Planning and Multi-Objective Optimization of Manufacturing Processes by Means of Empirical Surrogate Models

Wagner, T.

Die produzierenden Unternehmen haben einen Wandel von einer angebots- zu einer nachfrageorientierten Produktentwicklung vollzogen. Eine effiziente Anpassung an die wechselnden Kundenwünsche auf Basis der vorhandenen Produkte und Ressourcen ist eine wichtige Voraussetzung für den Erfolg. Hochentwickelte thermomechanisch gekoppelte Umformprozesse erlauben in diesem Kontext eine neue Stufe der Flexibilität. Auf Basis von kontrolliert eingebrachten Phasenumwandlungen können die Bauteileigenschaften für die spätere Anwendung maßgeschneidert werden. Um diese Potenziale jedoch ausschöpfen zu können, gilt es, die Einflüsse der Prozessparameter sowie die Interaktionen der Prozesse über die Prozesskette genauestens zu verstehen. Effiziente Methoden für die Prozesskettenplanung und die Anpassung der Prozessparameter sind von steigender Bedeutung. Empirische Ersatzmodelle, welche parameterabhängig die Vorhersage von Bauteileigenschaften und Prozessgrößen erlauben, unterstützen dabei, das Potenzial der vorhandenen Ressourcen zu erschließen. Auf Basis vorbereitender Experimente können die Eigenschaften auch für bisher nicht durchgeführte Experimente angenähert werden. Insbesondere für Kriging-Modelle aus der Planung und Analyse von Computerexperimenten wurden in den letzten 20 Jahren zahlreiche erfolgreiche Anwendungen dokumentiert. In der vorliegenden Dissertation wird eine Methodik für die Planung von Fertigungsprozessen präsentiert. Diese Methodik basiert auf Kriging-Modellen und zwei Ansätzen für die Optimierung von Prozessketten. Als Bestandteil der Methodik wird eine Vorgehensweise für die modellbasierte Analyse und Optimierung von Prozessen vorgeschlagen. Erweiterungen der Modelle für eine Anwendung auf verrauschte Daten werden vorgestellt und die erzielten Verbesserungen mittels Simulationsstudien bewertet. Darüber hinaus werden neuartige Kriterien für eine sequentielle Versuchsplanung zur Annäherung der Paretofront, d. h. der Menge der optimalen Kompromisslösungen bezüglich der Bauteileigenschaften und Prozessgrößen, vorgestellt und mittels theoretischer Anforderungen und experimenteller Ergebnisse verglichen. Diese Kriterien erlauben es, von der Möglichkeit einer lokalen Modellverfeinerung zu profitieren. Die Paretofront ist dabei von speziellem Interesse, da sie einen Überblick über die Möglichkeiten eines Prozesses bietet und die für den Fertigungsplaner relevanten Parametersätze enthält. Eine Validierung der Planungsmethodik und der modellbasierten Vorgehensweise erfolgt durch die Anwendung auf eine thermomechanisch gekoppelte Prozesskette zur Herstellung von eigenverstärkten Thermoplastverbunden. Die Formalisierung dieser Prozesskette durch gezielt gekoppelte empirische Modelle wird präsentiert. Ein besonderer Fokus liegt auf verschiedenen Ansätzen zur Vorhersage von Eigenschaftsverteilungen über das Bauteil, welche auf Basis von Fallbolzenuntersuchungen an lokal aus dem Bauteil entnommenen Probekörpern bestimmt werden. Es wird nachgewiesen, dass die Prozesskette mithilfe der vorgeschlagenen Methodik mit hoher Genauigkeit beschrieben, analysiert und optimiert werden kann.

Veröffentlicht als

Dissertation, Technische Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2013, ISBN 978-3-8027-8775-1