Development of a soft sensor system for the property-controlled process design of freeform bending with moveable die

Stebner, Sophie Charlotte; Münstermann, Sebastian; Volk, Wolfram

doi:43811

Development of a soft sensor system for the property-controlled process design of freeform bending with moveable die = Entwicklung eines Softsensor Systems zur eigenschaftsgeregelten Prozessgestaltung des Freiformbiegens mit beweglicher Matrize

Stebner, Sophie Charlotte^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sophie Charlotte Stebner, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Münstermann, Sebastian (Thesis advisor)^RWTH* ; Volk, Wolfram (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-09-24

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-09686
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/995044/files/995044.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Barkhausen noise (frei) ; closed-loop control (frei) ; forming (frei) ; property-control (frei) ; residual stresses (frei) ; soft sensor (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der Freiformbiegeprozess mit bewegter Matrize ist ein innovativer Biegeprozess, der die Herstellung komplexer dreidimensionaler Geometrien ohne Wechsel des Biege-werkzeugs ermöglicht und somit ein hohes Maß an Gestaltungsfreiheit und Anpassung bietet. Die Ausgangssituation dieser wissenschaftlichen Arbeit war die Fähigkeit, komplexe Geometrien zu biegen, jedoch ohne Kenntnisse über relevante mechanische Eigenschaften, die im gebogenen Bauteil vorliegen. Dies jedoch führt zu einer hohen Anzahl an zu verschrottenden Rohrbögen, zeitaufwändigen Einstellverfahren während des Prozesses sowie unbekannter Leistungsfähigkeit der Bauteile. Daher besteht die Notwendigkeit, eine eigenschaftsbasierte Regelung in den Freiformbiegeprozess zu implementieren, die die Freiheitsgrade des Prozesses während des Biegens entsprechend den benötigten mechanischen Eigenschaften des Rohrs anpassen kann. Mechanische Eigenschaften, die besonders interessant im gebogenen Rundrohr sind, sind die Festigkeit, Duktilität sowie die Eigenspannungen in Axial- und Umfangsrichtung, da sie überwiegend die Anwendung und Verarbeitbarkeit des Bauteils bestimmen. Diese mechanischen Eigenschaften sind jedoch zeitaufwändig oder sogar unmöglich während des Biegeprozesses zu bestimmen, wo es jedoch notwendig ist, sie zu kennen, um die Aktuatoren entsprechend der benötigten Eigenschaften einstellen zu können. Daher muss eine schnelle, zuverlässige und effiziente Lösung für die Ableitung der Festigkeit, Duktilität und Eigenspannungen in den Rohren wissenschaftlich erschlossen werden. Folglich liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Konzeption eines sogenannten Softsensors, basierend auf Zustandsraummodellen, der während des Biegeprozesses schnell die relevanten mechanischen Eigenschaften ableiten kann. Der Softsensor stützt sich dabei auf Ultrasonic Contact Impedance Härte- und Barkhausen-Rauschmessungen, die sensitiv auf Veränderungen in makroskopischen/mikroskopischen Eigenschaften im untersuchten Material reagieren und dabei in die Biegemaschine integriert werden können. Festigkeits-, Duktilitäts-, Umfangs- und Axialeigenspannungsmessungen werden teilweise experimentell sowie numerisch durchgeführt und jeweils mit der Ultrasonic Contact Impedance Härte und dem Barkhausen-Rauschen korreliert, so dass eine schnelle und zuverlässige Ableitung dieser relevanten mechanischen Eigenschaften ermöglicht wird. Somit schafft diese Arbeit die Basis für eine eigenschaftsbasierte Regelung des Biegeprozesses und führt eine Methodik für die schnelle und zuverlässige Bestimmung nicht messbarer Parameter in einem Bauteil ein, was eine ressourcen- und kosteneffizientere Gestaltung des Prozesses ermöglicht.

The freeform bending process with movable die is an innovative bending process that allows the manufacture of complex three-dimensional geometries without a change in the bending tool. Thus, it offers a high degree of design freedom and customization. The initial situation of this scientific work was the ability of bending complex geometries, however without any knowledge on relevant mechanical properties, that were set in the bent component. This led to high amounts of scrap material, time consuming adjustment procedures during the process as well as unknown reliability regarding the component’s performance. Hence, there is a need to implement a closed-loop property-control into the freeform bending process, that can adjust the degrees of freedom on offer during the bending procedure according to the needed mechanical properties of the tube. Mechanical properties that are especially of interest for bent round tubes are the strength, ductility as well as the residual stresses in axial and hoop direction, as they predominantly determine the components application. However, these mechanical properties are time-consuming or even impossible to determine during the bending process, where it is necessary to know them, in order to be able to manipulate the actuators according to the needed properties. Hence, there needs to be a fast, reliable and efficient solution for the derivation of the strength, ductility and residual stresses in the tubes. Thus, the focus of this work lies on the conception of a so-called soft sensor based on state-space models that can quickly derive the relevant mechanical properties during the bending process. The soft sensor relies on Ultrasonic Contact Impedance hardness and Barkhausen Noise measurements that are susceptible to a change in macroscopical/microscopical properties in the investigated material and can, furthermore, be implemented into the bending machine. Strength, ductility, hoop, and residual axial stress measurements are taken partly experimentally as well as numerically and are correlated to the Ultrasonic Contact Impedance hardness and Barkhausen Noise respectively such that a fast and reliable derivation of the relevant mechanical properties is enabled. Hence, this work lies the foundation for a closed-loop property-control of the bending process in introducing a methodology for the quick and reliable determination of immeasurable parameters in a component allowing a more resource and economically efficient design of the process.

OpenAccess:
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