Regelung/Steuerung der Erwärmung und Formgebung beim Thixoforming

Sonderforschungsbereich 289: "Formgebung metallischer Werkstoffe im teilerstarrten Zustand und deren Eigenschaften"

Die Formgebung von Metallen im teilerstarrten Zustand (Thixoforming) ist eine neue Technologie zur Herstellung komplexer Bauteile und von Werkstücken, die mit konventionellen Verfahren nicht in dieser Qualität herstellbar sind.

Während die Formgebung beim konventionellen Gießen im flüssigen und beim Schmieden im festen Zustand erfolgt, findet die Formgebung hier innerhalb des Solidus-Liquidus-Intervalls statt, also bei einer Temperatur, bei der ein Teil der Phasen flüssig und ein anderer fest ist. Eine spezielle, vorgeschaltete Behandlung des Einsatzmaterials führt zu einem Gefüge, bei dem globulitisch geformte, feste Bestandteile in einer schmelzflüssigen Matrix vorliegen. Wird dieses Fest-Flüssig-Gemisch einer äußeren erzwungenen Scherbelastung unterworfen, so tritt eine Erhöhung des Fließvermögens, also eine Verringerung der Viskosität ein. Im Ruhezustand agglomerieren die festen Bestandteile; erst durch eine äußere Scherbelastung kommt es zu einer vollständigen Trennung der festen Bestandteile in der Matrixschmelze. Dabei behält der Vorblock im Ruhezustand ausreichende Festigkeit, um ihn manuell oder automatisch greifen und in ein Formwerkzeug einlegen zu können.

 

 

Bild 1: Verfahrensablauf beim Thixogießen und Thixoschmieden

Die untersuchte Technologie eröffnet vollkommen neue Wege zur Verarbeitung innovativer Werkstoffe, wie z.B. faserverstärkter Verbundwerkstoffe (MMC), und zur Herstellung von Verbundbauteilen oder von Hohlkörper-Bauteilen. Aufgrund dieser Vorteile bei der Formgebung von metallischen Werkstoffen wird das Thixoforming weltweit an vielen Stellen untersucht. Bild 1 liefert einen Überblick über die unterschiedlichen Vormaterialrouten und die anschließenden Formgebungsschritte.

Das IRT befasst sich im Teilprojekt E3 Erwärmung/Regelung mit der Entwicklung prozessangepasster Steuerungen und Regelungen für die Erwärmung, Formgebung und Automatisierung der Prozesskette. Um die Bauteilqualität reproduzierbar garantieren zu können, müssen alle maßgeblichen Prozessgrößen innerhalb enger Toleranzen gehalten werden. So ist bei der Erwärmung des Billets die exakte Einstellung eines definierten Flüssigphasenanteils erforderlich. Der sich an die Erwärmung anschließende Formgebungs-Prozess muss bei definierten Geschwindigkeiten und Kräften ablaufen.

Regelung der Erwärmung

Das IRT bearbeitet die Entwicklung der Wiedererwärmungstechnologie für das Vormaterial. Der Vorblock soll dabei induktiv möglichst schnell und homogen in den erforderlichen Zustand mit dem gewünschten Flüssiganteil erwärmt werden.

 

Erwärmung von Aluminiumbillets

Ziel der induktiven Wiedererwärmung ist das Einstellen eines definierten Fest-/Flüssiganteils im Billet. Da diese Information messtechnisch nur schwer zu erfassen ist, wird als Regelgröße die Temperatur des Billets verwendet, da bei gegebener Legierungszusammensetzung ein fester Zusammenhang zwischen der Temperatur des Billets und dem Fest-/Flüssiganteil besteht. Zur berührungslosen Temperaturregelung wurde ein nichtlinearer Beobachter aufgebaut, der aus den Schwingkreisdaten die Temperaturverteilung schätzt. Die Parameter des Modell könnten durch eine Identifikation mittels Versuchsdaten an unterschiedliche Chargen angepasst werden.

Es hat sich jedoch im Laufe der Arbeiten des SFB gezeigt, dass schon geringe Schwankungen in der Legierungszusammensetzung des Ausgangsmaterials zu Veränderungen in der Zuordnung von Temperatur zu Fest-/Flüssiganteil führen. Aus diesem Grund wurde deshalb ein Sensor entwickelt, der unabhängig von der Temperatur Aufschluss über den Fest-/Flüssiganteil im Billet liefern kann. Dieser Sensor beruht darauf, dass das bei der induktiven Erwärmung vom Billet abgestrahlte Schallfeld analysiert wird. Somit konnte ein Meßsystem zur kontaktfreien Bestimmung des Fest-/Flüssiganteils im Billet während der induktiven Erwärmung aufgebaut werden. Mittels eines Mikrofons wird der vom Billet ausgesandte Schall aufgenommen, gefiltert und dann dem Prozessführungssystem zur Analyse zugeführt. Das hier beschriebene Messsystem zur berührungslosen Bestimmung des Fest-/Flüssiganteils eines Billets wurde zum Patent angemeldet.

