Werkstückqualität Digitaler Zwilling simuliert Bauteilschwingungen beim Fräsen

Von Sebastian Hofmann

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) hat einen digitalen Zwilling entwickelt, mit dem sich Bauteilschwingungen beim Fräsen vorhersagen lassen.

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Bauteilschwingungen beim Fräsen kommen Hersteller teuer zu stehen. Ein digitaler Zwilling des Fraunhofer IPT soll das jetzt ändern.
Bauteilschwingungen beim Fräsen kommen Hersteller teuer zu stehen. Ein digitaler Zwilling des Fraunhofer IPT soll das jetzt ändern.
(Bild: ©Andrey Armyagov - stock.adobe.com)

Ziel der Software: Bislang notwendige Nachbearbeitungen am Werkstück auf ein Minimum zu reduzieren – ebenso wie den Verschleiß am Werkzeug. Entwickelt wurde der digitale Zwilling im Rahmen des Forschungsprojekts „Physix-CAM“ am Fraunhofer IPT in Aachen. Mit seiner Hilfe gelang es den Forschenden, die Spindeldrehzahl einer Fräsmaschine so an die Bauteilposition anzupassen, dass die Prozessschwingungen deutlich niedriger ausfielen. Die Folge: Eine erhöhte Oberflächenqualität des Werkstücks.

FE-Simulation mit der CAM-Software gekoppelt

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

Die neue Anwendung basiert auf der sogenannten Multi-Dexel-Modellierung, einer Methode zur geometrischen Modellierung und physikalischen Simulation von Zwischengeometrien des Werkstücks (auch: In-Process-Workpieces oder IPW). Um nicht nur Oberflächen-, sondern auch komplette Volumenkörper darzustellen, ergänzte das Team die Multi-Dexel-Modellierung um weitere Funktionalitäten. Nach einer erfolgreichen FE-Simulation koppelten die Forscher diese Simulation mit der CAM-Software.

Herausgekommen ist eine voll automatisierte CAx-Anwendung zur Ermittlung und Simulation der veränderlichen, dynamischen Werkstückeigenschaften. Zudem entwickelten die Forschenden auf Basis der Simulation ein Stabilitätsdiagramm, mit dem sich die vorteilhaftesten Bearbeitungsparameter identifizieren lassen – abhängig von Spindeldrehzahl und Werkzeugposition.

Mithilfe des Stabilitätsdiagramms werden günstige und ungünstige Parameter zur Fräsbearbeitung identifiziert.
Mithilfe des Stabilitätsdiagramms werden günstige und ungünstige Parameter zur Fräsbearbeitung identifiziert.
(Bild: Fraunhofer IPT)

Ergebnisse der Schwingungssimulation im Praxistest bestätigt

Im nächsten Schritt wurden die Parameter in zahlreichen praktischen Zerspanuntersuchungen getestet: 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, bei denen die Spindeldrehzahl während der Fertigung kontinuierlich und abhängig von der Werkzeugposition angepasst werden. Dies minimiert die Bauteilschwingungen.

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 darüber hinaus, die Erfahrungen aus dem Forschungsprojekt auch für eine optimierte Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile einzusetzen.

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