Werkstückqualität Digitaler Zwilling simuliert Bauteilschwingungen beim Fräsen

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

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Fraunhofer IPT

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

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.

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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