08 Die digitale Prozesskette am Beispiel der Prototypenfertigung von Triebwerkskomponenten Flashcards
Computer-Aided-Design (CAD)
Rechnergestützte Planung und Konstruktion von Produkten bzw. Werkstücken in der virtuellen 3D-Umgebung
Computer-Aided-Manufacturing (CAM)
Rechnergestützte NC-Programmierung und Verifikation von Fertigungsprozessen für CNC-Maschinen in der virtuellen 3D-Umgebung
Computer-Aided-Engineering (CAE)
Rechnergestützte Simulation und Auslegung bzw. Optimierung von Produkten und Fertigungsprozessen
Post-Processing (PP)
Computerprogramm zur Umwandlung maschinenneutraler Werkzeugwege in maschinenspezifische NC-Programme
(Computerized) Numerical Control (CNC/NC):
Numerische Steuerung von Werkzeugmaschinen zum Ein-/Auslesen, Speichern, Korrigieren und Ausführen von NC-Programmen
Computer-Aided-Quality Assurance (CAQ)
Rechnergestützte Planung und Umsetzung von Maßnahmen zur Qualitätssicherung, bspw. Messvorgängen, Messprotokollierung etc.
Product Lifecycle Management (PLM)
IT-Lösung zur zentralen Verwaltung aller Produktdaten aus Planung, Konstruktion, Controlling, Vertrieb und Service
Produktionsplanung/-steuerung (PPS)
IT-Lösung zur zentralen Planung, Steuerung und Überwachung der Produktionsabläufe (Maschinen, Material, Werkzeuge etc.)
Enterprise Resource Planning (ERP)
IT-Lösung zur zentralen Planung, Steuerung und Überwachung von personellen und finanziellen Ressourcen ergänzend zur PPS
Manufacturing Execution System (MES)
Produktionsleitsystem zur Führung, Lenkung und Kontrolle der Produktion in Echtzeit inkl. Maschinen-/Betriebsdatenerfassung
Digitale Prozesskette
Die digitale Produkt- und Prozessplanung in Form der CAD-CAM-NC Datenkette erstreckt sich über die Bereiche Konstruktion, Arbeitsvorbereitung und Fertigung. Sie tauscht Daten mit den umgebenden PLM/PPS/ERP/MES Systemen aus, bzw. ist teilweise Bestandteil dieser übergeordneten Systeme.
Maschinenauswahl - Spannplanung
o Prozessabfolge
o Probleme Schrumpfen der Passungen des Bauteils
o Formabweichungen durch Spannkraft
o Lageabweichungen beim Umspannen
Integrierte Fräs-Dreh-Bearbeitung
o Drehen durch einen Torque-Antrieb im Tisch und gleichzeitig hochdynamisches Fräsen, Bohren, Spindeln und Reiben
o 90% der Zeit wird gefräst, nur 10% gedreht
Integrierte Fräs-Dreh-Bearbeitung - Vor- und Nachteile
Vorteile
Geringere Investitionskosten
Geringere Kosten für die Spannvorrichtung
Geringere Betriebskosten als große vertikale Drehmaschinen
Nachteile
Geringeres Zeitspanvolumen (beim Drehen)
Simulation im CAM-Programm
- Materialabtragssimulation
- Kollisionskontrolle
Materialabtragssimulation
Simulation des Materialabtrags vom Rohteil bzw. IPW durch die Bewegung des Werkzeugs entlang des Pfads
Visuelle Prüfung des Materialabtrags für einzelne Operationen oder die gesamte Operationsfolge
Teilweise quantitative Analysefunktionen, bspw. Berechnung des verbleibenden Aufmaßes
Kollisionskontrolle
Detektion eventueller Kollisionen zwischen Werkzeug, Fertigteil, Rohteil bzw. IPW und Maschine
Überprüfung der Eilgangbewegung (Lange Werkzeuge)
Warnmeldung und Visualisierung
Hinzufügen von Extrabewegungen
Änderung des geposteten NC-Codes im Programm bis keine Kollision mehr vorhanden
Prozesssimulation gekoppelter Technologiemodelle mittels CAE-System
- Makro- und Mikrosimulation
- Kraftsimulation
Makro- und Mikrosimulation
Die Eingriffssimulation ist die Basis für die Berechnung thermisch-mechanisch bedingter Prozess- und Bauteilzustandsgrößen in der Zerspanung. Das Multi-Dexel-Modell stellt dabei den besten Kompromiss aus Simulationszeit und Genauigkeit dar.
