiert. Diese geometrische Anpassung von Lochstempeln bewirkt eine Druckspannungsinduktion in der Scherzone, wodurch die Rissentstehung innerhalb der Scherzone unterdrückt und schließlich eine Glattschnittsteigerung gegenüber dem Normalschneiden erzielt werden kann. Die Motivation des Hohlschneidens besteht demnach darin, Schnittflächen von hoher Qualität zu erzeugen, ohne dass hierfür technologisch aufwendige Werkzeugkonstruktionen wie bei den Sonderschneidverfahren des Fein-, oder Nachschneidens benötigt werden. Das theoretisch hohe wirtschaftliche Anwendungspotential dieses Verfahrens lässt sich dadurch begründen, dass die Steigerung von Schnittflächenqualitäten in bereits bestehenden konventionellen Scherschneidwerkzeugen allein durch den Austausch von Normalschneidstempeln durch Hohlschneidstempel erreicht werden kann. Die der Arbeit zugrundeliegende wissenschaftliche Problemstellung hinsichtlich des Verfahrensprinzips des Hohlschneidens besteht darin, dass Wissensdefizite bezüglich des Zusammenhangs zwischen einzelnen Werkzeugparametern (Stegbreite, Stegwinkel, Schnittlinienführung, Schneidspalt, etc.) sowie Qualitätskenngrößen an den gescherten Blechbauteilrändern vorlagen. Aufgrund mangelnder veröffentlichter Untersuchungsergebnisse existierten bis heute keine mit dem Normalschneiden vergleichbaren Normen, Richtlinien oder Datensätze, die eine entsprechende Werkzeug- bzw. Verfahrensauslegung unterstützen. Als problematisch erwies sich hierbei, dass neben den Parametern des Normalschneidens weitere werkzeugseitige Einflussfaktoren hinsichtlich des Schnittergebnisses zu berücksichtigen sind. Für den Fall solch multidimensionaler Problemstellungen haben sich in den vergangenen Jahren vermehrt datengetriebene Modellierungsansätze des maschinellen Lernens (ML) durchgesetzt. Die Eignung maschineller Lernverfahren für den technologischen Anwendungsbereich des Scherschneidens wurde bislang allerdings nur für spezifische Teilproblemstellungen des Normal- und Feinschneidens nachgewiesen. Diesbezüglich wurden in der Vergangenheit insbesondere Verschleißproblematiken, seltener jedoch qualitätsbezogene Auslegungskriterien für Scherschneidwerkzeuge betrachtet. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit adressiert die Entwicklung solch datenbasierter Auslegungsmodelle für das Verfahrensprinzip des Hohlschneidens. Eine ausschließlich experimentelle Erprobung unter Praxisbedingungen erschien aufgrund des dafür benötigten Versuchsumfangs als unrealistisch. Die Methode der Surrogat-Modellierung konnte vor diesem Hintergrund als geeigneter Lösungsansatz identifiziert werden. Der grundsätzliche Gedanke hinter der Entwicklung von Surrogat-Modellen besteht darin, auf Basis von Simulationsergebnissen interpolierende bzw. approximierende Ausgleichsfunktionen zur Vorhersage von Zielkenngrößen für einen vorabdefinierten Bereich statistisch verteilter Eingabemerkmale zu ermitteln. Die Ausführungen der vorliegenden Arbeit zeigen, dass höherdimensionale Wirkzusammenhänge zwischen Halbzeug-, Werkzeug- und Schnittflächenparametern des Hohlschneidens von maschinellen Lernalgorithmen auf Grundlage numerischer Daten erlernt und quantifiziert werden können. Unter Verwendung so angelernter ML-Modelle, Methoden der erklärbaren Künstlichen Intelligenz sowie einer differenzierten Betrachtung des in der Scherzone vorherrschenden Spannungszustandes konnte neues explizites und experimentell validierbares Prozesswissen für das Verfahrensprinzip des Hohlschneidens generiert werden. Unter Berücksichtigung dieses so hergeleiteten Prozesswissens ist eine signifikante Verbesserung von Schnittflächenqualitätskenngrößen gegenüber dem Referenzzustand des Normalschneidens gelungen. Die vorliegende Arbeit präsentiert somit eine neuartige systematische Vorgehensweise für die Auslegung und Optimierung einhubiger Scherschneidprozesse.