Geometrisch-physikalische Prozesssimulation

Nicht nur im Zeitalter von „Industrie 4.0“ kommt Prozesssimulationen und der Kopplung von Prozessmodellen mit der realen Fertigung eine besondere Bedeutung zu. In aktuellen Forschungsprojekten werden Methoden zur Analyse von Prozessen mit geometrisch bestimmter und unbestimmter Schneide entwickelt (Abb.). Dabei steht nicht der Spanbildungsprozess an sich im Vordergrund; es werden vielmehr effizientere Ersatzmodelle entwickelt, welche die Simulation und Analyse der Bearbeitung komplexer Bauteile ermöglichen.

Abb.: Einsatzpotentiale von Prozesssimulationen

Die Grundlage bildet die geometrische Beschreibung des Werkzeugs und Werkstücks sowie des resultierenden Materialabtrags. Durch die Analyse der Spanungsform und auf Basis empirischer Kraftmodelle können die charakteristischen Prozesskräfte berechnet werden. Zur Abbildung, beispielsweise von auftretenden Schwingungen, während der Bearbeitung werden Ersatzmodelle auf Basis modaler Parameter (modale Masse, Dämpfung und Eigenfrequenz) verwendet. Damit ist es möglich, das dynamische Verhalten von Werkzeug, Werkstück, Vorrichtung und Werkzeugmaschine effizient zu berücksichtigen.

Neben der Analyse des gesamten Bearbeitungsprozesses oder auch von Prozessketten (beispielsweise bestehend aus Fräsen und anschließender Feinbearbeitung) können die Eingriffsbedingungen an der Schneide modelliert und die resultierenden Oberflächenstrukturen berechnet werden. Damit ist es möglich, den Einfluss unterschiedlicher Prozessparameterwerte auf die resultierende Oberflächenbeschaffenheit zu analysieren. Dabei besteht insbesondere bei der Simulation spanender Fertigungsverfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide – wie zum Beispiel Schleifen oder Microfinishen – eine besondere Herausforderung in der Modellierung der einzelnen Körner und deren Prozessverhaltens.

Des Weiteren können Prozesssimulationen bereits in der Konstruktionsphase von Werkzeugmaschinen oder Vorrichtungen eingesetzt werden. Klassischerweise werden hierzu Finite-Elemente-Methoden eingesetzt, welche die Analyse der statischen und dynamischen Belastungen ermöglichen. Eine Vorhersage des späteren Einsatzverhaltens der Komponenten während der Bearbeitung ist damit allerdings nicht möglich. Hierfür bieten sich zusätzlich Prozesssimulationen zur Abschätzung beispielsweise von Prozesskräften an, um eine Über- bzw. Unterdimensionierung der Komponenten zu vermeiden.

In weiteren aktuellen Forschungsprojekten steht die Kopplung von Sensorik (Ist-Analyse) und Prozesssimulation (Vorhersage) sowie die Qualifizierung der Simulation für die Anpassungsplanung in Fabriken im Mittelpunkt.

Ansprechpartner