08 Die digitale Prozesskette am Beispiel der Prototypenfertigung von Triebwerkskomponenten

Question 1

Computer-Aided-Design (CAD)

Answer 1

Rechnergestützte Planung und Konstruktion von Produkten bzw. Werkstücken in der virtuellen 3D-Umgebung

Question 2

Computer-Aided-Manufacturing (CAM)

Answer 2

Rechnergestützte NC-Programmierung und Verifikation von Fertigungsprozessen für CNC-Maschinen in der virtuellen 3D-Umgebung

Question 3

Computer-Aided-Engineering (CAE)

Answer 3

Rechnergestützte Simulation und Auslegung bzw. Optimierung von Produkten und Fertigungsprozessen

Question 4

Post-Processing (PP)

Answer 4

Computerprogramm zur Umwandlung maschinenneutraler Werkzeugwege in maschinenspezifische NC-Programme

Question 5

(Computerized) Numerical Control (CNC/NC):

Answer 5

Numerische Steuerung von Werkzeugmaschinen zum Ein-/Auslesen, Speichern, Korrigieren und Ausführen von NC-Programmen

Question 6

Computer-Aided-Quality Assurance (CAQ)

Answer 6

Rechnergestützte Planung und Umsetzung von Maßnahmen zur Qualitätssicherung, bspw. Messvorgängen, Messprotokollierung etc.

Question 7

Product Lifecycle Management (PLM)

Answer 7

IT-Lösung zur zentralen Verwaltung aller Produktdaten aus Planung, Konstruktion, Controlling, Vertrieb und Service

Question 8

Produktionsplanung/-steuerung (PPS)

Answer 8

IT-Lösung zur zentralen Planung, Steuerung und Überwachung der Produktionsabläufe (Maschinen, Material, Werkzeuge etc.)

Question 9

Enterprise Resource Planning (ERP)

Answer 9

IT-Lösung zur zentralen Planung, Steuerung und Überwachung von personellen und finanziellen Ressourcen ergänzend zur PPS

Question 10

Manufacturing Execution System (MES)

Answer 10

Produktionsleitsystem zur Führung, Lenkung und Kontrolle der Produktion in Echtzeit inkl. Maschinen-/Betriebsdatenerfassung

Question 11

Digitale Prozesskette

Answer 11

Die digitale Produkt- und Prozessplanung in Form der CAD-CAM-NC Datenkette erstreckt sich über die Bereiche Konstruktion, Arbeitsvorbereitung und Fertigung. Sie tauscht Daten mit den umgebenden PLM/PPS/ERP/MES Systemen aus, bzw. ist teilweise Bestandteil dieser übergeordneten Systeme.

Question 12

Maschinenauswahl - Spannplanung

Answer 12

o Prozessabfolge
o Probleme Schrumpfen der Passungen des Bauteils
o Formabweichungen durch Spannkraft
o Lageabweichungen beim Umspannen

Question 13

Integrierte Fräs-Dreh-Bearbeitung

Answer 13

o Drehen durch einen Torque-Antrieb im Tisch und gleichzeitig hochdynamisches Fräsen, Bohren, Spindeln und Reiben
o 90% der Zeit wird gefräst, nur 10% gedreht

Question 14

Integrierte Fräs-Dreh-Bearbeitung - Vor- und Nachteile

Answer 14

Vorteile
 Geringere Investitionskosten
 Geringere Kosten für die Spannvorrichtung
 Geringere Betriebskosten als große vertikale Drehmaschinen

Nachteile
 Geringeres Zeitspanvolumen (beim Drehen)

Question 15

Simulation im CAM-Programm

Answer 15

• Materialabtragssimulation
• Kollisionskontrolle

Question 16

Materialabtragssimulation

Answer 16

Simulation des Materialabtrags vom Rohteil bzw. IPW durch die Bewegung des Werkzeugs entlang des Pfads

 Visuelle Prüfung des Materialabtrags für einzelne Operationen oder die gesamte Operationsfolge
 Teilweise quantitative Analysefunktionen, bspw. Berechnung des verbleibenden Aufmaßes

Question 17

Kollisionskontrolle

Answer 17

 Detektion eventueller Kollisionen zwischen Werkzeug, Fertigteil, Rohteil bzw. IPW und Maschine
 Überprüfung der Eilgangbewegung (Lange Werkzeuge)
 Warnmeldung und Visualisierung
 Hinzufügen von Extrabewegungen
 Änderung des geposteten NC-Codes im Programm bis keine Kollision mehr vorhanden

Question 18

Prozesssimulation gekoppelter Technologiemodelle mittels CAE-System

Answer 18

• Makro- und Mikrosimulation
• Kraftsimulation

Question 19

Makro- und Mikrosimulation

Answer 19

Die Eingriffssimulation ist die Basis für die Berechnung thermisch-mechanisch bedingter Prozess- und Bauteilzustandsgrößen in der Zerspanung. Das Multi-Dexel-Modell stellt dabei den besten Kompromiss aus Simulationszeit und Genauigkeit dar.

