CAx-Technologien für die Einzel- und Kleinserienfertigung

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1 CAx-Technologien für die Einzel- und Kleinserienfertigung Metall März 2013

2 Gliederung 1 Vorstellung Fraunhofer IPT 2 Innovationsallianz Green Carbody Technologies 3 Ausgangssituation und Anforderungen 4 Lösungsansatz 5 Werkzeuge und Prozessparameter 6 Entwickelte CAM Module 7 Zusammenfassung Seite 1

3 Fraunhofer IPT Abteilungen im Bereich»Prozesstechnologie«Feinbearbeitung und Optik UP-Diamantbearbeitung, Präzisionsschleifen und -polieren, Präzisionsblankpressen, FE-Prozesssimulation, PVD-Werkzeugbeschichtung Hochleistungszerspanung Mehrachsfräsen, Präzisionshartfräsen, Präzisonshartdrehen, Prozess- und Systemmodellierung Lasermaterialbearbeitung Laserstrahlfügen- und -strukturieren, Laserunterstütze Bearbeitung, Laseroberflächenbehandlung, Generative Fertigungsverfahren, Biotechnologie CAx-Technologien CAx-Framework, CAM-Modulentwicklung, NC-Simulation, NC-Datenoptimierung Seite 2

4 Abteilung»CAx-Technologien«Kennzahlen und Handlungsfelder Leitung Lothar Glasmacher Fräsen / Schleifen»CAx-Framework«Laserauftragschweißen 16 Mitarbeiter 11 Wissenschaftliche Mitarbeiter 2 Nichtwissenschaftliche Mitarbeiter UP-Bearbeitung Metrologie Laserstrukturieren 3 Fachinformatiker Analyse und Optimierung NC-Daten-Analyse und Optimierung CAx-Prozessketten-Bewertung Quelle: Fraunhofer IPT / CAx-Technologien 2011 Seite 3

5 Innovationsallianz Green Carbody Technologies Allianz und Technologieverbund: vom Blech-Coil zur lackierten Karosserie Betrachtungsraum Karosseriefertigung Lackierung Karosseriebau Presswerk Werkzeugbau übergreifende Dienstplattform Planung Halbzeug Blech Ganzheitliche Planung und Steuerung der Produktionsprozesse Seite 4

6 Innovationsallianz Green Carbody Technologies Planungsraum Stahl - werk Presswerk Karosseriebau Lackierung Montage Werkzeugbau Vorrichtungsbau Infrastruktur, Logistik Teilsystem Werkzeugbau - Anlagentechnik - Massereduzierte Werkzeuge - Verschleißschutzkonzepte - Zerspanungs- und Try-Out-Prozesse Seite 5

7 Prozesskette zur Herstellung eines Tiefziehwerkzeugs Quelle Bild: Böhler-Uddeholm, Düsseldorf Quelle Bild: DMG, Bielefeld Tiefziehwerkzeug CAD- Modell und Simulation NC- Programmierung Vorbearbeitung: -Fräsen NC-gesteuert Feinbearbeitung: -Fräsen Endbearbeitung: -Tuschieren - Schleifen -Einfahren manuell Quelle Bild: Siebenwurst, Zwickau Seite 6

8 Ausgangssituation und Handlungsbedarf 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 Ressourceneffizienz Seite 7

9 Manuelle Feinbearbeitung Ergebnis der Anforderungsanalyse Randbedingungen Oberflächenqualität der einzelnen Prozessschritte Werkstoff: EN-JS-2070 Rauheit [μm] Gefräst 1.Schritt 2.Schritt Final Normalkraft: 50 N Bearbeitungsdauer: 1.Schritt: min (06 h) 2.Schritt: min (04 h) Final: min (04 h) Gesamt: 840 min (14 h) Hubfrequenz: min -1 Schleifmittel: SiC Korn 0 0, ,84 0,46 0,16 4,51 6,48 3,97 2,09 10,43 7,60 6,99 4,39 Ra Rz Rt Rauheitskennwerte Seite 8

10 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 Seite 9

11 Lösungsansatz CAx Framework Postprozessor Graphische Benutzerschnittstelle Bahnführungsparameter Werkzeugorientierung CAM- Planung Schnittstellen Siemens NX Maschinensimulation Geometrieerfassung Referenzierung Datenaufbereitung Soll-Ist-Vergleich Erreichbarkeitsprüfung Kinematiksimulation Seite 10

12 Aufbau des Versuchsstands Prozessstrategie Positionierer Transl. Modul Kraftregelung Bearbeitungsspindel Rotat. Modul Nullpunktspannsystem Messtaster 3D-Messsystem Wechselsystem Qualitätskontrolle Automatisierungsgrad Werkzeugmagazin CAM-Modul Bahnführung Seite 11

13 Rotatorische / translatorische Feinbearbeitung Werkzeuge und Prozessparameter Translatorische Feinbearbeitung Rotatorische Feinbearbeitung Vorschub vf Spindeldrehzahl n Normalkraft FN Vorschub vf Normalkraft FN Winkel Vorschub/Schwingung α Bahnabstand ap Bahnabstand ap Schwingfrequenz f Voreilwinkel Seite 12

14 Technologieentwicklung Werkzeuge und Prozessparameter Geplante Bahnstrategien Voruntersuchungen zur Prozessqualifizierung Verschleiß Gesswein DF 400 0, mm/mm 2 Verschleiß Gesswein MF 400 2, mm/mm 2 Winkel Vorschub/Schwingung 0 Winkel Vorschub/Schwingung 90 Werkzeug Schwingfrequenz f 1. Voruntersuchung Gesswein DF 400 Gesswein MF bis min -1 Winkel Vorschub/Schwingung α 0 90 Prozessflächenleistung Normalkraft F N Bahnabstand a p Vorschub v f 20 bis 50 N 0,25 bis 1 mm 16,66-25 mm/s 0,13 min/cm 2 0,14 min/cm 2 1. Verschleißuntersuchung 2. Verschleißuntersuchung Seite 13

15 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 Seite 14

16 Entwicklte CAM-Module Operationsnavigator Liste der geplanten Prozessschritte CAM-Modul Werkzeugweg Bearbeitungsparameter Bearbeitete Flächen Konfiguration des CAM-Moduls über Parameterreiter Feinbearbeitungsbahnstrategien Vorschübe Anfahr-, Rückzugs- und Umsetzbewegungen Simulationsumgebung Visualisierung des Werkzeugwegs Kollisionskontrolle Werkzeug/Werkstück Konsistente Datenhaltung über mehrere Fertigungsfolgen Seite 15

17 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 Seite 16

18 Translatorische Feinbearbeitung erzielte Oberflächenqualität Rauheit [μm] Minimum Mittelwert Maximal 10 8, ,39 4,67 4 3,64 3,44 2,50 2 0,35 0,42 0 0,21 Ra Rz Rauheitskennwerte Rt Homogene Oberflächenqualität nach der roboterbasierten, translatorischen Feinbearbeitung 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. Seite 17

19 Zusammenfassung 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 translatorische Schleifbearbeitung Signifikante Zeiteinsparung bei der automatisierten Schleifbearbeitung des Demonstrators Seite 18