DE102018211653A1 - Verfahren zum Überwachen von Gussformen sowie Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Überwachen einer Gussform, insbesondere deren Schlichtedicke, auf Basis einer nicht-negativen Matrixfaktorisierung.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Gussform, insbesondere zum Überwachen oder Ermitteln einer Schlichtequalität bzw. einer Schlichtedicke einer Gussform, eine Vorrichtung, ein Computerprogrammprodukt sowie eine Verwendung des Verfahrens.
• Es ist bekannt, Gussformen zu schlichten. Als Schlichten werden Überzugsstoffe zum Glätten von Gussformen und Kernen bezeichnet. Derartige Schlichten können unter anderem einer verbesserten Oberflächengüte der Gussstücke, einer Vermeidung von Gussfehlern, der Verhinderung unerwünschter chemischer oder thermischer Reaktionen zwischen der Schmelze und der Form sowie der Steuerung metallurgischer Effekte dienen. Über mehrere Gießvorgänge hinweg, nützt sich ein derartiger Schlichteauftrag ab, wird also stellenweise beispielsweise dünner. Dies geschieht abhängig von der Geometrie der Gussform und den gießtechnischen Randbedingungen örtlich unterschiedlich. Entsprechend wird die Gussform von Zeit zu Zeit gereinigt und/oder (nach-)geschlichtet. Aus der US 2005/0126478 A1 ist in diesem Zusammenhang eine Vorrichtung bekannt, welche zum Auftrag von Schlichte auf eine Gussform verwendet wird. Diese ist insbesondere derart ausgelegt, auch schwer zugängliche Stellen der Gussform zu erreichen. Aus der DE 10 2013 223 311 A1 ist eine Wartungsstation für Gießwerkzeuge und ein Verfahren zum Warten eines Gießwerkzeugs bekannt, wobei mit einer Handlingseinrichtung gearbeitet wird, an der eine Sprüheinrichtung angeordnet ist, wobei mit der Sprüheinrichtung ein Reinigungsmedium auf eine Oberfläche mindestens eines Gießwerkzeugs aufsprühbar ist, und wobei das Reinigungsmedium ein Gemisch aus Druckluft und abrasiven Partikeln ist. Insbesondere handelt es sich bei der Handlingseinrichtung beispielsweise um einen Roboter. Die aus dem Stand der Technik bekannten Ansätze betreffen die gesamte Gussform, bieten dabei aber keine Möglichkeit, den Schlichteauftrag bzw. dessen Qualität in irgendeiner Art und Weise zu überwachen bzw. zu Informationen zu gelangen, wo und wann ggf. ein neuer Schlichteauftrag möglich ist.
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Überwachen einer Gussform, eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Gussformen, ein Computerprogrammprodukt sowie eine Verwendung eines Verfahrens zum Überwachen einer Gussform anzugeben, welche die vorgenannten Nachteile beseitigen und unter anderem eine Möglichkeit schaffen, einen Schlichteauftrag während des laufenden Produktionsprozesses zu überwachen.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 7, ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 10 sowie eine Verwendung gemäß Anspruch 11 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
• Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Überwachen einer Gussform, insbesondere deren Schlichtequalität, die Schritte:
• - Anordnen einer Anzahl von Temperaturverläufen in Form einer Matrix, wobei jede Zeile der Matrix einem Temperaturverlauf über der Zeit entspricht und wobei die Temperaturverläufe einer Messstelle einer Gussform zugeordnet sind;
• - Durchführen einer Matrixfaktorisierung durch Zerlegen der Matrix in eine nicht-negative Koeffizientenmatrix und eine nicht-negative Komponentenmatrix mit einer Anzahl von Zeilen, wobei jede Zeile einer Komponente entspricht;
• - Auswahl oder Variation der Anzahl der Komponenten derart, dass eine Referenzkomponente gefunden wird, die am Verlauf einer Basiskurve vom Typ $$\left(y\right)=c*\left(e^{-a*x}-e^{-b*x}\right)$$
  