Question 20

Kraftsimulation

Answer 20

Die semi-empirische Kraftsimulation errechnet aus der Spannungsgeometrie sowie empirisch ermittelten Kraftkoeffizienten die resultierende Zerspankraft, welche auf das Werkstück und das Werkzeug wirkt.

Question 20

Prozesssimulation gekoppelter Technologiemodelle mittels CAE-System - Eingangs- und Ergebnisdaten

Answer 20

Eingangsdaten
NC-Bahn, Rohteil, Werkzeug. Prozessparameter

Ergebnisdaten
In-Process Workpiece (IPW), Zerspankraft und daraus Berechnung weiterer technologischer Effekte, wie Werkzeug- und Werkstückabdrängung, Verschleiß

Question 21

Drehzahlauslegung zur Vermeidung instabiler Bearbeitungszustände - Modalanalyse

Answer 21

 Bestimmung der modalen Parameter einer Struktur für alle Moden im interessierenden Frequenzbereich unabhängig von der tatsächlichen Anregung durch den Bearbeitungsprozess
 Ermittlung der Werkzeugdynamik durch experimentelle Modalanalyse (EMA) und der kontinuierlich veränderlichen Werkstückdynamik an relevanten Werkzeugpositionen (CL) mittels FE-Modalanalyse

Question 22

Drehzahlauslegung zur Vermeidung instabiler Bearbeitungszustände - Drehzahlauslegung

Answer 22

Auswahl stabiler Spindeldrehzahlten an jeder Werkzeugposition unter Berücksichtigung der lokalen Systemdynamik, bestehend aus Werkzeug- und veränderlicher Werkstückdynamik

Question 23

Post-Prozessor - Vorgehen/Aufgaben (8)

Answer 23

 Auswahl der Maschine bzw. des zugehörigen Post-Prozessors
 Maschinenspezifische Ausgabe (Steuerungsabhängig)
 Festlegung von Ausgabedateityp und Speicherort
 Erstellung eines Hauptprogramms für Taktung
 Ergänzung individueller Einstellungen, bspw. spezieller Maschinenbefehle, Koordinatentransformationen etc.
 Ausgabe von speziellen UDE’s (User defined Events), wie Dynamiksettings, Werkzeugdaten und UGUDS für die Zuordnung der Prozesse für die Datenerfassung
 Festlegung der Drehzahlen und Vorschübe
 Posten des finalen NC-Programms und Transfer auf die Werkzeugmaschine

Question 24

Computerized-Numerical-Control (CNC-) Fertigung: Anwendungsbereiche (4)

Answer 24

- Antriebsoptimierung - Maschinenintegrierte Bauteilprofilmessung - Maschinendatenerfassung und -verarbeitung - Verbrauchsbewertung

Question 25

CNC-Fertigung: Antriebsoptimierung - Problemstellung

Answer 25

Während der Bearbeitung ändern sich die Eigenfrequenzen des Bauteils.

Question 26

CNC-Fertigung: Antriebsoptimierung - Vorgehen

Answer 26

1. Grobe Voreinstellung mit vorprogrammierten Setups in Abhängigkeit von der Tischbeladung -> Ruck und Beschleunigung der Achsen 2. Automatische Bestimmung mittels Zyklen durch Anregung des Motors und Aufzeichnung des resultierenden Signals -> Setzen von Filtern mit bestimmter Bandbreite und Tiefe, sodass Amplitude immer unter 0 dB und Offset x

Question 27

CNC-Fertigung: Maschinenintegrierte Bauteilprofilmessung

Answer 27

 Taster als scannendes System, welches 1000 Datenpunkte pro Sekunde aufnehmen kann  Messung zwischen einzelnen Fertigungsschritten möglich  Kein Umspannen auf KMG nötig bei Prozessauslegung  Detektion von Abweichungen im Prozess und nicht erst bei Qualitätssicherung  Rückführung in Flächen, um ein 3D-Modell des gefertigten Bauteils zu erzeugen

Question 28

CNC-Fertigung: Maschinendatenerfassung und -verarbeitung - Bestandteile (3)

Answer 28

o Maschinen- und Sensordatenerfassung o Technologiebasierte Datenverarbeitung o Zielgerichtete Bauteilprüfung

