Automatisierte Prozesskettensimulation mit integrierter Mikrostrukturentwicklung : am Beispiel der thermomechanischen Behandlung von Aluminiumwerkstoffen

Brüggemann, Thiemo; Gottstein, Günter; Hirt, Gerhard Kurt Peter

doi:HT019023114

Automatisierte Prozesskettensimulation mit integrierter Mikrostrukturentwicklung : am Beispiel der thermomechanischen Behandlung von Aluminiumwerkstoffen = Automated through-process simulation with integrated microstructure evolution : using the example of thermomechanical treatment of aluminum

Brüggemann, Thiemo

2016

VerantwortlichkeitsangabeThiemo Brüggemann

ImpressumAachen : Shaker Verlag 2016

Umfang1 Online-Ressource (vii, 214 Seiten) : Illustrationen. Diagramme

ISBN978-3-8440-4529-1

ReiheBerichte aus der Werkstofftechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Gottstein, Günter (Thesis advisor) ; Hirt, Gerhard Kurt Peter (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-03-24

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-050443
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/659921/files/659921.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Aluminium (frei) ; Modellierung (frei) ; Prozesssimulation (frei) ; Simulation (frei) ; Textur (frei) ; Walzen (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Bei der konventionellen Herstellung von Aluminiumblechen aus Gussbarren durchläuft das Werkstück eine Abfolge von Walzstichen und Glühungen. Diese thermomechanische Behandlung ist notwendig, um sowohl die gewünschte Dickenreduktion ohne Schädigung zu ermöglichen, als auch um gewünschte Endeigenschaften des Halbzeuges einzustellen. Hierbei beeinflusst der Prozess die Mikrostruktur, d.h. durch Deformation und Wärmeeintrag entwickeln sich Textur, Korngrößen und weitere mikrostrukturelle Attribute, was die Eigenschaften des Halbzeuges verändert. Wird diese Herstellungsroute mittels Prozesssimulation unter Verwendung einer integrierten Mikrostrukturentwicklung rechnerisch abgebildet, so ergibt sich ein hohes Potential für die Optimierung von Prozess, Mikrostruktur und den finalen Eigenschaften, sowie die Chance auf einen Erkenntnisgewinn von komplexen Zusammenhängen. Die Praxis hat gezeigt, dass noch kein Simulationspaket für die betrachtete industrielle Fertigungskette besteht, in welchem eine vollständige Mikrostrukturentwicklung beinhaltet ist. Dies umzusetzen war das Ziel dieser Arbeit. Die Anforderungen an eine solche Modellkette sind: •Eine vollständige Integration von Prozess- und Mikrostrukturmodellen, d.h. die Entwicklung von geeigneten Prozess- und Strukturvariablen im Verlauf der Fertigungskette, • eine Übertragbarkeit auf Industriemaßstab, • ein Abwägen zwischen Rechenaufwand und -genauigkeit, • eine hohe Nutzbarkeit und • die Möglichkeit zur Validierung von Einzelmodellen und dem gesamten Modellpaket.Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wurden folgende Schritte unternommen: Innerhalb eines Walzstiches wurden die am Institut für Metallkunde und Metallphysik (IMM) entwickelten Mikrostrukturmodelle 3IVM+, GIA und CORe durch Übertragung der Zustandsvariablen untereinander verknüpft. An diese Modelle wurden die von Hydro Aluminium Rolled Products GmbH, Bonn bereitgestellten Prozessmodelle ROSERoll und ROSEAnneal angebunden. Eine Übertragbarkeit zur Industriefertigung (z.B. Temperaturentwicklung, Pausenzeiten, geometrische Bedingungen) ist durch Nutzung von realen Prozessdaten innerhalb der Prozessmodelle gegeben. Um eine vollständige Entwicklung der Mikrostrukturvariablen über einen Stich hinaus zu realisieren, wurden das Modul „Passlinker“ und die Datenbank zur Verfolgung der Deformationshistorie einzelner Körner hinzugefügt. Die Auflösung der Mikrostruktur wurde so implementiert, dass sie frei skalierbar ist. Das Verhalten der Modellkette bei unterschiedlicher Diskretisierung wurde statistisch untersucht und die Prozesskettensimulation im Abgleich mit Experimenten validiert. Das gesamte Modellpaket wurde in der internetbasierten Plattform SimWeb des IMM vollständig automatisiert, sowie Eingabe- und Ergebnistemplates ergänzt. Zur Unterstützung der Simulation wurden effiziente experimentelle Methoden zur Mikrostrukturcharakterisierung und Probenpräparation geschaffen. Aus diesen Aktivitäten ergibt sich folgender Mehrwert für die Prozesskettensimulation: Die vollständige Integration der Modelle und Module in einem Gesamtpaket verbessert die Vorhersagefähigkeit der Mikrostrukturentwicklung unter dem Einfluss von Prozessgrößen über komplette Fertigungsketten. Als Beweis dessen dient die metallphysikalisch anspruchsvolle simulative Abbildung des Einflusses von teilrekristallisierten Zwischenzuständen, welcher nun qualitativ gut vorhergesagt werden kann. Zusätzlich ist durch die neuen experimentellen Methoden eine Validierung dieser Zustände möglich. Darüber hinaus ist durch die neuen Analysemethoden der experimentelle Zeit- und Arbeitsaufwand verringert, sowie die Genauigkeit erhöht. Mit den Erkenntnissen der statistischen Untersuchung zum numerischen Verhalten der Modellkette kann der Nutzer den für ihn geeigneten Grad der Mikrostrukturdiskretisierung ableiten. Durch die Automatisierung ist die Effizienz und Nutzbarkeit der Prozesskettensimulation z. B. für große Parameterstudien deutlich gesteigert. Diese automatisierte Implementierung des Modellpaketes innerhalb der SimWeb-Plattform fördert zudem die Nachhaltigkeit der Prozesskettensimulation, denn sie bietet eine Basis für zukünftige Ergänzungen und Weiterentwicklungen.

