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CAx-Technologien für die Einzel- und Kleinserienfertigung

Metall 2013

08. März 2013

Seite 1© WZL/Fraunhofer IPT

Gliederung

Vorstellung Fraunhofer IPT1

Innovationsallianz „Green Carbody Technologies“2

Ausgangssituation und Anforderungen3

Lösungsansatz4

Werkzeuge und Prozessparameter5

Entwickelte CAM Module6

Zusammenfassung7


Fraunhofer IPTAbteilungen im Bereich »Prozesstechnologie«

Feinbearbeitung und Optik

UP-Diamantbearbeitung, Präzisionsschleifen und -polieren, Präzisionsblankpressen, FE-Prozesssimulation, PVD-Werkzeugbeschichtung

Hochleistungszerspanung

Mehrachsfräsen, Präzisionshartfräsen, Präzisons-hartdrehen, Prozess- und Systemmodellierung

Lasermaterialbearbeitung

Laserstrahlfügen- und -strukturieren, Laserunterstütze Bearbeitung, Laseroberflächenbehandlung, Generative Fertigungsverfahren, Biotechnologie

CAx-Technologien

CAx-Framework, CAM-Modulentwicklung, NC-Simulation, NC-Datenoptimierung


Abteilung »CAx-Technologien«Kennzahlen und Handlungsfelder

Leitung– Lothar Glasmacher

16 Mitarbeiter– 11 Wissenschaftliche

Mitarbeiter– 2 Nicht-

wissenschaftliche Mitarbeiter

– 3 Fachinformatiker

NC-Daten-Analyse und Optimierung

Fräsen / Schleifen

UP-Bearbeitung Laserstrukturieren

CAx-Prozessketten-Bewertung

Laserauftragschweißen

»CAx-Framework«

Analyse und Optimierung

Metrologie

Quelle: Fraunhofer IPT / CAx-Technologien 2011


Innovationsallianz „Green Carbody Technologies“

Allianz und Technologieverbund: vom Blech-Coil zur lackierten Karosserie

Betrachtungsraum Karosseriefertigung

Halbzeug Blech

Werkzeugbau

Presswerk

Karosseriebau

Lackierung

übergreifende Dienstplattform „Planung“

Ganzheitliche Planung und Steuerung der Produktionsprozesse


Innovationsallianz „Green Carbody Technologies“

Infrastruktur, Logistik

Planungsraum

Werkzeugbau

Presswerk KarosseriebauStahl -werk

Lackierung Montage

Vorrichtungsbau

Teilsystem – Werkzeugbau

- Anlagentechnik- Massereduzierte Werkzeuge- Verschleißschutzkonzepte- Zerspanungs- und Try-Out-Prozesse


Prozesskette zur Herstellung eines Tiefziehwerkzeugs

Quelle Bild:Böhler-Uddeholm,Düsseldorf

Vorbear-beitung:- Fräsen

Feinbear-beitung:- Fräsen

Endbear-beitung:- Tuschieren- Schleifen- Einfahren

NC-gesteuert manuell

CAD-Modell

und Simulation

NC-Program-mierung

Quelle Bild: DMG, Bielefeld

Quelle Bild:Siebenwurst, Zwickau

Tiefziehwerkzeug


Ausgangsituation

Abziehen der Umformwerkzeuge bindet in hohem Maße manuelle Ressourcen und Zeit Prozess ist durch Iterationen und hohe Abhängigkeit von der

Erfahrung des Mitarbeiters gekennzeichnet Beurteilung durch den Arbeiter beinhaltet unnötige Fehler Schwankende Oberflächenqualität Steigerung der Anforderungen an Oberflächenqualität

erschweren die manuelle Nacharbeit erheblich Mangelnde Planbarkeit und schlechte Dokumentierbarkeit des

Prozesses

Handlungsbedarf

Erhöhen des Automatisierungsgrads (CAD/CAM, Messen, Schleifen) Reduzieren der Durchlaufzeiten für maximale Ressourcen-

effizienz

Ausgangssituation und Handlungsbedarf


Rauheit [μm] Werkstoff: EN-JS-2070

Normalkraft: 50 N

Bearbeitungsdauer:

1.Schritt: 0 360 min (06 h)

2.Schritt: 0240 min (04 h)

Final: 0 240 min (04 h)

Gesamt: 840 min (14 h)

Hubfrequenz: 30-45 min-1

Schleifmittel: SiC 220-800 Korn 0,63

4,51

7,60

0,84

6,48

10,43

0,46

3,97

6,99

0,16

2,09

4,39

Ra Rz Rt

Rauheitskennwerte

0

2

4

6

8

10

Gefräst 1.Schritt 2.Schritt Final

Randbedingungen Oberflächenqualität der einzelnen Prozessschritte

Manuelle FeinbearbeitungErgebnis der Anforderungsanalyse


Lösungsansatz Entwicklung roboterbasierter Schleifprozesse zur

automatisierten Korrektur

Adaption der Schlichtfräsbearbeitung an die Anforderungen des automatisierten Schleifprozesses

Messtechnische Erfassung des Ist-Zustandes (Blech, Werkzeug) und dadurch der zu korrigierenden Bereiche

