Konzeption einer adaptiven Prozesskette für das mechanische Fügen

Die Produktion von Bauteilen und Baugruppen benötigt mehrere Arbeitsschritte bis zum finalen Produkt. Die konven-tionelle Fertigungskette für bspw. Automobilbauteile bein-haltet die Arbeitsschritte Tiefziehen, Beschnitt, Spannen sowie das Fügen der Bauteile. Produktionsbedingte Schwankungen innerhalb dieser Bauteilfertigung führen im Produktionsverlauf zu zunehmend kleineren Toleranzfeldern und somit zu hohen Kosten. Die Vernetzung der Produkti-onsdaten der einzelnen Produktionsschritte ist dabei derzeit nur unzureichend gegeben und Korrelationen zwischen diesen Daten sind weitestgehend unbekannt. Somit sind auch die Potenziale für die Erweiterung der Toleranzfelder noch nicht vollständig ausgeschöpft.

© Fraunhofer IGP

Um diese Potenziale zu ermitteln und nutzbar zu machen, wird im Rahmen dieses Forschungsvorhabens die Fertigungskette am Beispiel eines Bauteils für die Automobilbranche analysiert und die Produktionsdaten der unterschiedlichen Fertigungsschritte korreliert.

Lösungskonzept

Das Lösungskonzept basiert auf einer numerischen und experimentellen Abbildung der Bauteilfertigungskette für ein Demonstratorbauteil mit stetiger Extraktion und Korrelation der Produktionsdaten innerhalb einer Datenbank. Diese wird mit KI-Algorithmen befähigt, Korrelationen für die Prognose von unbekannten Material-Dicken-Kombinationen von Bauteilen abzugeben.

Experimentelle Untersuchung

Die experimentelle Untersuchung umfasst zunächst eine Charakterisierung von praxisrelevanten Blechwerkstoffen sowie die Ermittlung der Korrelation zu Prozessdaten wie bspw. Schnitt- oder Umformkräften, die in entsprechenden Versuchen ermittelt werden.

Die abgepressten S-Rail-Bauteile werden anschließend in einer intelligenten Spannvorrichtung mit Kraft- und Winkelsensoren zur Ermittlung der Prozessgrößen fixiert. Diese Prozessdaten werden wiederum in Korrelation zu den Prozessdaten aus dem Tiefziehprozess gesetzt.

Den finalen Schritt in der Bauteilfertigungskette bildet das umformtechnische Fügen durch Clinchen. Durch Sekundärproben, die eine entsprechende Vorbelastung erfahren haben, kann der Einfluss auf die Bewertungskriterien der Clinchverbindung (bspw. Halsdicke oder Hinterschnitt) charakterisiert werden. Dadurch wird ein Prozessfenster festgelegt und in Abhängigkeit des ermittelten Spannungszustandes im Fügebereich kann die optimale Steuergröße für den Clinchprozess gewählt werden (X-Maß).

Numerische Untersuchung

Um ein detailliertes Prozessverständnis zu gewinnen sowie zur Durchführung von Parameterstudien wird die Fertigungskette mit Hilfe der Finiten Elemente Methode (FEM) analysiert. Dabei werden die Fertigungsparameter sowie die Eingangsgrößen der Blechwerkstoffe entsprechend der normativen Vorgaben variiert, um die Bandbreite der auftretenden Prozessschwankungen abzubilden. Insbesondere der Spannungszustand im Fügebereich der Bauteile ist von Interesse, da dieser die Fügbarkeit sowie die Qualität der Clinchverbindung beeinflusst.

Datenbank für Fertigungsdaten

Die in den einzelnen Fertigungsschritten gewonnenen Prozessdaten werden strukturiert abgespeichert und über eine Benutzeroberfläche zugänglich gemacht. Die Herausforderung für die Datenbank besteht darin, diese mit einer KI zu befähigen, um so Korrelationen zwischen den Prozessdaten zu ermitteln. Somit kann diese als Werkzeug zur Prognose für Fügeparameter genutzt werden.

Förderhinweise

Das Projekt „Konzeption einer adaptiven Prozesskette für das mechanische Fügen“ wird als Vorhaben der Industriellen Gemeinschaftsforschung unter der Fördernummer AiF-Nr. 20016BG von der Forschungsvereinigung Europäische Ge-sellschaft für Blechverarbeitung e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungs-vereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förde-rung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gef

Projektpartner

Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn Lehrstuhl für Fertigungstechnik, Friedrich-Alexander-Universität Nürnberg-Erlangen