During the conventional production of aluminum sheets from casted ingots, the workpiece passes through a sequence of rolling and annealing steps. This thermomechanical treatment is required in order to allow the desired thickness reduction without damage. In addition, it is utilized to achieve favored final properties of the semi-finished product. In the course of production, the process influences the microstructure, i.e. via deformation and heat input the texture, grain size and other microstructural characteristics develop. Thus, the resulting properties of the workpiece are altered throughout the process. If this aforementioned production route is mapped computationally via integrated process- and microstructure-simulation tools, there is a high potential for optimizing microstructural and final properties and the process itself. Furthermore, the utilization of such a simulation setup gives the possibility to gain understanding of complex interactions within the system, which might not be able to be tracked experimentally. As it turned out, no process simulation package with a fully integrated microstructure development existed so far, which covers the considered industrial production chain. The aim of this work was to implement a setup, which overcomes these shortcomings.The requirements for such a model package are the following: • A full integration of process models and microstructure models, i.e. to calculate the evolution of appropriate process and (microstructural-) state variables in the course of the production chain, • a transferability to an industrial scale, • a reasonable balance between computational effort and accuracy, • a high usability, and • a possibility to validate individual models and the entire model package.To meet these requirements, the following steps were taken: Within the simulation of a single rolling pass the microstructure models 3IVM+, GIA and Core, which were developed at the Institute of Physical Metallurgy and Metal Physics (IMM), were interlinked via the transfer of chosen state variables. Furthermore, these models were coupled with two process models, namely ROSERoll and ROSEAnneal, which were provided by Hydro Aluminium Rolled Products, R&D Bonn. Via the latter models a transferability to an industrial production (i.e. temperature development, interpass times, geometrical conditions) is given by the use of real processing data from productions lines. In order to realize a continuous evolution of microstructure variables over sequential thermomechanical treatments, two new modules had to be integrated. Firstly, the Passlinker module, and secondly a database for tracking the deformation history of individual grains throughout the process. Within the model package, the microstructure discretization was implemented in such a way, that it is freely scalable. The behavior of the simulation setup at different degrees of discretization was statistically analyzed. In addition, it was validated with experimental observations. The whole model package has been fully automated in the internet-based platform SimWeb from IMM. Here, also input templates and result templates were added. Furthermore, for microstructure characterization and sample preparation, efficient experimental methods have been created to support the simulation. These activities resulted in the following benefits for through-process simulations: The full integration of models and modules into the aforementioned package improves the predictive capability of the microstructure evolution under the influence of the process during complete production chains. The model setup is now capable to reproduce the – in a metal-physical context – demanding evolution of partially recrystallized intermediate microstructural conditions during further processing in a qualitative manner. In addition, a validation of such conditions is now possible with the newly established experimental analysis and sample preparation methods. Moreover, these techniques reduce experimental effort, and go hand in hand with an increased accuracy. Based on the findings from statistical simulation analysis on the numerical behavior of the modelling setup, the user can derive a suitable level of microstructure discretization for a given task. Noteworthy, the efficiency and usability of the through-process simulation framework is significantly improved via automation, being important for large parametric studies or further statistical analyses. Moreover, this automated implementation of the model package within the SimWeb platform also promotes the sustainability of the process chain simulation. Thus, it provides a sound basis for future additions and advancements.

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