24.11.2021 – Kategorie: Konstruktion & Engineering

Bauteilschwingungen bei der Fräsbearbeitung mit digitalem Zwilling vorhersagen

Quelle: Fraunhofer IPT

Mit einem digitalen Zwilling lassen sich bereits in der Prozessplanung die geeigneten Parameter auswählen, um Bauteilschwingungen zu reduzieren.

  • Bauteilschwingungen, die bei vielen Fertigungsverfahren entstehen, führen häufig dazu, dass die Oberfläche des Werkstücks beschädigt wird. Darüber hinaus sind sie ein Grund für erhöhten Werkzeugverschleiß.
  • Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen hat erstmals gemeinsam mit Industriepartnern einen digitalen Zwilling entwickelt, mit dem sich Bauteilschwingungen bei der Fräsbearbeitung vorhersagen lassen.
  • Mithilfe des digitalen Zwillings lassen sich bereits während der Prozessplanung optimale Prozessparameter auswählen und für eine ressourcenschonendere und kosteneffizientere Produktion verwenden.

Bei der Fräsbearbeitung entstehen durch den charakteristischen unterbrochenen Schnitt sowohl am Bauteil als auch am Fräswerkzeug Schwingungen. Diese verursachen häufig Schäden an der Oberfläche des Werkstücks. In der Folge müssen die Bauteile zeit- und kostenintensiv nachbearbeitet werden. Hinzu kommt der hohe Werkzeugverschleiß, den die Bauteilschwingungen verursachen. Dünnwandige Werkstücke, wie sie in der Luftfahrt oder auch in Leichtbau-Anwendungen vorkommen, haben ein besonders komplexes Schwingungsverhalten, das durch die Werkzeugposition und die eingesetzte Zerspankraft beeinflusst wird.

Gängige Simulationen zur Materialzerspanung bilden zwar einzelne Zwischenzustände des Werkstücks während der Zerspanung ab. Um diese Modelle zur Analyse der dynamischen Schwingungseigenschaften nutzen zu können, muss man sie aber mit unverhältnismäßig hohem Aufwand manuell bearbeiten.

Kontinuierliche Anpassung der Spindeldrehzahl reduziert Bauteilschwingungen

Ein Team des Fraunhofer IPT entwickelte im Forschungsprojekt PhysiX-CAM erstmals einen digitalen Zwilling zur Vorhersage des Schwingungsverhaltens von Bauteilen am Beispiel einer Blade Integrated Disk (Blisk). Mithilfe des digitalen Zwillings gelang es den Forscherinnen und Forschern, die Prozessparameter des Fräsprozesses so einzustellen, dass sich die Bauteilschwingungen auf ein Minimum reduzieren. Somit ließen sich neue Prozessstrategien für die Fräsbearbeitung ableiten, die es ermöglichen, die Spindeldrehzahl während der Fertigung kontinuierlich und abhängig von der Werkzeugposition anzupassen und damit die Oberflächenqualität des Werkstücks deutlich zu verbessern.

Erweiterung der Multi-Dexel-Modellierung zur Simulation der Bauteilschwingungen

Im ersten Projektabschnitt untersuchten die Forscherinnen und Forscher mehrere Ansätze zur Modellierung der veränderlichen Werkstückgeometrie. Mit der Multi-Dexel-Modellierung, einer Methode zur geometrischen Modellierung und physikalischen Simulation, fand das Team eine Lösung, die eine hohe Genauigkeit bei vergleichsweise geringem Rechenaufwand bietet. Damit eignet sich die Methode besonders gut, um Modelle von Zwischengeometrien des Werkstücks, sogenannte In-Process-Workpieces (IPWs), zu erzeugen.

Eine Schwäche der Multi-Dexel-Modellierung ist jedoch, dass sich mit ihr sich nur Oberflächen- und keine kompletten Volumenkörper modellieren lassen. Für Finite- Elemente-Simulationen zur Vorhersage des Werkstück-Schwingungsverhaltens brauchte das Aachener Team aber ein solches Volumenkörpermodell. Die Forscherinnen und Forscher erweiterten deshalb mit viel Aufwand die Multi-Dexel-Modellierung und programmierten zahlreiche neue Funktionalitäten.

Nachdem sie erfolgreich die FE-Simulationen durchgeführt hatten, koppelten die Forscherinnen und Forscher diese Simulation mit der CAM-Software. Auf diese Weise schuf das Team eine voll automatisierte CAx-Software zur Ermittlung und Simulation der veränderlichen, dynamischen Werkstückeigenschaften. Darüber hinaus entwickelten sie auf Basis der Simulationen ein Stabilitätsdiagramm, mithilfe dessen sie, abhängig von Spindeldrehzahlen und Werkzeugpositionen, vorteilhafte und unvorteilhafte Bearbeitungsparameter für die Fräsbearbeitung identifizierten.

Mithilfe des Stabilitätsdiagramms werden günstige und ungünstige Parameter zur Fräsbearbeitung identifiziert. Diese werden anschließend in Zerspanversuchen validiert. © Fraunhofer IPT

Ergebnisse der Schwingungssimulation im Praxistest bestätigt

Im nächsten Schritt testeten sie die Parameter in zahlreichen praktischen Zerspanuntersuchungen. Die in den praktischen Tests gemessenen Schwingungen stimmten nahezu vollständig mit den vorhergesagten überein. Aus den gewonnenen Erkenntnissen leiteten die Forscherinnen und Forscher im letzten Projektabschnitt neue Prozessstrategien für die Fräsbearbeitung ab. Dabei erfolgt die Anpassung der Spindeldrehzahl während der Fertigung kontinuierlich und abhängig von der Werkzeugposition . Dies minimiert die Bauteilschwingungen.

Schwingungsvorhersage auch beim Drehen und bei der Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile

Die entwickelte PhysiX-CAM-Technologie – der digitale Zwilling zur Schwingungsvorhersage – soll nach den erfolgreichen Versuchen zukünftig auch auf andere Fertigungsverfahren wie dem Drehen übertragen werden. Das Team des Fraunhofer IPT plant zudem, die Ergebnisse auch für eine optimierte Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile zu nutzen.

Das Forschungsprojekt PhysiX-CAM wurde durch Mittel des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) 2014-2020 gefördert.

Bild oben: In-Process-Workpiece, vernetzte FEM-Geometrie, FE-Modalanalyse: die drei Kernelemente des Physix-CAM-Algorithmus, mit dem sich Bauteilschwingungen vorhersagen lassen. © Fraunhofer IPT

Weitere Informationen: https://www.ipt.fraunhofer.de/

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