  entspricht oder zumindest ähnelt, wobei a, b und c > 0 und a > b gilt;
• - Verwenden der Komponentenmatrix als Modell zum Bestimmen eines Koeffizientenvektors für einen auszuwertenden Temperaturverlauf, indem der Temperaturverlauf über das Produkt des Koeffizientenvektors mit der Komponentenmatrix abgebildet wird;
• - Verwenden eines Referenzkoeffizienten zum Bestimmen des Wärmetransports an der Messstelle, wobei der Referenzkoeffizient derjenige Koeffizient des Koeffizientenvektors ist, welcher mit der Referenzkomponente multipliziert wird.
• Zweckmäßigerweise wird also eine nicht-negative Matrixfaktorisierung genutzt, um ein Modell aufzubauen, welches ermöglicht, eine Gussform zu überwachen, insbesondere den Wärmetransport in der Gussform, insbesondere an einer bestimmten Messstelle, zu erfassen und auszuwerten. Insbesondere handelt es sich bei den Temperaturverläufen um gemessene Temperaturverläufe. Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren aber auch in der Simulation angewendet werden, wobei es sich dann zweckmäßigerweise um simulierte Temperaturverläufe handelt. Gegebenenfalls kann dies verwendet werden, um das Modell zu trainieren bzw. um bestimmte Parametervariationen durchzuführen.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
• - Verwenden des Referenzkoeffizienten als Indikator für eine Schlichtedicke bzw. Schlichtequalität, wobei die Schlichtedicke umso kleiner ist, je größer der Referenzkoeffizient ist.
• Wie eingangs erwähnt, werden Gussformen, wie beispielsweise Kokillen, geschlichtet. Dabei beeinflusst die Schlichte unter anderem den Wärmetransport, die Fließeigenschaften der Schmelze, die Oberflächeneigenschaften des Bauteils sowie die Wandstärke etc. Insbesondere die Tatsache, dass die Schlichte den Wärmetransport, insbesondere den Wärmetransport von der Schmelze in die Gussform hinein, beeinflusst, kann nun vorteilhaferweise dazu genutzt werden, um über das vorgenannte Modell, insbesondere auch während der Produktion, die Schlichtequalität, bzw. insbesondere eine Schlichtedicke, zu überwachen. Der physikalische Hintergrund besteht dabei darin, dass eine dickere Schlichteschicht für einen anderen Wärmetransport und damit für einen anderen Temperaturverlauf an einer Messstelle einer Gussform sorgt, als eine dünnere. Zweckmäßigerweise wird über den vorgestellten Ansatz eine Vielzahl von Temperaturverläufen dazu genutzt, eine bzw. die Komponentenmatrix aufzubauen, wobei diese dann wiederum dazu verwendet wird, einen neuen gemessenen Temperaturverlauf, insbesondere hinsichtlich einer Schlichtedicke, zu interpretieren, wobei diesbezüglich in einfacher und effektiver Weise auf den Koeffizientenvektor, und hier insbesondere auf den Referenzkoeffizienten, zurückgegriffen werden kann. Es hat sich hierbei überraschend gezeigt, dass die Anzahl k zweckmäßigerweise so lange variiert wird, bis eine Komponente gefunden ist, welche einen Verlauf aufweist, welcher der Basiskurve gleicht, ähnelt oder nachempfunden ist. Eine derartige Kurve, wenn sie einen starken Beitrag liefert, was über einen entsprechenden Referenzkoeffizienten geschieht, sorgt dafür, dass die Temperaturkurve schneller ansteigt und auch wieder schneller fällt. Dies lässt sich mit einem größeren Wärmestrom bei dünnerer Schlichteschicht in Verbindung bringen. Die Wärmeenergie kommt schneller beim Temperatursensor (an der jeweiligen Messstelle) an und wird schneller aus dem Bauteil gezogen. In der Praxis müssen lediglich die Komponenten mit der Basiskurve verglichen werden, um so die Referenzkomponente zu ermitteln, wobei dies manuell bzw. visuell erfolgen kann oder auch mittels eines geeigneten Algorithmus, welcher selbständig bzw. automatisiert innerhalb des Verfahrens durchgeführt wird.
• Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
• - Verwenden des auszuwertenden Temperaturverlaufs zum Aktualisieren der Komponentenmatrix.
• Zweckmäßigerweise wird das Modell also stets weiter trainiert bzw. durch die hinzukommenden Temperaturverläufe weiter verbessert, was der Modellqualität zugutekommt.
• Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
• - Erstellen einer Vielzahl von Modellen für eine Gussform zum positionsgenauen Ermitteln der Schlichtequalität.
• Zweckmäßigerweise ist an der zu überwachenden Gussform eine Vielzahl von Messstellen vorgesehen, wodurch es möglich ist, ortsaufgelöst die Gussform zu überwachen, insbesondere eine Schlichtequalität und insbesondere eine Schlichtedicke festzustellen.
• Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
• - Visualisieren bzw. Darstellen der Schlichtequalität, insbesondere ortsaufgelöst, beispielsweise mittels eines Displays.
• Zweckmäßigerweise kann so von einem Arbeiter die Schlichtequalität live während des Produktionsprozesses überwacht werden. Ebenso ist es möglich, ortsaufgelöst und damit zielgenau nachzuschlichten oder zu reinigen. Dies bedingt einen deutlichen geringeren Ressourceneinsatz und verringert die Rüstzeiten, da vermieden wird, die Gussform beispielsweise unnötig oft zu reinigen bzw. zu schlichten.
• Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
• - Zielgenaues Reinigen der Gussform und/oder Auftragen von Schlichte auf Basis der Visualisierung.
• Zweckmäßigerweise erfolgt das Reinigen der Gussform und/oder das Auftragen von Schlichte automatisiert, beispielsweise mittels einer entsprechenden Handhabungseinrichtung wie eines Roboters, welcher ausgelegt ist, die durch das Modell bereitgestellten Informationen entsprechend weiter zu verarbeiten.