Da im industriellen Umfeld hauptsächlich reine Steuerungen zum Einsatz kommen und die zusätzliche Messtechnik ein Kostenfaktor darastellt, werden flachheitsbasierte Vorsteuerungskonzepte untersucht, die es ermöglichen die Umrichterleistung aus der Vorgabe für den Temperaturübergang auf der Mittelachse des Billets analytisch zu berechnen, so dass auf aufwendige Einfahrversuche weitestgehend verzichtet werden kann. [2,3,4,5,6,12]

 

Erwärmung von Stahlbillets

Für die Erwärmung von Stahlbillets ist die für Aluminium verwendete Beobachterstruktur ungeeignet, da die Schwingkreisdaten sich im Verlauf der Erwärmung nur in sehr gerigem Maße ändern und somit kaum Informationen über den aktuellen Billetzustand enthalten. Deswegen kann hier auf eine direkte Messung der Temperatur nicht verzichtet werden kann. Aus diesem Grund kommt ein Quotionentenpyrometer zum Einsatz, um berührungslos Informationen über die Billettemperatur an der Oberfläche zu erhalten. Durch gezielte Auswertung der Pyrometerdaten wird der Eintritt in das Aufschmelzintervall automatisch erkannt und Leistungszufuhr entsprechend angepasst. Dadurch wird es möglich Schwankungen in der Legierungszusammensetzung auszugleichen und innerhalb der geforderten Toleranz den Flüssiganteil auch bei Variationen im Ausgangsmaterial einzustellen. Das Verfahren wurde erfolgreich auf die Stahllegierungen 100Cr6 und X210 angewendet.

Regelung der Formgebung

Ziel der Formgebung ist die Form möglichst schnell zu füllen bei gleichzeitig laminarer Formfüllung. Um dies zu gewährleisten werden Geschwindigkeitsverläufe vorgegeben, die die laminare Formfüllung garantieren. Um diesen möglichst genau folgen zu können wurde eine Struktur mit nichtlinearer Vorsteuerung und unterlagerter Rückführung gewählt. Der Entwurf der Vorsteuerung erfolgt dabei in Anlehnung an flachheitsbasierte Verfahren. Zur Ausregelung der Störungen wurde ein Gain-Scheduling Regler erprobt. [8,10]

Automatisierung

Um möglichst reproduzierbare Prozessbedingungen zu schaffen wurde die komplette Prozesskette automatisiert. Dabei wird die Induktionsspule mittels eines sechs-achsigen Industrieroboters (Kuka) mit der Schmiedepresse verkettet, siehe Bild 2. Durch den Einsatz einer automatischen Vereinzlereinheit und eine Entnahmegreifers können nun Bauteil automatisch und unter gleichbleibenden Bedingungen produziert werden. Die Ablaufsteuerung wurde dabei auf der Roboersteuerung implementiert und die Peripherie wird über Remote-I/O angesteuert. [1]

Bild 2: Komponenten der Zelle für das Thixoforming von Stahl
Literatur
[1] Küthe, F.; Schönbohm, A.; Abel, D.; Kopp, R. (2004). An automated Thixo-Forging Plant for Steel Parts, Steel Research international, special issue: Fundamentals of Thixoforming Processes, 09/2004, Verlag Stahleisen
[2] Fleck, Ch.; Schönbohm, A. (2004). Flatness Based Trajectory Generation for the Inductive Heating of Aluminium Billets, 8th International Conference on Semi Solid Processing of Alloys and Composites, 21-23. 09.2004, Limassol, Cyprus
[3] Fleck, Ch.; Schönbohm, A. (2004). Entwurf einer flachheitsbasierten Vorsteuerung für die induktive Erwärmung beim Thixoforming, at - Automatisierungstechnik 52 (2004), Heft 9, S. 403-410. Oldenbourg Verlag, 2004.
[4] Fleck, Ch.; Schönbohm, A. (2004). Steuerungsentwurf für die induktive Erwärmung von Thixo-Aluminiumlegierungen, Elektrowärme international, Heft 2, 2004, Vulkan-Verlag[5]
[5] Fleck, C.; Schönbohm, A.; Abel, D.: "Flachheitsbasierte Vorsteuerung eines Systems verteilter Parameter mit innerer Wärmequelle am Beispiel der induktiven Erwärmung beim Thixoforming"; GMA Kongress 2003, VDI-Berichte 1756, VDI-Verlag, Düsseldorf 2003, ISBN 3-18091756-3, S. 1011-1021
[6] A. Schönbohm, H. M. Ritt, H. Rake, D. Abel: "Temperature Estimation and Control of Inductively Heated Aluminium Billets", SSM 2002, 25.09.- 27.09., Tsukuba, Japan
[7] Ritt, H.M.; Rake, H.: Advances in Forming Machine Control by Introducing Non-switching Adaptive Control Structures. SSM 2000, 6th International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Turin, Italy, 27.09.00-29.09.00; Tagungsband, ISBN 88-86259- 18-2.
[8] Sebus, R.; Ritt, H.M.; Henneberger, G.; Rake, H.: Vorrichtung und Verfahren zur berührungslosen Messung mechanischer Eigenschaften metallischer Werkstücke bei induktiver Erwärmung. Patentanmeldung; Deutsches Patentamt München, 1999.
[9] Ritt, H.M.; Sebus, R.; Rake, H.; Henneberger, G.: Advances in Control of Inductive Heating by Introducing Model Based Control Techniques. 5th International Conference on Semi- Solid Processing of Alloys and Composites, Godlen, Colorado (USA) 23-25.6.1998
[10] Wienand, F.; Ritt, M.; Rake, H.: Robust Control of a Thixoforming Process, European Control Conference, Brüssel, Belgien, 1.-4. Juli 1997.
[11] Hans-Martin Ritt.: "Regelung der induktiven Erwärmung von Metallen in den teilfüssigen Zustand", Dissertation 2000, VDI-Verlag