Beitrag zur voxelbasierten Simulation des fünfachsigen NC-Fräsens

Die Simulationstechnik wird als Hilfsmittel zur Beherrschung der drei- und fünfachsigen NC-Fräsbearbeitung eingesetzt. Gewöhnlich wird die Aktualisierung des simulierten Werkstücks entweder im Bildraum des Werkstücks oder geometrisch im Objektraum durchgeführt. Die vollständige Aktualisierung des simulierten Werkstücks fordert jedoch nur eine geometrische Lösung. Im vorliegenden Forschungsbericht wird der Ansatz der voxelbasierten fünfachsigen NC-Simulation entwickelt. Die Grundlage für den Aufbau des Simulationssystems ist der am IPK Berlin entwickelte 3D-Kernmodellierer des Virtual Clay Modelling Systems. Dieser ermöglicht die Modellierung und die Aktualisierung von komplizierten Werkstücken und Zerspanungsvolumen in der drei- und fünfachsigen NC-Simulation auf Rechenanlagen. Das simulierte Werkstück wird rechnerintern diskret mit einem Voxelmodell dargestellt. Die dadurch eingeführten NC-Simulationsfehler werden unter Berücksichtigung des eingesetzten Fräsers kontrolliert. Eine voxelbasierte Methode zur Gestaltung von Zerspanungsvolumen der diversen Werkzeuge wie zylindrische Fräser, Torus-, zylindrische Gesenk-, Kugelkopf-, Fass-, Kegel- und kegelige Gesenkfräser wurde entwickelt. Der Vorteil dieser Methode liegt darin, dass aufgrund der diskreten Datenstruktur des Voxelmodells und der damit ermöglichten Abbildung von beliebigen Formen keinerlei Einschränkungen zur Modellierung der Zerspanungsvolumen der diversen Fräsertypen gegeben sind. Die Materialverletzungen und verbliebenen Restmaterialien auf dem simulierten Werkstück können im 3D-Raum zur Bewertung der Qualität der NC-Programme ermittelt werden. Eine effektive Optimierung der NC-Programme in der Fertigungsvorbereitung kann durchgeführt werden. Zur Beschleunigung der Werkstückaktualisierung wurden ausgehend von den Eigenschaften des Voxelmodells die entsprechenden Maßnahmen getroffen. Mit der vorgestellten Methode wird ein wichtiger Beitrag zur drei- und fünfachsigen Simulation des NC-Fräsens geleistet. Damit können die NC-Programme für die drei- und fünfachsige NC-Fräsbearbeitung verifiziert, optimiert und die Prozessqualität vorab sichergestellt werden