• Die Erfindung richtet sich auch auf eine Vorrichtung zum Bearbeiten einer Gussform, umfassend zumindest einen Temperatursensor sowie eine Recheneinheit, welche ausgelegt ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
• Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Anzeigeeinheit, beispielsweise ein Display, welches ausgelegt ist, eine Schlichtequalität, insbesondere eine Schlichtedicke, der Gussform, insbesondere ortsaufgelöst, zu visualisieren. Dies ermöglicht das zielgenaue Bearbeiten der Gussform, beispielsweise durch einen Arbeiter, insbesondere zum Nachschlichten oder Reinigen der Gussform.
• Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Robotereinheit bzw. einen Roboter, welcher ausgelegt ist, auf Basis der ermittelten Schlichtequalität die Gussform zu bearbeiten, insbesondere zu reinigen und/oder zu schlichten. Zweckmäßigerweise kann so ein automatisiertes bzw. sogar vollautomatisiertes System bzw. eine Vorrichtung zum Bearbeiten der Gussform angegeben werden.
• Die Erfindung richtet sich auch auf ein Computerprogrammprodukt, enthaltend eine Software mit Softwarecodeabschnitten, welche einen Computer dazu veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer ausgeführt wird.
• Abschließend richtet sich die Erfindung auch auf eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen von Gussteilen, insbesondere zum Herstellen von Fahrzeugkomponenten, beispielsweise aus Aluminium und/oder Magnesium, insbesondere im Kokillenguss. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnten Vorteile und Merkmale analog und entsprechend für die Vorrichtung, das Computerprogrammprodukt sowie die Verwendung gelten bzw. umgekehrt und untereinander. Das Verfahren ist dabei nicht auf die Überwachung einer Schlichtequalität bzw. Schlichtedicke beschränkt. Letztendlich können damit alle Effekte überwacht werden, welche in irgendeiner Weise mit dem Temperaturverlauf bzw. einer Wärmeübertragung zwischen der Schmelze und der Gussform einhergehen. So ist es beispielsweise auch möglich, Wärmenester in der Gussform zu erkennen, welche die Erstarrung der Schmelze maßgeblich beeinflussen etc.
• Das von einem Temperatursensor aufgezeichnete Verhalten ist grundsätzlich von einer Vielzahl von Einflussfaktoren abhängig. Die sind beispielsweise die Anordnung von Heizpatronen oder Kühlkreisen, Schwankungen in der Schmelzetemperatur etc. Der vorgeschlagene Machine-Learning-Ansatz bzw. das erfindungsgemäße Verfahren bietet einen pragmatischen Ansatz, diese Einflüsse voneinander zu trennen, insbesondere durch die Bestimmung der Referenzkomponente, welche sich an der Basiskurve orientiert, die ihrerseits eine Modellierung eines Wärmezuflusses und eines Wärmeabflusses darstellt. Dies kann direkt mit der beispielsweise im Fokus stehenden Schlichtedicke in einen physikalischen Zusammenhang gebracht werden und so zur Überwachung der Gussform genutzt werden, insbesondere zu einer „live“-Überwachung der Schlichtedicke im laufenden Produktionsprozess.
• Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform des Verfahrens mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
• Es zeigen:
• 1: eine schematische Skizze zur Veranschaulichung des Modellaufbaus;
• 2: einen Verlauf der Basiskurve;
• 3: eine Anwendung des Modells an einem auszuwertenden Temperaturverlauf.
• 1 zeigt ein Schema, welches eine Ausführungsform des Verfahrens zum Überwachen einer Gussform veranschaulichen soll. Mit dem Bezugszeichen X ist eine Matrix bezeichnet, welche eine Vielzahl von Temperaturkurven oder Temperaturverläufen T_mess aufweist. Je Zeile ist ein Temperaturverlauf T_mess angeordnet. Die Spalten der Matrix X entsprechen den verschiedenen Zeitpunkten t. Über eine nicht-negative Matrixfaktorisierung wird diese Matrix X nun in eine Koeffizientenmatrix W und eine Komponentenmatrix H zerlegt, wobei die Zeilenzahl der Koeffizientenmatrix W der Anzahl der Temperaturverläufe bzw. der Anzahl der vermessenen Bauteile N entspricht und die Spaltenanzahl der Anzahl der Komponenten k1, k2 etc. An dieser Stelle sei erwähnt, dass es sich hier um die Temperaturverläufe ein und derselben Messstelle handelt. Bezugszeichen H bezeichnet die Komponentenmatrix, wobei diese in der hier gezeigten Ausführungsform drei Komponenten k1, k2 und k3 aufweist. In der rechten Bildhälfte sind die Komponenten bzw. deren Verläufe herausgegriffen bzw. dargestellt. Bei den Komponenten handelt es sich um Kurven, welche verschiedene Verläufe aufweisen. Zu erkennen ist, dass die Komponente k3 einen Verlauf aufweist, welcher in etwa einem Verlauf einer Basiskurve, wie sie in der 2 dargestellt ist, entspricht. Entsprechend wird die Komponente k3 als die Referenzkoeffiziente H_ref ausgewählt. Die Komponentenmatrix H stellt nun das eigentliche Modell dar, welches im weiteren Verlauf zum Überwachen der Gussform verwendet wird, zusammen mit dem Wissen, dass die Komponente k3 die Referenzkomponente H_ref ist. Die Anzahl der Komponenten wird zweckmäßigerweise im Rahmen der Modellbildung variiert bzw. z. B. so lange erhöht, bis eine Komponente gefunden ist, deren Verlauf zumindest in etwa der Basiskurve y entspricht.
• 2 zeigt nun einen Verlauf einer Basiskurve, wobei es sich hierbei um eine Kurve vom Typ $$\left(y\right)=c*\left(e^{-a*x}-e^{-b*x}\right)$$

