Konstruktion

Daniel Schilling,

Optimieren beim Produzieren

Ein neuer Ansatz erlaubt es, ein CAD-Modell, nach dem Werkstücke gefertigt werden, noch während der Produktion zu optimieren.

Das 3D-CAD-Modell (grau) wird auf Grundlage von Prozessdaten (blau) an die reale Bauteilgeometrie (rot) angepasst. © Fraunhofer IPT

Industriell produzierte Bauteile werden meistens auf Basis eines 3D-CAD-Modells gefertigt. Da während der maschinellen Fertigung zahlreiche Einflüsse auf die Werkstücke einwirken, weichen ihre Geometrien oft deutlich vom CAD-Modell ab. Die Folge ist ein teilweise erheblicher Mehraufwand bei der Planung der Folgeprozesse; schlimmstenfalls ist das Bauteil sogar unbrauchbar. Dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen gelang es nun in einem Konsortialprojekt, mithilfe von Prozessdaten und einem neu entwickelten Algorithmus das CAD-Modell an die real gefertigte Werkstückgeometrie anzupassen. Auf diese Weise lassen sich der Aufwand für die nachfolgenden Fertigungsschritte und auch der Ausschuss deutlich senken.

Ziel des kürzlich abgeschlossenen Projekts „AdaptCAD“ war es, Abweichung zwischen dem 3D-CAD-Modell und dem realen Bauteil zu erkennen und zu minimieren. „Indem das CAD-Modell an das tatsächliche Fertigungsergebnis angepasst wird, wird der Planungsaufwand für Folgeprozesse signifikant reduziert. Das spart Zeit und Geld“, sagt Alexander Ibach, der das Projekt am Fraunhofer IPT leitete.

Das Aachener Team konstruierte zunächst ein 3D-CAD-Modell des Demonstrator-Bauteils. Während des Fertigungsprozesses erfassten die Wissenschaftler hochfrequente Maschinen- und Sensordaten der Werkzeugmaschine. Diese wurden automatisiert in eine Datenbank übertragen und strukturiert gespeichert. Die Daten nutzten die Wissenschaftler anschließend, um die tatsächliche Geometrie des Werkstücks mit dem im Vorfeld konstruierten CAD-Modell abzugleichen und das Modell entsprechend der Abweichungen anzupassen.

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Die zentrale Aufgabe im Projekt war die Entwicklung eines Algorithmus, der erstmals die Adaption von dreidimensionalen Modellen erlaubt. Als Basis diente ein bereits bestehender Algorithmus für die zweidimensionale Modellierung, den das Aachener Forscherteam für die dreidimensionale Modellierung erweiterte und optimierte.

„Die Erzeugung des angepassten 3D-Modells war eine enorme Herausforderung. Das Modell sollte nicht, wie sonst üblich, nur auf numerischer Basis konstruiert werden. Numerische Modelle sind entweder ungenau, oder der Computer braucht Tage oder sogar mitunter Wochen zum Rechnen. Zudem lassen sich numerische Modelle nur schwer für die CAM-Bahnplanung von Folgeprozessen verwenden“, so Alexander Ibach.

Der AdaptCAD-Ansatz basiert auf einem analytischen Modell. Analytische Modelle sind im Gegensatz zu numerischen Modellen deutlich genauer. Mit diesem Verfahren konnten die Projektpartner direkt auf dem angepassten CAD-Modell die Bahnplanung der Folgeprozesse vornehmen. Darüber hinaus eignet sich das analytische Modell für nachfolgende Berechnungen. Den Algorithmus integrierten die Konsortialpartner in ein kommerzielles CAD/CAM-System. Im letzten Projektabschnitt fertigte das Team gemeinsam mit einem Partner aus dem Automobilsport in mehreren Versuchsreihen erfolgreich Demonstratorbauteile.

Das Aachener Forschungsteam ist zufrieden mit den Ergebnissen des Projekts. „Der neue Algorithmus ist ein weiterer Baustein zur Digitalisierung der Fertigung. Er kann dabei helfen, Produktionsprozesse künftig noch effizienter zu planen und auszulegen. Mit so einem Tool können wir die Qualität gerade von Kleinserienbauteilen verbessern und Ausschuss verringern. Darüber hinaus leisten wir damit auch einen Beitrag zur Weiterentwicklung der Geometrie- erfassung und Anpassung digitaler Zwillinge“, sagt Philipp Ganser, Leiter der Abteilung Hochleistungszerspanung am Fraunhofer IPT mit Blick in die Zukunft. In einigen geplanten Nachfolgeprojekten will sein Team den Algorithmus weiterentwickeln und in neuen Anwendungsfeldern testen, etwa bei der Fertigung von Turbomaschinenkomponenten sowie medizinischen Implantaten.

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