Question 29

CNC-Fertigung: Maschinendatenerfassung und -verarbeitung - Grundidee

Answer 29

o **Treffen des Großteils der erforderlichen Qualitätsaussagen** bereits **auf Basis eines Digitalen Zwillings** des gefertigten Werkstücks o **Prozess-, Maschinen- und Sensordaten erfassen**, mit Hilfe geeigneter Technologiemodelle **zu einem digitalen Zwilling verarbeiten** und bewerten und das **physikalische Bauteil nur noch an kritischen Bereichen konventionell prüfen**. o Die Verarbeitung von Maschinendaten und Prozessdaten zu Bauteilzustandsdaten ermöglicht eine **frühzeitige Qualitätsbeurteilung während der Fertigung auf Basis des Digitalen Zwillings**.

Question 30

CNC-Fertigung: Verbrauchsbewertung

Answer 30

Die Verarbeitung von Maschinendaten ermöglicht die **präzise Erfassung von Verbrauchsdaten und eine damit verbundene Nachhaltigkeitsbewertung bzw. -optimierung** (sog. Life Cycle Assessment LCA)

Question 31

Computer-Aided-Quality-Insurance: Planung der Messung - Vorgehen (Koordinatenmessgerät) (6)

Answer 31

 Auswahl der **Lage des Prüflings** auf der Messmaschine und Auswahl (ggf. auch Konstruktion und Fertigung) einer **geeigneten Bauteilhalterung**  Auswahl und ggf. Justage **notwendiger Prüftaster**  Planung der **Zustell- und Rückzugbahnen** insbesondere bei innen liegenden oder schwer zugänglichen Prüfmerkmalen  Planung der **Messbahnen** unter Berücksichtigung der zulässigen Messunsicherheit und der dafür notwendigen Punkteverteilung und Verfahrgeschwindigkeit  Programmierung der **Steuerungssoftware**  Programmierung der **Auswerte- und Analysesoftware** für spezielle Prüfmerkmale wie Kantenradien, Sehnenlängen, Formabweichungen etc.

Question 32

Computer-Aided-Quality-Insurance: Optische Messung mit dem Streifenprojektionssystem

Answer 32

 Streifenlichtprojektion basiert auf dem **Prinzip der optischen Triangulation**  **Vorbereitung des Prüflings** beinhaltet in der Regel 1. Reinigung 2. Einsprühen mit Antireflexspray  **Aufnahme des Prüflings** aus unterschiedlichen Perspektiven mittels Streifenlichtprojektion  **Zusammensetzung der Einzelaufnahmen** zu einer Gesamtpunktewolke  Berechnung eines **STL-Dreiecksnetzes** aus der Gesamtpunktewolke  **Auswertung einzelner Parameter** mithilfe spezieller Auswertungssoftware  **Soll-/Ist-Vergleich** durch Falschfarbendarstellung

Question 33

Design for X

Answer 33

Beschreibt die **Methodiken für eine frühzeitige Berücksichtigung diverser Anforderungsdimensionen entlang des Product Life Cycle** in der Produktentwicklung. Zukünftig wird insbesondere eine systemische Umsetzung dieser Methodiken durch eine **Kopplung der unterschiedlichen Software-Systeme entlang der digitalen Prozesskette** eine wichtige Rolle spielen.

Question 34

Aufarbeitung CAD-Modell für CAM-Planung (3)

Answer 34

- Bauteilgeometrien - Hilfsgeometrie - Featureanpassung

Question 35

CNC-Fertigung: Datenbasierte Qualitätsbewertung (3)

Answer 35

- Maschinen- und Sensordatenerfassung - Technologiebasierte Datenverarbeitung - Zielgerichtete Bauteilprüfung --> Reduzierung von Qualitätsaufwänden

Question 36

First-Part-Right

Answer 36

- Erfolgreiche Prototypenfertigung im ersten Anlauf unter Verzicht auf Einfahrten- und Ausfallteil - Erfordert vollständig virtuelle Prozessauslegung - Erfolgreiche Umsetzung ermöglicht signifikante Zeit- und Ressourceneinsparung, sowie wirtschaftliche Prototypenfertigung

Question 37

Fertigungsrelevante Informationen, die heutzutage insbesondere durch eine Technische Zeichnung übermittelt werden

Answer 37

- Toleranzen - Spezialprozesse - Features für Instrumentierung - Bauteilgeometrien - Hilfsgeometrien - Featureanpassung

Question 38

Zwei Arten um Geometriemessungen vorzunehmen

Answer 38

- Taktiles Koordinatenmessgerät - Streifenprojektionssystem