Analyse und Modellbildung von Kräften beim Präzisionshonen von Bohrungen

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einem Fertigungsverfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide, dem Langhub-Innenrundhonen, das zur Bearbeitung von Bohrungen verwendet wird. Das Honen dient dabei der Erzeugung einer hohen Form-, Maß- und Oberflächengenauigkeit bei vorbearbeiteten Werkstücken und ist in der Regel der letzte Schritt in der Prozesskette. Betrachtet werden zunächst grundlegende Effekte beim Honen sowie Möglichkeiten zur optimierten Prozessführung durch eine Modellierung der Kräfte. Eingegangen wird dabei auf das weggeführte Honen, das in der Industrie derzeit weit verbreitet ist und eine Zustellung der Honleiste in festen Schritten zu festgelegten Zeitpunkten durchführt. Daneben wird auch die alternative Möglichkeit des kraftgeführten Honens vorgestellt. Dieses versucht während der gesamten Prozesszeit eine konstante Kraft zu erreichen und damit eine höhere Präzision und Wiederholgenauigkeit zu gewährleisten. Da die Kraft aber im Moment, insbesondere beim Honen von Präzisionsbohrungen mit einem Durchmesser unter 20mm, nur indirekt gemessen werden kann, ist sie fehlerbehaftet. Eine Modellierung der Kraftverhältnisse am Werkzeug soll hier Abhilfe schaffen. Dazu werden verschiedene Ansätze vorgestellt und auf ihre Eignung hin überprüft. Notwendige Modellparameter werden ermittelt, dann werden berechnete Verläufe mit gemessenen verglichen. Im Anschluss werden Anwendungsmöglichkeiten für die Modelle aufgezeigt.This thesis deals with long-stroke internal honing – a manufacturing process with geometrically undefined cutting edge used for the machining of bores. Honing serves to generate high form-, dimension- and surface accuracy in pre-machined work pieces and constitutes generally the last step in the process chain. At first, basic effects during the honing process as well as possibilities for the optimized process control by modelling the forces are examined. In doing so, the author goes into the stroke-controlled honing which is at the moment widespread in the industry and which conducts a feed of the honing stone in fixed steps and at given points in time. In addition, also the alternative possibility of force-controlled honing is presented which tries to reach a constant force during the entire process time and to ensure with it a higher precision and repeatability. As it is at the moment only possible to indirectly measure the force, especially with regard to the honing of precision bores with a diameter below 20mm, it is subject to errors. A modelling of the force distributions at the tool is to find a remedy. For this purpose, different approaches are presented and their suitability is verified. Necessary model parameters are determined, and then calculated processes are compared with measured ones. Afterwards, possible applications for the models are shown

Analyse und Modellbildung von Kräften beim Präzisionshonen von Bohrungen

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einem Fertigungsverfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide, dem Langhub-Innenrundhonen, das zur Bearbeitung von Bohrungen verwendet wird. Das Honen dient dabei der Erzeugung einer hohen Form-, Maß- und Oberflächengenauigkeit bei vorbearbeiteten Werkstücken und ist in der Regel der letzte Schritt in der Prozesskette. Betrachtet werden zunächst grundlegende Effekte beim Honen sowie Möglichkeiten zur optimierten Prozessführung durch eine Modellierung der Kräfte. Eingegangen wird dabei auf das weggeführte Honen, das in der Industrie derzeit weit verbreitet ist und eine Zustellung der Honleiste in festen Schritten zu festgelegten Zeitpunkten durchführt. Daneben wird auch die alternative Möglichkeit des kraftgeführten Honens vorgestellt. Dieses versucht während der gesamten Prozesszeit eine konstante Kraft zu erreichen und damit eine höhere Präzision und Wiederholgenauigkeit zu gewährleisten. Da die Kraft aber im Moment, insbesondere beim Honen von Präzisionsbohrungen mit einem Durchmesser unter 20mm, nur indirekt gemessen werden kann, ist sie fehlerbehaftet. Eine Modellierung der Kraftverhältnisse am Werkzeug soll hier Abhilfe schaffen. Dazu werden verschiedene Ansätze vorgestellt und auf ihre Eignung hin überprüft. Notwendige Modellparameter werden ermittelt, dann werden berechnete Verläufe mit gemessenen verglichen. Im Anschluss werden Anwendungsmöglichkeiten für die Modelle aufgezeigt.This thesis deals with long-stroke internal honing – a manufacturing process with geometrically undefined cutting edge used for the machining of bores. Honing serves to generate high form-, dimension- and surface accuracy in pre-machined work pieces and constitutes generally the last step in the process chain. At first, basic effects during the honing process as well as possibilities for the optimized process control by modelling the forces are examined. In doing so, the author goes into the stroke-controlled honing which is at the moment widespread in the industry and which conducts a feed of the honing stone in fixed steps and at given points in time. In addition, also the alternative possibility of force-controlled honing is presented which tries to reach a constant force during the entire process time and to ensure with it a higher precision and repeatability. As it is at the moment only possible to indirectly measure the force, especially with regard to the honing of precision bores with a diameter below 20mm, it is subject to errors. A modelling of the force distributions at the tool is to find a remedy. For this purpose, different approaches are presented and their suitability is verified. Necessary model parameters are determined, and then calculated processes are compared with measured ones. Afterwards, possible applications for the models are shown