Kraftsimulation
Die semi-empirische Kraftsimulation errechnet aus der Spannungsgeometrie sowie empirisch ermittelten Kraftkoeffizienten die resultierende Zerspankraft, welche auf das Werkstück und das Werkzeug wirkt.
Prozesssimulation gekoppelter Technologiemodelle mittels CAE-System - Eingangs- und Ergebnisdaten
Eingangsdaten
NC-Bahn, Rohteil, Werkzeug. Prozessparameter
Ergebnisdaten
In-Process Workpiece (IPW), Zerspankraft und daraus Berechnung weiterer technologischer Effekte, wie Werkzeug- und Werkstückabdrängung, Verschleiß
Drehzahlauslegung zur Vermeidung instabiler Bearbeitungszustände - Modalanalyse
Bestimmung der modalen Parameter einer Struktur für alle Moden im interessierenden Frequenzbereich unabhängig von der tatsächlichen Anregung durch den Bearbeitungsprozess
Ermittlung der Werkzeugdynamik durch experimentelle Modalanalyse (EMA) und der kontinuierlich veränderlichen Werkstückdynamik an relevanten Werkzeugpositionen (CL) mittels FE-Modalanalyse
Drehzahlauslegung zur Vermeidung instabiler Bearbeitungszustände - Drehzahlauslegung
Auswahl stabiler Spindeldrehzahlten an jeder Werkzeugposition unter Berücksichtigung der lokalen Systemdynamik, bestehend aus Werkzeug- und veränderlicher Werkstückdynamik
Post-Prozessor - Vorgehen/Aufgaben (8)
Auswahl der Maschine bzw. des zugehörigen Post-Prozessors
Maschinenspezifische Ausgabe (Steuerungsabhängig)
Festlegung von Ausgabedateityp und Speicherort
Erstellung eines Hauptprogramms für Taktung
Ergänzung individueller Einstellungen, bspw. spezieller Maschinenbefehle, Koordinatentransformationen etc.
Ausgabe von speziellen UDE’s (User defined Events), wie Dynamiksettings, Werkzeugdaten und UGUDS für die Zuordnung der Prozesse für die Datenerfassung
Festlegung der Drehzahlen und Vorschübe
Posten des finalen NC-Programms und Transfer auf die Werkzeugmaschine
Computerized-Numerical-Control (CNC-) Fertigung: Anwendungsbereiche (4)
- Antriebsoptimierung
- Maschinenintegrierte Bauteilprofilmessung
- Maschinendatenerfassung und -verarbeitung
- Verbrauchsbewertung
CNC-Fertigung: Antriebsoptimierung - Problemstellung
Während der Bearbeitung ändern sich die Eigenfrequenzen des Bauteils.
CNC-Fertigung: Antriebsoptimierung - Vorgehen
- Grobe Voreinstellung mit vorprogrammierten Setups in Abhängigkeit von der Tischbeladung -> Ruck und Beschleunigung der Achsen
- Automatische Bestimmung mittels Zyklen durch Anregung des Motors und Aufzeichnung des resultierenden Signals -> Setzen von Filtern mit bestimmter Bandbreite und Tiefe, sodass Amplitude immer unter 0 dB und Offset x
CNC-Fertigung: Maschinenintegrierte Bauteilprofilmessung
Taster als scannendes System, welches 1000 Datenpunkte pro Sekunde aufnehmen kann
Messung zwischen einzelnen Fertigungsschritten möglich
Kein Umspannen auf KMG nötig bei Prozessauslegung
Detektion von Abweichungen im Prozess und nicht erst bei Qualitätssicherung
Rückführung in Flächen, um ein 3D-Modell des gefertigten Bauteils zu erzeugen
CNC-Fertigung: Maschinendatenerfassung und -verarbeitung - Bestandteile (3)
o Maschinen- und Sensordatenerfassung
o Technologiebasierte Datenverarbeitung
o Zielgerichtete Bauteilprüfung
CNC-Fertigung: Maschinendatenerfassung und -verarbeitung - Grundidee
o Treffen des Großteils der erforderlichen Qualitätsaussagen bereits auf Basis eines Digitalen Zwillings des gefertigten Werkstücks
o Prozess-, Maschinen- und Sensordaten erfassen, mit Hilfe geeigneter Technologiemodelle zu einem digitalen Zwilling verarbeiten und bewerten und das physikalische Bauteil nur noch an kritischen Bereichen konventionell prüfen.
