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© WZL/Fraunhofer IPT
CAx-Technologien für die Einzel- und Kleinserienfertigung
Metall 2013
08. März 2013
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Gliederung
Vorstellung Fraunhofer IPT1
Innovationsallianz „Green Carbody Technologies“2
Ausgangssituation und Anforderungen3
Lösungsansatz4
Werkzeuge und Prozessparameter5
Entwickelte CAM Module6
Zusammenfassung7
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Bahnführung
Qualitätskontrolle
Automatisierungsgrad
KraftregelungProzessstrategiePositionierer
Werkzeugmagazin
Nullpunkt-spannsystem
Wechselsystem
Bearbeitungsspindel
Messtaster
3D-Messsystem
Transl. Modul
Rotat. Modul
CAM-Modul
Aufbau des Versuchsstands
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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