Herstellung hochgenauer Prototypen mittels Fräsen als quasi-generativem Rapid-Prototyping-Verfahren

Die Entwicklung neuer Produkte in möglichst kurzen Zeiträumen verlangt nach Werkzeugen, die den Entwicklungsprozess beschleunigen. In der Praxis hat sich das Rapid Prototyping (RP) als eine Methode etabliert, die grundsätzlich eine Verkürzung der Produktentwicklungsprozesse ermöglicht. Beim Rapid Prototyping steht das schnelle Erstellen von physischen Prototypen im Fokus. Grund-sätzlich erfolgt der Aufbau von Prototypen mittels RP durch das Fügen von konturierten Bauteil-schichten. Während im Zusammenhang mit RP häufig nur die sogenannten generativen RP-Verfahren betrachtet werden, tritt das Fräsen als RP-Verfahren gegenwärtig nur als Randerschei-nung auf. Bei einer Bewertung der einzelnen generativen RP-Verfahren haben sich eine Reihe von techni-schen Schwierigkeiten sowie einzelne Nachteile herausgestellt. Diese betreffen u.a. die geforderte Werkstoffvielfalt sowie Anforderungen an die Bauteilgenauigkeit und die Oberflächengüte. Mit einer Nutzung von Fräsen als RP-Verfahren könnten diese Nachteile umgangen werden. Im ersten Schritt wurden Anforderungen für einen optimalen Prototyping-Prozess mittels Fräsen ausgearbeitet und formuliert. Im einzelnen zählte dazu eine Vermeidung von Ungenauigkeiten in der Bauteilgeometriebeschreibung, sowie eine verbesserte Datenaufbereitung der zu fertigenden Bauteilschichten. Ferner mussten im Hinblick auf eine Prototypenfertigung mittels Fräsen Lösungs-ansätze für spanntechnische Probleme entwickelt werden. Abschließend sollte die Forderung nach einer alternativen, reversiblen Verbindung der Bauteilschichten erfüllt werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden folgende Lösungsansätze entwickelt: Eine werkzeugo-rientierte Schnittstrategie minimiert die notwendige Anzahl an Bauteilschichten sowie die erforder-lichen Fügevorgänge. Die Entwicklung von inneren Hilfsgeometrien in Form einer Bohrung-Zapfen-Kombination lässt eine zweiseitige Bauteilbearbeitung ohne Beeinflussung der äußeren Bauteilgeometrie zu. Durch eine Auslegung dieser Bohrung-Zapfen-Kombination als Pressverbin-dung ist ein Fügen mit einer definierbaren Festigkeit gegeben. Die entwickelten Ansätze wurden anhand eines Industriebeispiels überprüft und verifiziert. Die Geometrie des untersuchten Bauteils (Miniaturturbine) war hinreichend komplex und stellte weit-reichende Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit. Die Ergebnisse wurden in Form einer Struktur- und Genauigkeitsanalyse der gefertigten Bauteile festgehalten. Durch einen direkten Vergleich mit lasergesinterten Bauteilen konnte die grundsätzliche Eignung der hier entwickelten Ansätze zur Herstellung von hochgenauen Prototypen festgestellt werden

Analysis of influencing factors in manufacturing of optical transparent models by means of Rapid Prototyping method

