Thema

Titel: Modellbildung und Simulation des additiven Fertigungsprozesses im Rahmen einer Virtuellen Inbetriebnahme mit CNC-Steuerungen
Typ:
  • Studienarbeit
  • Bachelorarbeit
  • Masterarbeit
Betreuer:
Status: offen

Hintergrund

Der 3D-Druck ist in den letzten Jahren vermehrt zum Einsatz gekommen, hauptsächlich um geometrische Prototypen aber vereinzelt auch funktionale Prototypen zu fertigen. Um die Druckqualität zu verbessern (Steigerung der Festigkeit, der Oberflächengüte, Vermeidung von Stützstrukturen etc.) wird am ISW das mehrachsige FDM-Verfahren erforscht. Die Bahnplanung ist dabei eine grundsätzliche Herausforderung, die deutlich umfangreicher als im klassischen FDM-Verfahren gestaltet werden muss. Hierbei werden anders als beim konventionellen 3-achsigen Schichtverfahren sowohl translatorische als auch rotatorische Achsen verwendet. Die Bewegungsführung der innovativen mehrachsigen 3D-Drucker übernimmt eine industrielle CNC-Steuerung, die konventionell im Bereich der Bearbeitungsmaschinen und Bearbeitungsroboter für die Bewegung komplexer Kinematiken eingesetzt wird.

Die übliche Aufgabe einer Computerized Numerical Control (CNC) ist die Bewegungsführung zur Realisierung einer relativen Bahnbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück. Die von der CNC bereitgestellten Funktionen ermöglichen die Interpretation und Aufbereitung der Bewegungsvorgaben (Decoder), die Werkzeuggeometriekorrektur, die Adaption der programmierten Bahn zur Berücksichtigung bestehender Randbedingungen (Bahnvorbereitung) sowie die eigentliche Sollwertgenerierung (Interpolation) unter Berücksichtigung des mechanischen Aufbaus (Transformation). Der Fokus einer CNC liegt auf der Bahnführung, um hohe Konturgenauigkeit und Oberflächengüte bei der Werkstückbearbeitung zu erzielen. Dies bedingt unter anderem die Generierung einer konturtreuen Sollwertvorgabe und gleichmäßigen Vorschubgeschwindigkeit sowie die Vermeidung von Anregungen der Eigenfrequenzen.

Im Bereich der Werkzeugmaschinen und Bearbeitungszentren zur Fertigung von Werkstücken gewinnt die Virtuelle Inbetriebnahme (VIBN – Virtuelle Inbetriebnahme) zur Verkürzung der Inbetriebnahmezeit und Steigerung der Softwarequalität an Bedeutung. Bei der VIBN unterscheidet man nach VDI/VDE 3693 zwischen unterschiedlichen Testkonfigurationen. Bei der Hardware-in-the-Loop Simulation (HILS) wird sowohl der Steuerungscode als auch die Steuerungskonfiguration auf der realen Steuerungshardware gegen die simulierte und damit experimentierfähige Maschine oder Anlage getestet. Der Simulations-PC und die reale Steuerungshardware sind bei diesem Aufbau über das reale digitale Bussystem gekoppelt. Bei der Software-in-the-Loop Simulation (SILS) wird eine virtuelle Steuerung mit dem realen Steuerungscode gegen eine experimentierfähige Maschinen- oder Anlagensimulation getestet. Der Vorteil hierbei ist, dass aufgrund der Virtualisierung der Steuerung und der damit verbunden Entkopplung von der realen Zeitachse auch rechenintensive Simulationsmodelle in das Maschinenmodell integrierbar sind. Allerdings liegt wird nicht die reale Steuerungshardware verwendet.

Aufgabe

Das Ziel der studentischen Arbeit ist die Abbildung des additiven Fertigungsprozesses im Rahmen einer Virtuellen Inbetriebnahme, um die Bahnplanung im mehrachsigen Raum in Bezug auf Kollisionen der Druckkopfgeometrie und der Maschinenkinematik vorab virtuell zu validieren. Der Neuheitsgrad dieser studentischen Arbeit besteht zum einen in der Abbildung des additiven Fertigungsprozesses im Rahmen einer Virtuellen Inbetriebnahme und zum anderen in der virtuellen Kollisionsüberprüfung von mehrachsigen 3D-Druckern, die bei konventionellen 3-achsigen Schichtverfahren aufgrund des schichtweisen Drucks und der Positionierung der Düsenspitze (immer der untersten Punkt des Druckkopfes) nicht von Relevanz war.VIBN-Kollision

Anforderung

Interesse am 3D-Druck

Interesse an Vituellen Methoden in der Produktion