  

  handelt, wobei a, b und c > 0 und a > b gilt. Die Variable x stellt eine Eingangsgröße dar, beispielsweise die Zeit.
• 3 zeigt einen auszuwertenden Temperaturverlauf T_neu, welcher in Form eines Vektors dargestellt ist, welcher eine Zeile aufweist, wobei die Spalten den verschiedenen Zeitpunkten entsprechen. Die Komponentenmatrix H wird nun dazu genutzt, einen Koeffizientenvektor V zu bestimmen. Hierzu sind unterschiedliche mathematische Ansätze verwendbar. Weiter oben wurde gezeigt, dass im vorliegenden Beispiel die Komponente k3 die Referenzkomponente H_ref ist. Entsprechend ist der dritte Koeffizient des Koeffizientenvektors V der Referenzkoeffizient W_ref. Dieser kann als Indikator für eine Schlichtequalität verwendet werden. Dieser Koeffizient sorgt, wenn er einen starken Beitrag liefert, also groß ist, dafür, dass die Temperaturkurve schneller ansteigt und auch wieder fällt. Dies lässt sich mit einem größeren Wärmestrom bei dünnerer Schichtdicke der Schlichte in Verbindung bringen. Die Wärmeenergie kommt schneller beim Temperatursensor an und wird schneller aus dem Bauteil entzogen. Dieser Koeffizient kann nun systematisch und insbesondere während der laufenden Produktion überwacht werden. Hierzu wird er beispielsweise invertiert und durch Addition einer Konstanten auf einen positiven Wert gebracht, was die Lesbarkeit erleichtert. In der Folge kann damit ein Verlauf der Schlichtedicke, insbesondere während der Produktion, überwacht werden.
• Bezugszeichenliste

