Technologie

Simulierte Schwingungen

22.11.2021 - Digitaler Zwilling erlaubt Vorhersage von Bauteilschwingungen bei der Fräsbearbeitung.

Bauteil­schwingungen, die bei vielen Fertigungs­verfahren entstehen, führen häufig dazu, dass die Oberfläche des Werkstücks beschädigt wird. Darüber hinaus sind sie ein Grund für erhöhten Werkzeug­verschleiß. Das Fraunhofer-Institut für Produktions­technologie IPT in Aachen hat erstmals gemeinsam mit Industrie­partnern einen digitalen Zwilling entwickelt, mit dem sich Bauteil­schwingungen bei der Fräsbearbeitung vorhersagen lassen. Mithilfe des digitalen Zwillings können bereits während der Prozessplanung optimale Prozess­parameter ausgewählt und für eine ressourcen­schonendere und kosten­effizientere Produktion verwendet werden.

Bei der Fräsbearbeitung entstehen durch den charak­teristischen unterbrochenen Schnitt sowohl am Bauteil als auch am Fräs­werkzeug Schwingungen. Diese führen häufig dazu, dass die Oberfläche des Werkstücks beschädigt wird. In der Folge müssen die Bauteile zeit- und kosten­intensiv nach­bearbeitet werden. Hinzu kommt der hohe Werkzeug­verschleiß, den die Prozess­schwingungen verursachen. Dünnwandige Werkstücke, wie sie in der Luftfahrt oder auch in Leichtbau-Anwendungen vorkommen, haben ein besonders komplexes Schwingungs­verhalten, das durch die Werkzeug­position und die eingesetzte Zerspankraft beeinflusst wird. Gängige Simulationen zur Material­zerspanung bilden zwar einzelne Zwischenzustände des Werkstücks während der Zerspanung ab. Um diese Modelle zur Analyse der dynamischen Schwingungs­eigenschaften nutzen zu können, müssen sie aber mit unverhältnismäßig hohem Aufwand manuell bearbeitet werden.

Ein Team des Fraunhofer IPT entwickelte im Forschungs­projekt „PhysiX-CAM“ erstmals einen digitalen Zwilling zur Vorhersage des Schwingungs­verhaltens von Bauteilen am Beispiel einer Blade Integrated Disk (Blisk). Mithilfe des digitalen Zwillings gelang es den Forschenden, die Prozess­parameter des Fräsprozesses so einzustellen, dass die Schwingungen auf ein Minimum reduziert werden. So ließen sich neue Prozess­strategien für die Fräsbearbeitung ableiten, die es ermöglichen, die Spindel­drehzahl während der Fertigung kontinuierlich und abhängig von der Werkzeug­position anzupassen und damit die Oberflächen­qualität des Werkstücks deutlich zu verbessern.

Im ersten Projekt­abschnitt untersuchten sie mehrere Ansätze zur Modellierung der veränderlichen Werkstück­geometrie. Mit der Multi-Dexel-Modellierung, einer Methode zur geometrischen Modellierung und physikalischen Simulation, fand das Team eine Lösung, die eine hohe Genauigkeit bei vergleichs­weise geringem Rechenaufwand bietet. Damit eignet sich die Methode besonders gut, um Modelle von Zwischen­geometrien des Werkstücks, die In-Process-Workpieces (IPWs), zu erzeugen. Eine Schwäche der Multi-Dexel-Model­lierung ist jedoch, dass sich mit ihr nur Oberflächen- und keine kompletten Volumenkörper modellieren lassen. Für Finite-Elemente-Simulationen zur Vorhersage des Werkstück-Schwingungs­verhaltens brauchte das Aachener Team aber ein solches Volumen­körpermodell. Die Forschenden erweiterten deshalb mit viel Aufwand die Multi-Dexel-Modellierung und program­mierten zahlreiche neue Funk­tionalitäten.

Nachdem sie erfolgreich die FE-Simu­lationen durchgeführt hatten, koppelten die Forscher diese Simulation mit der CAM-Software. Auf diese Weise schuf das Team eine voll auto­matisierte CAx-Software zur Ermittlung und Simulation der veränderlichen, dynamischen Werkstück­eigenschaften. Darüber hinaus entwickelten sie auf Basis der Simulationen ein Stabilitäts­diagramm, mithilfe dessen sie, abhängig von Spindel­drehzahlen und Werkzeug­positionen, vorteilhafte und unvor­teilhafte Bearbeitungs­parameter für die Fräs­bearbeitung identifizierten. Im nächsten Schritt testeten sie die Parameter in zahlreichen praktischen Zerspan­untersuchungen: Die in den praktischen Tests gemessenen Schwingungen stimmten nahezu vollständig mit den vorher­gesagten überein. Aus den gewonnenen Erkennt­nissen leiteten die Forscher im letzten Projektabschnitt neue Prozess­strategien für die Fräsbearbeitung ab, bei denen die Spindeldrehzahl während der Fertigung kont­inuierlich und abhängig von der Werkzeug­position angepasst wird. 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.

Fh.-IPT / JOL

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