Das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) war bei der Antragsstellung innerhalb eines DFG-Schwerpunktprogrammes gleich doppelt erfolgreich. Im SPP 2402 „Greybox-Modelle zur Qualifizierung beschichteter Werkzeuge für die Hochleistungszerspanung“ hat die Abteilung Zerspanung des Instituts zwei Projektbewilligungen erhalten. „Dies ist eine große Auszeichnung für uns und eine spannende Aufgabe“, sagt Arnd Heckemeyer, Abteilungsleiter der Zerspanung am IFW. Ziel des Schwerpunktprogramms ist die Erarbeitung neuartiger Methoden für die Entwicklung beschichteter Zerspanwerkzeuge. Heckemeyer: „Wir haben die Chance die Forschungen in diesem Themenbereich maßgeblich mit voranzutreiben.“

Die Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) haben bereits Einzug in viele Bereiche der Produktionsforschung erhalten. So auch in die Werkzeugentwicklung, bei der beispielsweise KI-basierte Kraftmodelle die Werkzeugauslegung unterstützen. Diese Methoden basieren auf empirischen Daten, aus denen mithilfe von Algorithmen ein Modell gebildet wird. Da nur das äußere Verhalten der Ein- und Ausgangsgrößen berücksichtigt wird und die mathematischen Beziehungen nicht betrachtet werden, werden diese Modelle oftmals auch als Blackbox bezeichnet.

Demgegenüber steht die deterministische Modellwelt, auch Whitebox genannt. Hierbei handelt es sich um ein Modell, das durch physikalische Gesetze beschrieben werden kann. Werden diese Modellwelten aus datengetriebenen Ansätzen und physikalisch beschreibbaren Zusammenhängen vereint, entsteht eine kombinierte Modellwelt: die Greybox. Mit eben dieser zu erforschenden Methode soll die Qualifizierung beschichteter Werkzeuge für die Hochleistungszerspanung ermöglicht werden.

Bei der Prognose des Werkzeugeinsatzverhaltens kommt es mit den aktuell angewendeten Methoden zu teilweise erheblichen Abweichungen. Zum einen liegt dies an der verschleißbedingten Gestaltveränderung des Werkzeugzeugs, wodurch die thermomechanischen Lasten an der Schneide mit fortschreitendem Werkzeugverschleiß variieren. Zum anderen werden durch die anliegenden Lasten im Zerspanprozess auch die Schicht- bzw. Schneidstoffeigenschaften verändert, die wiederrum Einfluss auf die Beanspruchung des Werkzeugs nehmen. Diese Vorgänge sind sehr komplex, sodass sie mit einfachen Modellen nicht hinreichend beschreibbar sind. „Genau hier möchten wir die Potenziale von Greybox-Modellen nutzten“, erklärt Wissenschaftler Heckemeyer. „Die Eigenschaftsveränderungen des Schneidstoffes mit physikalischen Modellen abzubilden, wäre eine Mammutaufgabe. Wir haben mit den datengetriebenen Ansätzen jedoch das entsprechende Handwerkszeug, um die Aus- und Wechselwirkungen des Verschleißes mit der Werkzeugbelastung zu beschreiben.“

Obwohl der übergeordnete Fokus natürlich ähnlich ist, unterscheiden sich die Methoden zur Datenakquise sowie die Kopplung mit dem deterministischen Whitebox-Modell doch erheblich voneinander. Auch das IFW setzt unterschiedliche Methoden ein, um die Greybox-Ansätze aufzustellen.

Heckemeyer:„Im Projekt „Entwicklung eines Greybox-Modells zur Prognose der Leistungsfähigkeit PVD-beschichteter Hartmetallwerkzeuge“ werden experimentelle Daten aus Hobeluntersuchungen genutzt, um die mechanische Schneidkeilbelastung zu berechnen und mit einem Blackbox-Modell der zeitlich aufgelösten Schichteigenschaften zu koppeln. Im Projekt „Entwicklung eines Greybox-Modells zur Prognose des Werkzeugverschleißes von PVD-Hartstoffschichten für die Schlichtbearbeitung“ setzen wir auf einen rein simulativen Ansatz, bei dem der Werkzeugverschleiß unter Berücksichtigung der veränderlichen Schichteigenschaften berechnet wird.

Gemeinsam mit Institut für Werkstoffkunde (IW) der Leibniz Universität Hannover Hannover und dem Institut für Oberflächentechnik (IOT) der RWTH Aachen wird man in der ersten Förderphase an dem Aufbau dieser Modellansätze arbeiten.