CAMWear – Optimierung der CAM-Bahnplanung in der Fräsbearbeitung durch Grey-Box-Simulation von Werkzeugverschleiß

Verschleiß ist definiert als der fortschreitende Materialverlust aus der Oberfläche eines festen Körpers (Grundkörper), hervorgerufen durch Kontakt- und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörpers.

Abbildung 1: Einflüsse auf das Standvermögen von Zerspanungswerkzeugen

Alleine das Werkzeug umfasst die Einflussfaktoren Schneidengeometrie, Schneidstoff, Werkzeugaufnahme und Werkzeugform. Die Schneidengeometrie wiederum umfasst verschiedene Winkel und Maße die die Schneide geometrisch definieren. Die Einflussfaktoren auf den Werkzeugverschleiß bzw. das Standvermögen des Werkzeugs sind entsprechend vielfältig, siehe Abbildung 1. Das gleiche gilt für die Auswirkungen von Werkzeugverschleiß. Die technologischen Nachteile und wirtschaftlichen Folgen von Werkzeugverschleiß sind am Beispiel des Fräsens in Abbildung 2 dargestellt. Die Nachteile umfassen Materialverschwendung, Zeitverschwendung und Qualitätsminderungen am Bauteil. Die Folgen von Werkzeugverschleiß sind erhöhte Werkzeug-, Ausschuss-, Nachbearbeitungs- und Maschinenkosten.

Abbildung 2: Nachteile und Folgen von Werkzeugverschleiß beim Fräsen

Zur Quantifizierung des Verschleißes werden Verschleißmaße genutzt, die sich auf eine Verschleißform beziehen, welche sich wiederum aus einem Zusammenspiel verschiedener Verschleißmechanismen durch die physikalischen Beanspruchungen im Zerspanungsprozess ergibt, siehe Abbildung 3.

Abbildung 3: Terminologie der Wirkungskette von Zerspanungswerkzeugverschleiß

Zielsetzung und Vorgehensweise

Das Forschungsvorhaben »CAMWear« verfolgt als Ziel die Steigerung der Produktivität in der 5-Achs-Fräsbearbeitung durch Berücksichtigung des Werkzeugverschleißes bei der CAM-Planung auf Basis eines selbstlernenden Algorithmus.

Im Rahmen des Vorhabens soll der Demonstrator eines CAM-Moduls entwickelt werden, der auf Basis einer vorhandenen 5-Achs-Werkzeugbahn und weiteren technologischen Randbedingungen (z.B. Werkzeuggeometrie, Schneidstoff oder Werkstoff) den erwarteten Werkzeugverschleiß vorhersagen und darstellen kann (vgl. Abbildung 1). Das CAM-Modul kann anschließend genutzt werden, um die beschriebene iterative Auslegungsmethode nach dem Prinzip »Versuch und Irrtum« durch eine wissensbasierte Prozessauslegung zu ersetzen.

Abbildung 4: Lösungsansatz des Vorhabens »CAMWear«

Um das Hauptziel erreichen zu können, werden im angestrebten Projektvorhaben folgende vier Teilziele verfolgt:

     I.        Modellierung des Werkzeugverschleiß bei der Fräsbearbeitung mit hoher Zuverlässigkeit der Vorhersage

    II.        Ableitung von wissensbasierten Auslegungsregeln für die Fräsbearbeitung unter Berücksichtigung des Werkzeugverschleiß

  III.        Bereitstellung einer Verschleiß-Visualisierung für die CAM-Planung der Fräsbearbeitung

  IV.        Integration der Verschleißmodellierung in ein demonstratorisches CAM-Modul

Das Vorhaben zielt darauf ab ein Verschleißmodell auf Basis empirischer Daten zu bilden, dieses in ein CAM-System zu integrieren und zur Prozessoptimierung zu nutzen, siehe Abbildung 5.

Abbildung 5: Übersicht der Tätigkeiten im Vorhaben CAMWear

Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben CAMWear (20270N) der Forschungsvereinigung Programmiersprachen für Fertigungseinrichtungen (FVP) e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Förderzeitraum begann im Februar 2019 und endete im Januar 2021.