Makrosimulation optimiert Fräsoperationen

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Das Simulationssystem Simcutpro

Das Softwaresystem, das am Fraunhofer-IPT entwickelt wird, ist in der Lage, vollständige NC-Programme zu verarbeiten [2]. Auf Bild 2 ist die grundlegende Konfiguration zu sehen. Mithilfe der Geometrie des Rohbauteils, des NC-Programms und der geeigneten Kraftkoeffizienten für das jeweilige Modell kann eine Berechnung durchgeführt werden. Dabei werden die Makrobedingungen des Werkzeugeingriffs bestimmt und das abgetragene Volumen berechnet.

Die Mikrobedingungen – also die Abmessungen und die Geometrie des Spans – können daraus abgeleitet werden. Die Kraftkoeffizienten ermöglichen schließlich die Bestimmung des Krafteingriffs am Werkzeug.

Es können Fräsoperationen mit Schaftfräsern oder Kugelkopffräsern durchgeführt werden. Die Beschreibung des Werkzeugs wird dabei mithilfe der Constructive-Solid-Geometry-(CSG-)Methode durchgeführt, zum Beispiel wird ein Kugelkopffräser aus den geometrischen Grundkörpern Zylinder und Kugel zusammengesetzt.

Das Werkstück wird als triangulierte Oberfläche im STL-Format eingegeben. Es ist möglich, variable Aufmaßsituationen darüber darzustellen und die daraus sich ändernde Eingriffssituation zu berechnen. Intern wird das Werkstück in eine Art Nagelbrettdarstellung umgerechnet. Diese Darstellung wird dreifach in die drei Raumrichtungen aufgebaut, um Hinterschnitte zeigen zu können (Bild 3).

Das Werkzeug wird in Scheiben unterteilt, um die Eingriffssituation entlang der Schneide ortsaufgelöst bestimmen zu können (Bild 3, rechts). Die Scheibendicke ist dabei variabel einstellbar. Im Ergebnis werden Werte für die Eingriffswinkel und Schnitttiefen bestimmt und dargestellt.

Die Schnittstelle zum Bediener

Die Benutzeransicht der Softwareapplikation, die am Fraunhofer-IPT entwickelt wurde, ist auf Bild 4 zu sehen. Der Benutzer sieht auf der linken Seite unten den geladenen NC-Code, oben die Werte der aktuellen Werkzeugposition. In der Mitte sind die 3D-Ansicht, der Werkzeugweg auf dem Bauteil sowie das Werkzeug dargestellt.

Auf der rechten Seite sind die Zeitreihen für die Eingriffswinkel und Schnitttiefen aufgetragen. Über einen Cursor, der die aktuelle Position im NC-Code, dem Diagramm und der 3D-Ansicht darstellt, erhält der Benutzer eine synchronisierte Information über die aktuell betrachtete Position.

Simulationsmethode

In einer Simulation wird zunächst das abgetragene Volumen über das Multidexel-Modell bestimmt. Dazu wird eine Software zur Simulation des Materialabtrags verwendet, die von dem Aachener Unternehmen Moduleworks entwickelt wurde. Die Software liefert die Schnittpunkte des Werkzeugs mit der Bauteiloberfläche.

Nach Transformation dieser Dexel in das Werkzeugkoordinatensystem kann man die Werte für die Eingriffswinkel für jede Scheibe der Werkzeuggeometrie bestimmen und schließlich daraus die tatsächliche radiale und axiale Schnitttiefe berechnen. Die Schrittweiten der Simulation werden so gewählt, dass der geometrische Abstand zwischen zwei Simulationspunkten etwa dem Zahnvorschub der Fräsoperation entspricht.

Daher ist es möglich, aus dem abgetragenen Volumen eines Simulationsschrittes die Spanform abzuschätzen. Im Hintergrund kann jedoch zusätzlich eine Mikrosimulation gestartet werden, die die Werte für die Spandicke, -breite und -höhe analytisch berechnet sowie die detaillierte Form des Spans bestimmen kann.

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