Dem Einsatz transparenter Anschauungs- und Funktionsmodellen für z.B. Strömungsuntersuchungen kommt eine wesentliche Bedeutung zu. Nicht nur in Bereichen des Maschinenbaus, sondern auch für medizinische Untersuchungen werden diese Modelle verstärkt benötigt. Unter Einbeziehung der generativen Fertigungsverfahren wird aufgezeigt, dass die Forderung nach transparenten Modellen nur durch das quasi-generative Verfahren Fräsen erfüllt werden kann. Die Überprüfung des wissenschaftlichen Sachstandes zeigt, dass die zur Verfügung stehen Information zum Spanen von transparenten Kunststoffen, insbesondere für das am häufigsten eingesetzte Plexiglas (PMMA), stark voneinander abweichen und konkrete Parameter nicht vorgegeben werden. Zudem wird verdeutlicht, dass das Ergebnis nicht nur abhängig ist von den gewählten Schnittparametern, sondern auch weitere Einflussgrößen, wie die Bearbeitungsstrategie, einen erheblichen Einfluss auf die Oberflächengüte und damit auf die Transparenz besitzen. Im Bereich des Datenaustausches zwischen Datenlieferant und Fertigung treten zudem Defizite auf, da hier deutlich unterschieden werden muss, ob die Erzeugung der notwendigen Werkzeugwege durch ein CAD-internes NC-Programm oder durch ein CAD-externes NC-Programm durchgeführt wird. Im Hinblick auf eine verbesserte Nutzung werden Ansätze für einen verbesserten Verfahrensablauf entwickelt und formuliert. Ausgehend von einfachen 2,5D-Formelementen werden erste Kenngrößen der jeweiligen Einflussparameter verifiziert. Durch die Verwendung von Geometrien eines Prüfwerkstückes werden durch den Übergang zu 3D-Formelementen weitere Ansätze und Abläufe der CAD/CAM Technologie untersucht und optimiert. Die dabei auftretenden Mängel werden aufgezeigt und die erzielten Ergebnisse zusammengefasst. Daraus ableitend werden Empfehlungen ausgesprochen. Darüber hinaus findet ein zusätzlicher Vergleich mit dem Werkstoff Polycarbonat (PC) statt. Die Vorzüge der Verwendung von PMMA werden durch Rauheitsmessungen unterstrichen. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass das quasi-generative Rapid Prototyping-Verfahren Fräsen im Hinblick auf die Herstellung von komplexen Modellen noch ungenutztes Potenzial besitzt. Unter Berücksichtigung der in dieser Arbeit entwickelten Empfehlungen lassen sich die Möglichkeiten der Herstellung von Modellen aus PMMA mittels Fräsen deutlich verbessern. Im Ergebnis lassen sich die Modelle mit einer wesentlich besseren Oberflächenqualität fertigen. Die vielseitige Nutzung von Fräsmaschinen im Rahmen der klassischen Fertigungstechnik lassen die Möglichkeit einer Fertigung von komplexen Modellen mittels Fräsen auch wirtschaftlich erscheinen

NC process chain for small business : requirements, selection of best practice, system implementation and upgrading

Sich verändernde Marktbedingungen zwingen auch Kleinbetriebe vermehrt zu Innovationen und Investitionen um die Wettbewerbsfähigkeit zu erhalten. Für Unternehmen, die spanende Fertigungsverfahren einsetzen, bedeutet dies zunehmend den Einstieg in die NC-Technik, deren Wirtschaftlichkeit wesentlich von den eingesetzten Verfahren und Hilfsmitteln zur Erstellung der Maschinensteuerprogramme abhängt. Hier sind in der Praxis häufig Defizite festzustellen, was nicht zuletzt an fehlenden Hinweisen für Auswahl und Einsatz geeigneter Programmierlösungen liegt. Diese Arbeit stellt einen Leitfaden für Anwender aus Kleinbetrieben dar, mit dem sie unter Berücksichtigung der besonderen Randbedingungen durch ein systematisches Vorgehen eine geeignete NC-Prozeßkette aufbauen oder eine vorhandene NC-Programmierumgebung kritisch überprüfen können.To sustain competitiveness even small business are forced to innovation and additional investment due to changing market conditions. For firms with metal-cutting manufacturing this means increasingly the introduction of digitally programmed machine tool. Its economic efficiency is closely connected to the methods and facilities that are used for the generation of machine tool controller programs. Missing hints for the selection and the use of suitable solutions are often the reason for deficiencies in practice. This work intends to be a guideline for users in the environment of small business. It should help them in consideration of the specific conditions there, to establish an optimized NC process chain or to analyze the suitability of existing NC programming tools by a systematic procedure

