Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »DATARAMP«
Digitale CAx-Prozessketten zur nachhaltigeren Produktion hochwertiger Produkte
Der wachsende Bedarf an qualitativ hochwertigen und nachhaltigeren Produkten erhöht bei Entwicklern und Herstellern den Bedarf an vollständig digitalisierten CAx-Prozessketten. Obwohl es viele gute digitale Ansätze gibt, weisen CAx-Prozessketten aktuell noch große Lücken in der Datendurchgängigkeit auf. Prozessplanung, Fertigung und Qualitätssicherung arbeiten zum gegenwärtigen Zeitpunkt mit verschiedenen und unvollständigen digitalen Zwillingen.
In der Folge bedarf die Gestaltung von CAx-Prozessketten vieler Iterationsschleifen, um einen hohen Grad an Bauteilreife und Prozessstabilität zu erreichen. Dabei ist vor allem die Optimierung der Werkzeugbahn ein unwirtschaftlicher Prozessschritt, denn datenkonsistente Rückkopplungsschleifen zwischen Prozessplanung, Fertigung und Qualitätssicherung fehlen. Unter den aktuellen Arbeitsbedingungen optimieren CAM-Programmierer Werkzeugbahnen auf Basis ihres persönlichen Erfahrungswissens. Daten, die in der realen Produktion heute ohne weiteres erhoben werden können, werden bislang zur Kompensation prozessbedingter geometrischer Fertigungsfehler noch kaum genutzt.
Adaptive digitale CAx-Prozesskette zur 5-Achs-Fräsbearbeitung dünnwandiger Bauteile
Ziel des Forschungsprojekts »DATARAMP« ist es, eine umfassende digitale Prozesskette zur 5-Achs-Fräsbearbeitung dünnwandiger Bauteile auf Basis von Fertigungs- und Qualitätsdaten zu entwickeln. Dazu werden Daten vorangegangener Fräsprozesse erfasst, synchronisiert und verarbeitet. Auf Basis dieser Datenquellen lassen sich Abweichungen vom geforderten Bauteilprofil dann bewerten. Die Ergebnisse werden im Anschluss ins CAM-System importiert und bei der erneuten Werkzeugbahnberechnung berücksichtigt. Im Laufe des Projekts entsteht auf Grundlage der ausgewerteten Daten eine adaptive Prozesskette mit Rückkopplungsschleifen, die es ermöglicht, Profilabweichungen bei der Werkzeugbahnberechnung zu kompensieren.
Digitaler Zwilling zur Quantifizierung der Prozesszustände bei der Fräsbearbeitung
Im ersten Projektabschnitt werden am Fraunhofer IPT dünnwandige Demonstratorbauteile gefräst. Während des Fräsprozesses werden die Maschinen- und Sensordaten laufend erfasst und verarbeitet. Anhand der Daten erzeugen die Forscherinnen und Forscher einen digitalen Zwilling des Bauteils während der Fertigung und bewerten die verschiedenen Bauteil- und Prozesszustände. Ziel der Datenanalyse ist die Identifizierung von Profilabweichungen, die durch statische Abdrängungen des Werkzeugs und des Werkstücks verursacht werden. Eine Herausforderung dabei ist, die Daten aus den unterschiedlichen Datenquellen zu synchronisieren, sodass alle Informationen eindeutig einer Werkzeugposition oder dem Kontaktpunkt auf der Werkstückoberfläche zugeordnet werden können. Der eindeutige Ortsbezug ist die Grundlage für die Auswertung lokaler Profilabweichungen des Werkstücks.
Qualitätsdaten zeigen Profilabweichungen auf
Optische Messsysteme erzeugen im nächsten Projektschritt Qualitätsdaten, die Profilabweichungen auf dem Bauteil im einstelligen Mikrometerbereich aufzeigen. Die gescannten Demonstratorbauteile dienen als Grundlage für die Analyse der geometrischen Abweichungen im Vergleich zur CAD-Geometrie. Auf diese Weise lassen sich in einem nächsten Schritt kausale Beziehungen zwischen den geometrischen Abweichungen des Werkstücks und den fertigungsbedingten statischen Werkzeug- und Werkstückabdrängungen ableiten.
CAM-Software zur datenbasierten Optimierung der Werkzeugbahn
In der dritten Projektphase entwickelt das Fraunhofer IPT gemeinsam mit den Konsortialpartnern eine CAM-Software zur Optimierung der Werkzeugbahn für die 5-Achs-Fräsbearbeitung, um die statischen Abdrängungen zu minimieren. Der Berechnungsalgorithmus der Software berücksichtigt dazu die aufgezeichneten Prozessüberwachungs- und Qualitätsdaten aus den ersten beiden Projektschritten. Eine in das CAM-System integrierte Kompensationsmethode sorgt dafür, dass die überwachten und geprüften Bearbeitungsfehler automatisch ausgelesen werden und die ursprüngliche Werkzeugbahn optimiert wird. Auf diese Weise entsteht ein adaptives Bahnberechnungs-Tool, mithilfe dessen CAM-Programmierer die angelegten Operationen optimieren können.
Das DATARAMP-Vorgehen verspricht deutliche Verbesserungen in der Produktivität:
- Verkürzung der Anlaufzeit (Ramp-up) um 20 Prozent
- Verringerung von Profilabweichungen um bis zu 50 Prozent
- Senkung der Qualitätssicherungs- und Zertifizierungsaufwände um 70 Prozent
- Beschleunigung der NC-Programmierung durch Verkürzung der aufwändigen Iterationsschleifen um 50 Prozent
- Reduktion von Ausschuss
Projektpartner
- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen (Projektkoordination)
- CAPAUL S.A., Eupen, Belgien
- Euklid CAD/CAM AG, Hünenberg, Schweiz
- GOM GmbH, Braunschweig
- ModuleWorks GmbH, Aachen
Projektförderer
Das Forschungsprojekt »DATARAMP – Data-based Ramp-up Acceleration for Resilient Manufacturing« wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Programms Eurostars (Eureka) gefördert. Förderkennzeichen: E! 115645