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Modellierung der achsstellungsabhängigen Prozessdynamik zur simulationsgestützten Optimierung der NC-Fräsbearbeitung von Freiformflächen

Die stetig wachsenden An­for­der­ungen und die Variantenvielfalt in der Produktionstechnik, ins­be­son­de­re im Werkzeug- und Formenbau, erfordern häufig die Fertigung von Bauteilen und Werkzeugen in Einzel- oder Kleinserienfertigung. Simulationssysteme kön­nen bei der Ent­wick­lung von Fertigungsprozessen eingesetzt wer­den, um die Planungs- und die Anlaufphase der Prozesse zu verkürzen. Dies ist z. B. bei der Bearbeitung komplexer Werkstücke mit Freiformflächen relevant, da diese einen hohen Planungsaufwand erfordert.

Ein Ver­fah­ren zur Fertigung von Freiformflächen stellt die 5-achsige Fräsbearbeitung dar. Die Feinbearbeitung ent­sprech­en­der Werkstücke erfolgt meist mit­hil­fe von Kugel- oder Torusfräsern. Die An­for­der­ungen an die Oberflächengüte und die Maßhaltigkeit der Prozesse zur Fertigung ent­sprech­en­der Bauteile sind hoch. Die Auslegung 5-achsiger Prozesse erfordert zudem die Be­rück­sich­ti­gung zahlreicher Effekte und Einflüsse auf das Prozessverhalten. Die Einflussgrößen umfassen bei­spiels­weise die Prozesskräfte, die Achsstellungen sowie die dy­na­misch­en und kinetischen Ei­gen­schaf­ten des Systems. Insbesondere das achsstellungsabhängige dynamische Verhalten wird in existierenden Simulationssystemen nur unzureichend abgebildet. Eine Be­rück­sich­ti­gung der achsstellungsabhängigen Nachgiebigkeit des Maschine-Werkzeug-Systems ist somit ein wichtiger Ansatzpunkt für die Prozessoptimierung.

In diesem Projekt wer­den zu­nächst die positions- und achsstellungsabhängigen modalen Ei­gen­schaf­ten verschiedener Werkzeugmaschinen technologisch un­ter­sucht. Die Er­geb­nisse wer­den an­schlie­ßend in Modelle der dy­na­misch­en Systemeigenschaften überführt, um mit­hil­fe der Prozesssimulation die Planung stabiler Fräsprozesse zu ermöglichen.

© ISF
a) Messung der achsstellungsabhängigen modalen Systemeigenschaften. b) Simulative Vorhersage stabiler Prozessparameterbereiche. c) Auswahl möglicher, kolli-sionsfreier Prozesskonfigurationen. d) Simulationsgestützte Anpassung exemplarischer NC-Bahnen.

In Ko­ope­ra­ti­on mit der Arbeits­gruppe Virtual Machining des Lehrstuhl XIV der Fa­kul­tät für In­for­ma­tik wird eine geometrisch-physikalische Prozesssimulation weiterentwickelt, um zu­nächst mögliche Anstellwinkel mit stabilem Prozessverhalten zu identifizieren. Aus der Menge der Anstellwinkel ergibt sich an­schlie­ßend unter Be­rück­sich­ti­gung der erreichbaren Achsbeschleunigungen und der möglichen Kollisionsbereiche eine Teilmenge gültiger Prozessparameterbereiche, die zur Prozessoptimierung genutzt wer­den kön­nen. Somit wird die Durchführung von 5-achsigen Fräsprozessen mit einer hohen Prozessstabilität kollisionsfrei realisiert.

Um den Einfluss der Achsstellung auf die Prozessstabilität für unterschiedliche Maschinenkonzepte zu un­ter­su­chen, wer­den die Nachgiebigkeitsfrequenzgänge für die 5-Achs-Bearbeitungszentren HSC 75 der Firma DMG und FT4000 der Firma Heller bestimmt. Diese Ma­schi­nen un­ter­schei­den sich hinsichtlich ihrer Kinematik sowie ihrer Größe und bilden daher ein breites Anwendungsspektrum für die erarbeitete Methode ab. Anhand der Untersuchungsergebnisse sollen Rück­schlüsse auf die benötigte Anzahl der Stützstellen statistischer Modelle des achsstellungsabhängigen Maschinenverhaltens für unterschiedliche Maschinenkonzepte gezogen wer­den. Durch eine simulationsgestützte Anpassung der Anstellung beim Fräsen eines Demonstratorwerkstücks wird die Anwendbarkeit des entwickelten Simulationsansatzes für beide Werkzeugmaschinen validiert.

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Zu den Wahrzeichen der TU Dort­mund gehört die H-Bahn. Linie 1 verkehrt im 10-Minuten-Takt zwischen Dort­mund Eichlinghofen und dem Technologiezentrum über Campus Süd und Dort­mund Uni­ver­si­tät S, Linie 2 pendelt im 5-Minuten-Takt zwischen Campus Nord und Campus Süd. Diese Strecke legt sie in zwei Minuten zurück.

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Die Ein­rich­tun­gen der Technischen Uni­ver­si­tät Dort­mund verteilen sich auf den größeren Campus Nord und den kleineren Campus Süd. Zudem befinden sich einige Bereiche der Hoch­schu­le im angrenzenden Technologiepark. Genauere In­for­ma­ti­onen kön­nen Sie den Lageplänen entnehmen.

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