VoKoES

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Vorhersage und Kompensation von Bauteilverzügen durch Eigenspannungen während der 5-Achs-Fräsbearbeitung

Während der Fertigung von Metallbauteilen durchlaufen die Werkstücke Erwärmungs- und Abkühlphasen, in denen sie starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Durch Hochtemperaturmethoden wie Gießen oder Schmieden werden an unterschiedlichen Stellen innere Druck- und Zugspannungen, sogenannte Eigenspannungen, in das Material eingebracht. Bei der Herstellung der gewünschten Endgeometrie durch einen Fräsprozess, werden Teile des Materials abgetragen. Die Kräfte aus den inneren Spannungen des verbleibenden Materials geraten durch den Materialabtrag in ein Ungleichgewicht. Die Folge: Die Eigenspannungen innerhalb des Bauteils verändern sich, es kommt zu Veränderungen des Werkstoffgefüges und des Bauteilvolumens. Dies führt oft zu Formänderungen des Bauteils, die Verzug genannt werden.

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Besonders bei großen und dünnwandigen Bauteilen, die im Leichtbau eine wichtige Rolle spielen, treten oft gravierende Eigenspannungsverzüge auf. Eine Möglichkeit, den Verzug zu korrigieren, ist, die verzogenen Werkstücke nach der mechanischen Bearbeitung zu richten. Dabei wird das Werkstück in die gewünschte Form gebogen. Das Richten ist ein sehr aufwändiger Prozess und besonders bei komplexen Geometrien nicht immer möglich. Verzüge zu reduzieren oder zu beheben, ist immer zeit- und kostenintensiv; nicht selten führen sie am Ende dennoch zum Ausschuss des Werkstücks.

Ziel im Forschungsprojekt »VoKoES« ist es, die Vorhersage und Kompensation von eigenspannungsbedingten Bauteilverzügen während der 5-Achs-Fräsbearbeitung und in der CAM-Programmierung zu verbessern.

Das Forschungsvorhaben ist in vier Module gegliedert:

  • Entwicklung einer Simulation zur Bestimmung von Eigenspannungszuständen in Halbzeugen.
  • Entwicklung eines Algorithmus zur FEM-Simulation von Bauteilverzügen während der 5-Achs-Fräsbearbeitung.
  • Entwicklung von Methoden zur Kompensation von Bauteilverzügen während der 5-Achs-Fräsbearbeitung, die auf der zuvor entwickelten Vorhersagemethodik basieren.
  • Entwicklung eines adaptiven Spannsystems zur Detektion und Relaxation von Bauteilverzügen.

Die erforschten Kompensationsmethoden sollen in einem CAM-Modul implementiert werden.

Im Rahmen von »VoKoES« wird am SLA eine hinsichtlich der Rechenzeit optimierte FEM-Simulation zur Vorhersage von Bauteilverzügen entwickelt. Hierzu wird eine neuartige Vernetzungsmethode (Finite Cell Method – FCM) implementiert. Bei dieser Methode sind Netz und Struktur entkoppelt und eine neue Vernetzung nach einer Änderung der Bauteilgeometrie entfällt dadurch. Da in der Simulation einer Fräsbearbeitung die Bauteilgeometrie sich permanent ändert, kann somit eine ständige Neuvernetzung entfallen und die Rechenzeit wird erheblich reduziert.

Partner

  • Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
  • Access e. V., Aachen
  • RWTH Aachen, Institut für Strukturmechanik und Leichtbau (SLA)
  • Innoclamp GmbH, Aachen
  • Module Works, Aachen
  • BoTech GmbH, Mönchengladbach

Projektförderer

Das Forschungsprojekt wird durch Mittel des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) 2014-2020 gefördert. (Förderkennzeichen: EFRE-0801634)

Ansprechpartner

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+49 241 80 99393

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