Kolloquium zur 5-Achs-Bearbeitung an der Technischen Universität Dresden

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1 Kolloquium zur 5-Achs-Bearbeitung an der Technischen Universität Dresden Rehm, Chr. 1. Einleitung Am 14. März 1997 fand an der Technischen Universität Dresden ein Kolloquium zur Thematik der 5-Achs-Bearbeitung statt. Vorgestellt wurden die Ergebnisse der Arbeiten auf dem Gebiet der Qualitätsbildung und der Fräsbahngenerierung speziell für die Bearbeitung von Holzwerkstoffen, und der Arbeiten zur Nutzerunterstützung der Freiformflächenbearbeitung in der Werkstatt. Im Produktionsprozeß werden Freiformflächen in verschiedenen Phasen wiederholt hergestellt. Daß dazu auch andere als spanende Verfahren zum Einsatz kommen, zeigte ein Vortrag über generative Fertigung (Rapid Prototyping). Teilnehmer waren vor allem Vertreter der Maschinenhersteller für die 5-achsige Holz- und Kunststoffbearbeitung, Partner aus der Freiformflächenbearbeitung und Hochschulangehörige (aus Braunschweig, Dresden und Stuttgart). 2. Vorträge 5-Achs-Fräsen in der industriellen Fertigung (Prof.Dr.-Ing. D. Fichtner, TU Dresden, Institut für Produktionstechnik) Die Entwicklung der 5-Achs-Fräsbearbeitung wird im Zeitalter der HSC-Bearbeitung teilweise als überholt betrachtet. Dabei wird außer acht gelassen, daß es zahlreiche Anwendungen gibt, bei denen man nur durch eine Fräseranstellung zu einem befriedigenden Ergebnis kommen kann. Als Beispiel dafür sei die Fertigung von Kurven auf zylindrischen Werkstücken genannt, wie sie als Steuertrommeln zum Einsatz kommen. Neben der Erreichung der gewünschten Oberflächengeometrie durch Ausnutzung der Ausrichtung der Fräserachsrichtung in Abhängigkeit von der Flächennormale, können die beiden rotatorischen Achsen als Positionierachsen genutzt werden, so daß eine Mehrseitenbearbeitung möglich wird, Umspannvorgänge können so entfallen, leistungsfähigere Konturen der Werkzeuge oder Werkzeuge selbst steigern die Leistungsfähigkeit. Einflußfaktoren auf die Qualitätsbildung beim Fräsen von Holz (Dipl.-Ing. K. Rehm, TU Dresden, Institut für Holz- und Papiertechnik) Im Rahmen eines DFG-Forschungsthemas zur Qualitätsbildung beim Fräsen von Holz werden die material- und verfahrensseitigen Einflußfaktoren auf die Entstehung der Qualitätsmerkmale der Holzoberfläche untersucht. Ziel der Untersuchungen ist es einerseits, das Fräsen von Vollholz derart zu modellieren, das die Tiefe der Oberflächenbeeinflussung durch die Bearbeitung vorhergesagt werden kann und andererseits durch Schnittwertvorgaben die Oberflächenzerstörung in definierten Grenzen gehalten werden kann. Dies gestattet

