Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verfahren für die virtuelle Spannplanung in der Arbeitsvorbereitung

Die Auslegung der Werkstückspannung für die spanende Bearbeitung erfolgt unter geometrischen Aspekten und Erfahrungswissen. Daraus resultieren teils überdimensionierte Vorrichtungen, aufgrund von Schwingungen instabile Prozesse oder unzulässige Abdrängungen. Notwendige iterative Optimierungen verursachen Kosten und Lieferverzögerungen. Wie Forschungsarbeiten belegen, könnte die Optimierung im Vorfeld mittels Simulationen automatisiert ablaufen. Allerdings sind bisherige Ansätze infolge der Komplexität oder Einschränkungen der Bauteilgeometrien nicht in heutige CAM-Systeme integriert.

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer handhabbaren, virtuellen Spannplanung zur effizienten Vorrichtungskonzeption mittels einer automatisierten Spannelemente- und Spannpunktauswahl. Die Basis für die Optimierung bildet eine Bewertung der mechanischen Eigenschaften.

In den Arbeiten werden die verfügbaren Daten aus CAD/CAM-Systemen genutzt und um die Berücksichtigung von Zerspankräften erweitert (AP1). Ferner wird eine einheitliche Charakterisierung der Spannmittel inklusive mechanischer Eigenschaften erarbeitet (AP2). In AP3 wird die Vorgabe möglicher Spann- und Auflagepunkt umgesetzt. In der anschließenden mechanischen Modellierung des Gesamtsystems (AP4) werden die Randbedingungen für die Bewertung des Systems festgelegt. Aus der automatisierten Simulation des Bauteils, der richtungsabhängigen Kennwerte der Spannelemente sowie der Prozesskräfte und Anregungsfrequenzen folgt der Vergleich potentieller Spannkonfigurationen (AP5).

Die Branchen des Vorrichtungsbaus sowie der Anpassung von CAM-Systemen bestehen aufgrund der Werkstückvielfalt vorrangig aus KMU. Die hier beteiligten Softwareanbieter können ihr Produktportfolio um die virtuelle Auslegung erweitern und Vorrichtungsplanern zur Verfügung stellen, die somit effizienter, sicherere Konzepte entwickeln können. Zudem gewinnen Spannmittelhersteller wichtige Erkenntnisse zur Optimierung ihrer Systeme.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Forschungsvorhaben wurde eine Methode zur ganzheitlichen virtuellen Spannplanung umgesetzt, die eine Automatisierung der Spannplanung ermöglicht. Durch die virtuelle Spannplanung kann die Anzahl und Position von Spannelementen und Spannpunkten bei der spanenden Fertigung optimiert werden. Somit wird die Entwicklungszeit von Spannvorrichtungen verkürzt, die Wahrscheinlichkeit von Ausschuss in der Produktion reduziert und die Möglichkeit geschaffen, geeignete Spannvorrichtungen unabhängig der eigenen Kenntnissen auszulegen. Um das Ziel zu erreichen, wurden zunächst Kenntnisse über die Randbedingungen von Zerspanprozessen und der Wirkung verschiedener Spannelemente auf das statische und dynamische Verhalten eines gespannten Bauteils erarbeitet. Darauf aufbauend wurden mechanische Eigenschaften der Spannelemente ermittelt und diese in einer Datenbank gespeichert. Durch die Programmierung einer Softwareumgebung konnten virtuelle Bauteilaufspannungen auf Basis von CAD-Modellen des zu spannenden Bauteils und der Schwenkspanner umgesetzt werden. Mithilfe der Software-Applikation konnte das mechanische Verhalten verschiedener Gesamtsysteme, bestehend aus Spannvorrichtung und Werkstück ermittelt und bewertet werden. Die ermittelten Eigenschaften dienen der Optimierung der Bauteilaufspannung hinsichtlich der Minimierung der statischen und dynamischen Bauteilverformung. Im Rahmen von Zerspanversuchen wurde das Verhalten der optimierten Bauteilaufspannungen validiert. Durch die Anwendung der virtuellen Spannplanung konnte im Vergleich zur erfahrungsbasierten Spannplanung bspw. beim Demonstratorbauteil „Stringer“ die Anzahl der benötigten Spannelemente von sechs auf fünf reduziert und gleichzeitig die Maß- und Formfehler des Werkstücks verringert werden. Der im Vorhaben entwickelte Ablauf der virtuellen Spannplanung ist mit industrieerprobten Softwareprogrammen umsetzbar. Dadurch wird eine gute Übertragbarkeit der Ergebnisse in die industrielle Praxis ermöglicht.