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Kompensation thermomechanischer Deformationen bei dünnwandigen Fräsbauteilen

Kompensation thermomechanischer Deformationen bei dünnwandigen Fräsbauteilen

© Versuchsaufbau beim Fräsen von Strukturbauteilen
IFW, Daniel Niederwestberg

CNC-Fertiger im Bereich der Luft- und Raumfahrt können bald ihre Prozessplanung durch eine praxistaugliche Simulationssoftware erweitern: Ungewünschte Verformungen beim Fräsen dünnwandiger Strukturbauteile gehören der Vergangenheit an. Durch die Kompensation thermomechanischer Fehler beim Fräsen werden die Fertigungstoleranzen problemlos erreicht. In interdisziplinärer Zusammenarbeit wird das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover mit dem Zentrum für Thermodynamik (ZeTeM) der Universität Bremen und Premium AEROTEC GmbH (PAG) die industrielle Einsatzfähigkeit der Simulation der thermomechanischen Deformation erforschen. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf kritischen dünnwandigen Werkstückbereichen. „Dieses Wissen werden wir ausnutzen, um für die jeweilige Fräsbearbeitung die passende Fertigungsstrategie auszuwählen.“, erläutert Projektmitarbeiter Konrad Bild.  

In dem DFG-geförderten Transferprojekt des Schwerpunktprogramms „Modellierung, Simulation und Kompensation von thermischen Bearbeitungseinflüssen für komplexe Zerspanprozesse“ (SPP 1480) erforscht das IFW mit den Partnern die Erweiterung der konventionellen Prozessplanung für die Fräsbearbeitung dünnwandiger Strukturbauteile. Bild: „Die Bauteile sind speziell in der Luft- und Raumfahrt gefragt.“ Bei der Fertigung der Bauteile kann es insbesondere durch die hohe Nachgiebigkeit dünner Strukturen zu Schwierigkeiten hinsichtlich der gewünschten Maßhaltigkeit kommen: Wenn die Zerspankraft und der Wärmeeintrag auf die gefräste Endkontur wirken. Durch die Ergebnisse des SPP 1480 steht bereits ein Simulationsansatz zur Vorhersage der thermomechanischen Deformation bei der Trockenfräsbearbeitung zur Verfügung. Den Simulationsansatz konnten die Projektmitarbeitenden für die Anpassung des Werkzeugwegs nutzen und die Formabweichung um 70% kompensieren. Diese bereits geschaffenen Erkenntnisse wollen die Wissenschaftler nun weiterentwickeln und in die Praxis transferieren.

Die Integration des Planungsansatzes in den Fertigungsablauf bei PAG verspricht, die industrielle Anwendbarkeit unter realen Bedingung aufzuzeigen. „Dazu sind aber noch viele Anpassungen und Erweiterungen des bisherigen Simulationsansatzes notwendig“, erläutert Konrad Bild. Um eine Kompatibilität zum Fertigungsumfeld bei PAG zu schaffen, werden die Erkenntnisse aus dem SPP 1480 in der von PAG eingesetzten Software „NC-Chip“ gebündelt. Bild: „Dazu müssen wir im ersten Schritt die theoretischen Methoden der Prozessabtragsimulation aus der vom IFW verwendeten Software „CutS“ übertragen.“ Auch die Methodik der FEM-Simulation des Werkstückzustands aus der vom ZeTeM verwendeten Software „ALBERTA“ muss extrahiert werden.

Als eine Erweiterung an die bisherige Methodik wird zusätzlich die Werkzeugabdrängung im Planungsansatz betrachtet, um durch den zusätzlichen Fehlerfaktor die Genauigkeitsgüte des Modells zu steigern. Um eine wirtschaftliche Nutzung zu gewährleisten, wollen die Projektmitarbeitenden die Simulationszeit verringern: Der Simulationsaufwand wird schlanker gestaltet und diese Methodik ausschließlich bei kritischen dünnwandigen Bereichen des Werkstücks eingesetzt.

Die Identifikation wird mittels eines entwickelten Assistenzsystems erfolgen, der die kritischen Bereiche autonom bzw. teilautonom festlegt. Für einen direkten Praxisbezug werden die Forschenden das Modell weiter parametrieren. Die eingesetzten Werkzeug-Werkstoff-Kombinationen und weitere Fertigungsbedingungen wie der Einsatz von Kühlschmierstoff sollen im Modell Berücksichtigung finden und seine Praxistauglichkeit vorantreiben.

Das Fazit der Ergebnisse im Projekt ist vielversprechend. Es kann jetzt schon festgestellt werden, dass durch die erweiterte Prozessplanung mittels eines Simulationsansatzes die Fertigung von Strukturbauteilen wirtschaftlicher gestaltet werden kann. Bild: „Projektziel ist es, im Hinblick auf den gefertigten Output ein Optimum zwischen Genauigkeit und Zeitaufwand zu erreichen.“

Kontakt:

Für weitere Informationen steht Ihnen M. Sc. Konrad Bild, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen per E-Mail unter bild@ifw.uni-hannover.de oder unter der Telefonnummer +49 511 762 18354 gerne zur Verfügung.