2 insbesondere beim mehrachsigen Formfräsen eine zuverlässigere Beherrschung des Prozesses, so daß das Aufmaß für den nachfolgenden Schleifprozeß auf ein vorher definiertes Maß verringert werden kann. Als Hauptmerkmal der Oberflächenqualität wurde die Rißbildung vor und unter der Schneide als Funktion der Schnittgeometrie (Lage von Schnittrichtung und Schneide in der Holzstruktur) und der wählbaren Spanungsgrößen beim Umfangs- und Stirnfräsen für verschiedene typische Holzarten untersucht. Innerhalb dieses vielschichtigen Feldes konnte die Größe der Einflüsse festgestellt werden. Insbesondere die Spanungsdicke wurde der Schnittgeometrie und der Abstumpfung der Schneiden gegenübergestellt. Dabei konnten die Möglichkeiten der qualitätsorientierten Prozeßregelung durch Wahl der Schnittwerte abgegrenzt werden. Als Ergebnisse liegen Vorschläge für die Schnittwertgestaltung und Vorgaben für die Fräsbahngenerierung beim Formfräsen von Vollholz vor. Dies soll sowohl für die Steuerung des Fräsprozesses, als auch für die Entwicklung einer Vorgehensweise zur qualitätsoptimalen Fräsbahngenerierung genutzt werden. Da eine diskrete, durch experimentelle Untersuchungen gestützte Grundlage dieser Prozeßmodellierung nicht schnell und zuverlässig auf weitere Holzarten und veränderte Eingangsgrößen erweitert werden kann, wird an einer numerischen Modellierung des Rißbildungsvorganges auf Grundlage von physikalischen Modellen der Schnittkraftentstehung, der Schneidenabstumpfung und der Rißausbreitung im Holz gearbeitet. Frässtrategien für das 5-achsige Formfräsen von Massivholz (Dipl.-Ing. T. Wietfeld, TU Braunschweig, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik) Das 5-achsige Formfräsen stellt eine geeignete Alternative zum 3-achsigen Kopierfräsen für die Fertigung freigeformter Bauteile dar. Durch die Anpassung der Orientierung der Fräserachse an die Werkstückoberfläche ist bei einer gegebenen Rillentiefe ein größerer Zeilenabstand möglich, was zu einer Reduzierung der Bearbeitungszeit führt. Die Planung der Bearbeitung erfordert jedoch aufgrund der Anisotropie des Werkstoffs besondere Frässtrategien. Kernpunkt der Frässtrategien ist die Berücksichtigung der Faserrichtung und damit der aktuellen Schnittrichtung. Zur Darstellung der Schnittrichtung wurden die bestehenden Beschreibungsformen von Kivimaa und Koch/McKenzie erweitert. Für die erweiterte Definition wird der Stamm durch ein Zylindermodell angenähert. Mit Hilfe von vier Winkeln - jeweils zwei für Schnittrichtung und Schneidenlage - erfolgt eine vollständige Beschreibung des Schnittvorgangs an jedem Punkt des Raumes. Die am Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der TU Braunschweig erarbeiteten Frässtrategien wurden in ein 3D-CAD/CAM-System umgesetzt. Basis war hier das System CATIA der Fa. Dassault. In dem System werden neben der geometrischen Gestalt des Bauteils auch die technologischen Eigenschaften des Werkstoffs abgebildet. Zu den technologischen Eigenschaften gehören neben Informationen über die Holzart auch Informationen über den