o Die Verarbeitung von Maschinendaten und Prozessdaten zu Bauteilzustandsdaten ermöglicht eine frühzeitige Qualitätsbeurteilung während der Fertigung auf Basis des Digitalen Zwillings.
CNC-Fertigung: Verbrauchsbewertung
Die Verarbeitung von Maschinendaten ermöglicht die präzise Erfassung von Verbrauchsdaten und eine damit verbundene Nachhaltigkeitsbewertung bzw. -optimierung (sog. Life Cycle Assessment LCA)
Computer-Aided-Quality-Insurance: Planung der Messung - Vorgehen (Koordinatenmessgerät) (6)
Auswahl der Lage des Prüflings auf der Messmaschine und Auswahl (ggf. auch Konstruktion und Fertigung) einer geeigneten Bauteilhalterung
Auswahl und ggf. Justage notwendiger Prüftaster
Planung der Zustell- und Rückzugbahnen insbesondere bei innen liegenden oder schwer zugänglichen Prüfmerkmalen
Planung der Messbahnen unter Berücksichtigung der zulässigen Messunsicherheit und der dafür notwendigen Punkteverteilung und Verfahrgeschwindigkeit
Programmierung der Steuerungssoftware
Programmierung der Auswerte- und Analysesoftware für spezielle Prüfmerkmale wie Kantenradien, Sehnenlängen, Formabweichungen etc.
Computer-Aided-Quality-Insurance: Optische Messung mit dem Streifenprojektionssystem
Streifenlichtprojektion basiert auf dem Prinzip der optischen Triangulation
Vorbereitung des Prüflings beinhaltet in der Regel
1. Reinigung
2. Einsprühen mit Antireflexspray
Aufnahme des Prüflings aus unterschiedlichen Perspektiven mittels Streifenlichtprojektion
Zusammensetzung der Einzelaufnahmen zu einer Gesamtpunktewolke
Berechnung eines STL-Dreiecksnetzes aus der Gesamtpunktewolke
Auswertung einzelner Parameter mithilfe spezieller Auswertungssoftware
Soll-/Ist-Vergleich durch Falschfarbendarstellung
Design for X
Beschreibt die Methodiken für eine frühzeitige Berücksichtigung diverser Anforderungsdimensionen entlang des Product Life Cycle in der Produktentwicklung. Zukünftig wird insbesondere eine systemische Umsetzung dieser Methodiken durch eine Kopplung der unterschiedlichen Software-Systeme entlang der digitalen Prozesskette eine wichtige Rolle spielen.
Aufarbeitung CAD-Modell für CAM-Planung (3)
- Bauteilgeometrien
- Hilfsgeometrie
- Featureanpassung
CNC-Fertigung: Datenbasierte Qualitätsbewertung (3)
- Maschinen- und Sensordatenerfassung
- Technologiebasierte Datenverarbeitung
- Zielgerichtete Bauteilprüfung
–> Reduzierung von Qualitätsaufwänden
First-Part-Right
- Erfolgreiche Prototypenfertigung im ersten Anlauf unter Verzicht auf Einfahrten- und Ausfallteil
- Erfordert vollständig virtuelle Prozessauslegung
- Erfolgreiche Umsetzung ermöglicht signifikante Zeit- und Ressourceneinsparung, sowie wirtschaftliche Prototypenfertigung
Fertigungsrelevante Informationen, die heutzutage insbesondere durch eine Technische Zeichnung übermittelt werden
- Toleranzen
- Spezialprozesse
- Features für Instrumentierung
- Bauteilgeometrien
- Hilfsgeometrien
- Featureanpassung
Zwei Arten um Geometriemessungen vorzunehmen
- Taktiles Koordinatenmessgerät
- Streifenprojektionssystem