X

Matrix

W

Koeffizientenmatrix

H

Komponentenmatrix

V

Koeffizientenvektor

H_ref

Referenzkomponente

W_ref

Referenzkoeffizient

N

Anzahl (Bauteile)

t

Zeitpunkte

k

Anzahl (Komponenten)

k1, k2, k3 ...

Komponenten

T_mess

Temperaturkurve(n)

T_neu

auszuwertender Temperaturverlauf

y

Basiskurve

a, b, c

Konstanten

x

Eingangsgröße, Zeit

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 2005/0126478 A1 [0002]
• DE 102013223311 A1 [0002]

Claims (11)

1. Verfahren zum Überwachen einer Gussform, insbesondere deren Schlichtequalität, umfassend die Schritte: - Anordnen einer Anzahl (N) von Temperaturverläufen (T_mess) in Form einer Matrix (X), wobei jede Zeile der Matrix (X) einem Temperaturverlauf (T_mess) über der Zeit (t) entspricht und wobei die Temperaturverläufe (T_mess) einer Messstelle einer Gussform zugeordnet sind; - Durchführen einer Matrixfaktorisierung durch Zerlegen der Matrix (X) in eine nichtnegative Koeffizientenmatrix (W) und eine nichtnegative Komponentenmatrix (H) mit einer Anzahl (k) von Zeilen, wobei jede Zeile einer Komponente (k1, k2 ..) entspricht; - Auswahl oder Variation der Anzahl (k) der Komponenten derart, dass eine Referenzkomponente (H_ref) gefunden wird, deren Verlauf einer Basiskurve (y) vom Typ $$\left(y\right)=c*\left(e^{-a*x}-e^{-b*x}\right)$$

   

   entspricht oder zumindest ähnelt, wobei a, b und c > 0 und a > b gilt; - Verwenden der Komponentenmatrix (H) als Modell zum Bestimmen eines Koeffizientenvektors (V) für einen auszuwertenden Temperaturverlauf (T_neu), indem der auszuwertende Temperaturverlauf (T_neu) über das Produkt des Koeffizientenvektors (V) mit der Komponentenmatrix (H) abgebildet wird; - Verwenden eines Referenzkoeffizienten (W_ref) zum Bestimmen des Wärmetransports an der Messstelle, wobei der Referenzkoeffizient (W_ref) derjenige Koeffizient des Koeffizientenvektors (V) ist, welcher mit der Referenzkomponente (H_ref) multipliziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend den Schritt: - Verwenden des Referenzkoeffizienten (W_ref) als Indikator für eine Schlichtedicke, wobei die Schlichtedicke umso kleiner ist, je größer der Referenzkoeffizient (W_ref) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, umfassend den Schritt: - Verwenden des auszuwertenden Temperaturverlaufs (T_neu) zum Aktualisieren der Komponentenmatrix (H).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Erstellen einer Vielzahl von Modellen für eine Gussform zum positionsgenauen Ermitteln der Schlichtequalität.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Visualisieren der Schlichtequalität.
6. Verfahren nach Anspruch 5, umfassend den Schritt: - Zielgenaues Reinigen der Gussform und/oder Auftragen von Schlichte auf Basis der Visualisierung.
7. Vorrichtung zum Bearbeiten von Gussformen, umfassend zumindest einen Temperatursensor sowie eine Recheneinheit, welche ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, umfassend eine Anzeigeeinheit, welche ausgelegt ist, eine Schlichtequalität der Gussform zu visualisieren.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, umfassend einen Roboter, welcher ausgelegt ist, auf Basis der ermittelten Schlichtequalität die Gussform zu bearbeiten, insbesondere zu reinigen und/oder zu schlichten.
10. Computerprogrammprodukt, enthaltend eine Software mit Softwarecode-Abschnitten, welche einen Computer dazu veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf dem Computer ausgeführt wird.
11. Verwenden eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-6 bei der Herstellung von Gussteilen.

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