3 Aufbau des Holzkörpers wie die Richtung der Fasern und der Lage des Jahrringzentrums. Bei der Planung der Bearbeitung werden die zu fräsenden Flächen zunächst entsprechend geeigneter Kriterien eingeteilt. Danach werden für die Einzelflächen die Fräsrichtung und das eingesetzte Werkzeug bestimmt. In einem weiteren Schritt wird die Überfrässtrategie definiert. Im Anschluß bestimmt das System für die generierten Fräsbahnen die Schnittrichtungen und trägt einen entsprechender Wert für die Vorschubgeschwindigkeit in das Programm ein. Zur Bestimmung der optimalen Vorschubgeschwindigkeit soll zukünftig auf das am Lehrstuhl für Holz- und Faserwerkstofftechnik der TU Dresden entstehende Qualitätsmodell zurückgegriffen werden. Werkzeuggeometriekorrektur in der Werkstatt (Dipl.-Ing. C. Rehm, TU Dresden, Institut für Produktionstechnik) Neben den Entwicklungen auf der Basis neuester Steuerungskomponenten darf man nicht vergessen, daß die Funktionalität der heute im Einsatz befindlichen Steuerungen sehr variiert, der Ersatz einer älteren Steuerung durch eine neue häufig den Finanzrahmen einer Firma sprengt. Deshalb werden entsprechend den Anforderungen der Industriepartner Lösungen entwickelt, die auf der Basis des NC-Programms nachträglich Änderungen in der Werkstatt gestatten. So kann für 5-Achs-Maschinen mit einem Drehtisch und einem Schwenkkopf eine Lösung angeboten werden, bei der die Werkzeuglänge noch bei Beginn oder im Verlauf der Bearbeitung verändert werden kann. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn infolge einer Fehlinformation zwischen Werkstatt und Arbeitsvorbereitung nicht das geplante Werkzeug zur Verfügung steht, kann aber auch von Nutzen sein, wenn bei großen Werkstücken während der Bearbeitung ein Werkzeugwechsel erfolgen muß. Dazu wird das NC-Programm entsprechend der neuen Werkzeuglänge transformiert. Weitere Probleme, die häufig in der Werkstatt bei der 5-achsigen Bearbeitung auftreten, sind die Aufspannlagenkompensation, sowohl als Verdrehung des Werkstückes als auch als translatorische Aufspannung in Bezug zum Drehtischmittelpunkt. Durch einfache Korrekturprogramme kann so der Kreislauf Werkstatt - Arbeitsvorbereitung bei der Fehlerbehebung in NC-Programmen unterbrochen werden. Prozeßkette vom Digitalisieren zum schnellen Modell (Dipl.-Ing. J. Hoffmann, TU Dresden, Institut für Produktionstechnik) Neben den spanenden Fertigungsverfahren gibt es Entwicklungen, die in eine ganz andere Richtung laufen. Die Verfahren zur schnellen Fertigung von Modellen, Diese Modelle finden Einsatz in verschiedensten Fällen, z. B. als Anschauungsmodell oder als Funktionsmodell. Sie können aber auch direkt als Werkzeug für andere formgebende Verfahren eingesetzt werden. Der Vorteil dieser Verfahren besteht darin, daß sie in kurzer Zeit aus dem virtuellen CAD- Modell heraus ein körperliches Modell erzeugen. Änderungen am Modell können frühzeitig

4 ausgeführt werden, ohne daß teure Werkzeuge hergestellt wurden. Das spart letztendlich neben der Entwicklungszeit auch Kosten.

5 3. Praktische Demonstrationen Das Kolloquium wurde mit der Demonstration 5-achsiger Bearbeitung am Beispiel einer Teilfläche einer PKW-Außenhaut im Maschinenlabor des Institutes für Produktionstechnik auf einer MAHO 800C mit der Steuerung andronic400 abgeschlossen. Außerdem konnten die Teilnehmer des Kolloquiums die Stereolithographieanlage EOS400 in Betrieb betrachten. Gerade die Demonstrationen an der laufenden Maschine inspirierten zu interessanten Gesprächen und zum Erfahrungsaustausch zwischen den Teilnehmern (Foto 1). Foto 1: Diskussionen während der praktischen Demonstration 4. Zusammenfassung Das Kolloquium machte deutlich, daß die 5-Achs-Bearbeitung in der industriellen Fertigung einen festen Platz hat. Sie hat noch Potentiale, die durch den Abbau vorhandener Hemmnisse ausgeschöpft werden können. Die vorgestellten Ergebnisse der Forschungstätigkeit sind darauf gerichtet, die Bearbeitungsprozesse effektiver zu gestalten. Daß die Hochschulen einen Beitrag zur Vorlaufforschung zu leisten haben, wurde betont. Damit im Zusammenhang wurde von den Gästen aus der Industrie der Wunsch vorgetragen, die vorgestellten Ergebnisse bezüglich der Holzbearbeitung in einem Fachbuch zu veröffentlichen. Ebenso kam zum Ausdruck, daß Forschung auch immer praxisbezogen sein muß, da viele Problemfälle der Industrie aufgrund von Zeit- und Geldmangel nicht direkt vor Ort gelöst werden können, sich für diese Fälle die Zusammenarbeit zwischen Industrie und Hochschule bewährt hat. In einem hierauf folgenden Kolloquium sollten nicht nur Wissenschaftler und Maschinenhersteller zu Wort kommen, sondern auch Steuerungshersteller und Anwender präsent sein.