Aktive, modellbasierte Verschleißbeeinflussung beim Außenrundeinstechschleifen mittels elektromagnetischer Aktoren

Als geometrisch unbestimmtes Bearbeitungsverfahren stellt das Schleifen einen abschließenden und qualitätsbestimmenden Fertigungsschritt dar. Im Prozess auftretende Schwingungen, wie sie beispielsweise durch den Regenerativeffekt verursacht werden, können die Prozesssicherheit und die Werkstückqualität deutlich senken. Dabei treten insbesondere in Rundschleifprozessen mit konventionellen Schleifmitteln (\zB Korund, Siliziumkarbid) selbsterregte, produktivitätsbegrenzende Schwingungen auf. Diese entstehen durch die Wechselwirkung zwischen dem Prozess und der dynamischen Nachgiebigkeit von Schleifmaschine und Werkstück. Schwingungen, hervorgerufen durch Welligkeiten auf dem Werkstück, kommen in Rundschleifprozessen nur in sehr niedrigen Frequenzbereichen vor und können deshalb durch passende Wahl der Prozessstellgrößen vermieden werden. Hingegen können Schwingungen, die zu einer Konturänderung der Schleifscheibe führen, in hohen Frequenzbereichen auftreten. Der vorgenannte Regenerativeffekt entsteht, verglichen mit dem werkstückseitigen Regenerativeffekt, langsam und führt erst nach längerem Fortschritt zu einer Reduktion der Oberflächenqualität des Werkstücks. Die Prognose und Vermeidung dieses werkzeugseitigen Regenerativeffektes stellt die Fertigung dennoch vor große Herausforderungen und kann nur durch häufige Abrichtzyklen oder reduzierte Zeitspanvolumina vermieden werden, was jedoch die Produktivität vermindert. Da das Schleifen am Ende der Wertschöpfungskette angesiedelt ist, kommt dem frühzeitigen Erkennen von regenerativen Prozessschwingungen eine besondere Bedeutung zu, um Ausschuss zu vermeiden und Durchlaufzeiten zu verringern. In dieser Arbeit werden Methoden zur frühzeitigen Erkennung dieser Schwingungen entwickelt und untersucht, welche die Realisierung von teil- oder vollautomatisierten Schleifprozessen ermöglichen. Darüber hinaus soll der Regenerativeffekt mithilfe einer modellbasierten Verschleißregelung und elektromagnetischer Aktoren derart beeinflusst werden, dass eine Bildung von Welligkeiten auf der Schleifscheibe vermieden wird.Using conventional grinding wheels (corundum, silicon carbite), one of the most limiting factors in terms of productivity and process stability in cylindrical plunge grinding are self-excited vibrations. These vibrations are caused by regenerative effects during the process and can reduce productivity and workpiece quality. Workpiece oscillations induced by single grain-workpiece contacts and limited dynamic stiffness of the grinding machine copy on the grinding wheel surface. This results in a regenerative effect, where a further increasing waviness of the grinding wheel causes an increasing workpiece vibration. While the regenerative effect can also develop on the surface of the workpiece, the resulting frequencies are much higher when appearing on the grinding wheel surface. Thus, they are much more difficult to manage and put high requirements on process planning and demand for frequent trueing operations and reduced feed rates. In scope of this work, the development and evaluation of methods for early chatter detection is presented. Since the progress of the waviness on the grinding wheels surface progresses relatively slowly, it is possible to manipulate the process forces in an early stage of chatter development. Dynamic process forces applied to the workpiece by electromagnetic actuators are capable of influencing the workpiece movement and therefore, the wear. Hence, the development of wheel-sided chatter vibration caused by waves on the grinding wheel can be prevented. This ensures a chatter free, stable grinding process