PhysiX-CAM – Entwicklung eines digitalen Zwillings bei der Fräsbearbeitung auf Basis von physikalischen Simulationen

PhysiX-CAM

Projektdauer: 1.2.2019 bis 31.1.2021

Die Minimierung von Werkstückschwingungen gehört zu den größten Herausforderungen in der Fräsbearbeitung. Schwingungen führen zu Oberflächenschädigungen am Werkstück, zu aufwändigeren Nachbearbeitungen und zu erhöhtem Werkzeugverschleiß. Das Schwingungsverhalten von Werkstücken ist jedoch komplex: Während der Fräsbearbeitung ändern sich Masse und Steifigkeit des Werkstücks aufgrund der Materialzerspanung kontinuierlich; das Schwingungsverhalten ist dynamisch veränderlich und abhängig von der Werkzeugposition und der Zerspankraft. Gegenwärtige CAM-Systeme können dieses komplexe Verhalten nicht abbilden, weshalb die Prozessplaner bei der Auswahl der Prozessparameter vor ungelösten Problemen stehen.

»PhysiX-CAM« Software ermöglicht die Auswahl günstiger Prozessparameter

Das Fraunhofer IPT entwickelt im Forschungsprojekt »PhysiX-CAM« eine CAM-Software zur Prognose des Schwingungsverhaltens dünnwandiger Werkstücke. Dazu verbinden die Forscher geometrische und numerische Prozessmodelle miteinander, indem sie Materialzerspanungssimulationen im Fräsprozess mit physikalischen FE-Simulation kombinieren. Die »PhysiX-CAM«-Software soll eine Prädiktion des Werkstückschwingverhaltens bereits während der CAM-Prozessplanung ermöglichen. Das befähigt die Prozessplaner, vorteilhafte Prozessparameter auszuwählen, die zu minimalen Schwingungsamplituden führen. Das Ziel ist, Fräsprozesse für eine ressourcenschonende und wirtschaftliche Produktion optimal zu konfigurieren.

Kopplung von Materialzerspanungs-, Zerspankraft- und FE-Simulation

Um dieses Ziel zu erreichen, koppeln die Forscher eine Materialzerspanungssimulation, eine Zerspankraftsimulation sowie eine FE-Simulation. Auf diese Weise schaffen sie eine virtuelle Umgebung zur Simulation und Optimierung des Werkstückschwingungsverhaltens. Darüber hinaus entwickeln die Forscher neue Modellierungsstrategien zur Generierung geometrischer, qualitativer Darstellungen des Werkstücks während der Fräsbearbeitung. Diese Werkstückdarstellungen können in FE-Simulationen effizient verwendet werden, um Eigenfrequenzen und Schwingungsformen zu ermitteln.

Durch die Integration einer Zerspankraftsimulation, können fremd- und selbsterregte Werkstückschwingungen zu bestimmten Zeitpunkten in der Zerspanung simuliert werden. Zu diesen Zeitpunkten lässt sich dann durch die automatisierte Veränderung von Prozessparametern, etwa der Spindeldrehzahl, die Fräsbearbeitung bei minimalen Schwingungsamplituden realisieren.

Auf Basis der Simulationen untersuchen die Forscher im nächsten Schritt neue Materialbearbeitungsstrategien, etwa die kontinuierliche Drehzahlvariation während der Fräsbearbeitung. Auf diese Weise möchten die Forscher zusätzlich zu den zuvor simulierten diskreten Zeitpunkten optimierte und schwingungsreduzierte reale Prozesszustände erreichen.

Ziele des Forschungsprojekts »PhysiX-CAM« im Überblick

  • Steigerung der Produktivität im Fräsprozess
  • Optimierung der Prozessparameter, z.B. die Spindeldrehzahl
  • Reduktion von Schwingungen über die Werkzeugbahn
  • Reduktion des schwingungsbedingten Werkzeugverschleißes
  • Verbesserung der Oberflächenqualität des Werkstücks
  • Reduktion von Werkstückausschuss
  • Generierung neuartigen Prozesswissens und neue Möglichkeiten zur Analyse der Prozessstabilität

Projektförderung

Das Forschungsprojekt »PhysiX-CAM« wird durch Mittel des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) 2014-2020 gefördert.

Projektpartner

  • Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen
  • AixPath GmbH, Aachen
  • Module Works GmbH, Aachen