Implementierung von CAD/CAM-Modulen für die Planung und Durchführung der Messfahrten und der adaptiven Schleifbearbeitung


Lösungsansatz – CAx Framework

•Erreichbarkeits-prüfung

•Kinematik-simulation

•Referenzierung•Daten-aufbereitung

•Soll-Ist-Vergleich

•Postprozessor•Graphische Benutzer-schnittstelle

•Bahnführungs-parameter

•Werkzeug-orientierung

CAM-Planung

Schnittstellen

Maschinen-simulation

Geometrie-erfassung

SiemensNX


Bahnführung

Qualitätskontrolle

Automatisierungsgrad

KraftregelungProzessstrategiePositionierer

Werkzeugmagazin

Nullpunkt-spannsystem

Wechselsystem

Bearbeitungsspindel

Messtaster

3D-Messsystem

Transl. Modul

Rotat. Modul

CAM-Modul

Aufbau des Versuchsstands


Rotatorische / translatorische FeinbearbeitungWerkzeuge und Prozessparameter

Rotatorische Feinbearbeitung

Spindeldrehzahl n

Bahnabstand ap

Vorschub vf

Normalkraft FN

Voreilwinkel

Schwingfrequenz f

Bahnabstand ap

Vorschub vf

Normalkraft FNWinkel Vorschub/Schwingung α

Translatorische Feinbearbeitung


2. Verschleißuntersuchung

1. Voruntersuchung

20 bis 50 NWinkel Vorschub/Schwingung α

Voruntersuchungen zur ProzessqualifizierungGeplante Bahnstrategien

0 90

Prozessflächenleistung

0,13 min/cm2 0,14 min/cm2

Werkzeug

Schwingfrequenz f

Bahnabstand ap

Vorschub vf

Gesswein DF 400 Gesswein MF 400

500 bis 3.000 min-1

0,25 bis 1 mm

16,66 - 25 mm/s

Normalkraft FN

Winkel Vorschub/Schwingung

90°

Winkel Vorschub/Schwingung

0°

1. Verschleißuntersuchung

Verschleiß Gesswein DF 400

Verschleiß Gesswein MF 400

2,94 · 10-4 mm/mm2

0,18 · 10-4 mm/mm2

Technologieentwicklung – Werkzeuge und Prozessparameter


Integration COMET-Messsystem Streifenlichtprojektionssystem COMET

5 wurde in die Roboterzelle integriert– Aufnahme des Sensors am

Roboterflansch

Automatisierte Messung eines Demonstrator-Bauteils

– NC-basiert– Ablaufsteuerung über Schnittstelle zur

Synchronisation zwischen Steinbichler Sensorsystem und ABB-Robotersteuerung

Werkzeugwechsler für Wechsel zwischen Sensor und Bearbeitungsspindel

Flächige Messung über Einzelaufnahmen und Referenzmarkenmatching


Entwicklte CAM-Module Operationsnavigator

– Liste der geplanten Prozessschritte Werkzeugweg Bearbeitungsparameter Bearbeitete Flächen

CAM-Modul– Konfiguration des CAM-Moduls über Parameterreiter– Feinbearbeitungsbahnstrategien – Vorschübe– Anfahr-, Rückzugs- und Umsetzbewegungen

Simulationsumgebung– Visualisierung des Werkzeugwegs– Kollisionskontrolle Werkzeug/Werkstück

Konsistente Datenhaltung über mehrere Fertigungsfolgen


Graphische Benutzerschnittstelle Graphische Benutzerschnittstelle

– Steuerungsapplikation– Nutzung der FlexPendant SDK Bibliothek

von ABB– GUI erlaubt Prozesskonfiguration

Konfiguration– Genutztes Werkzeug– Definition von

Referenzkoordinatensystem– Auswahl NC-Programm– Definition von Vorschüben

Hilfsfunktionen– Konfiguration und Ausführung von

Fertigungsfolgen


Homogene Oberflächenqualität nach der roboterbasierten, translatorischenFeinbearbeitung in zwei Prozessschritten mit Korngröße 400 und 600. Erzielte Oberflächenqualität entspricht den Anforderungen. Im Vergleich zum manuellen Abziehen konnte die Bearbeitungszeit des

Demonstrators um 36% reduziert werden.

0

2

4

6

8

10

Ra Rz RtRauheitskennwerte

Rauheit [μm] Minimum Mittelwert Maximal

0,21

2,50

3,44

0,35

3,64

5,39

0,42

4,67

8,32

Translatorische Feinbearbeitung – erzielte Oberflächenqualität


Automatisierte Geometrieerfassung durch Integration eines L-Scan Messsystems in eine Werkzeugmaschine und eines COMET Messssystems in das Robotersystem

CAx-Prozesskette zur adaptiven Schleifbearbeitung inklusive CAM-Modul, Postprozessor, Graphische Benutzerschnittstelle und spezifischen Bahnalgorithmen

Robotersystem zur automatisierten Feinbearbeitung unter Verwendung einer Bearbeitungsspindel und einer zusätzlich entwickelten translatorischen Werkzeugaufnahme

Prozessstrategien und -parameter für die translatorischeSchleifbearbeitung

Signifikante Zeiteinsparung bei der automatisierten Schleifbearbeitung des Demonstrators

Zusammenfassung

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