Bauteilschwingungen, die bei vielen Fertigungsverfahren entstehen, führen oftmals dazu, dass die Oberfläche des Werkstücks beschädigt wird. Darüber hinaus sind sie ein Grund für erhöhten Werkzeugverschleiß. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT hat gemeinsam mit Industriepartnern einen digitalen Zwilling entwickelt, mit dem Bauteilschwingungen bei der Fräsbearbeitung vorhergesagt werden können.
Bei der Fräsbearbeitung können durch den charakteristischen unterbrochenen Schnitt sowohl am Bauteil als auch am Fräswerkzeug Schwingungen entstehen. Diese führen häufig dazu, dass die Oberfläche des Werkstücks beschädigt wird. In der Folge müssen die Bauteile nachbearbeitet werden. Hinzu kommt der Werkzeugverschleiß, den die Prozessschwingungen verursachen. Dünnwandige Werkstücke, wie sie in der Luftfahrt oder auch in Leichtbau-Anwendungen vorkommen, haben ein besonders komplexes Schwingungsverhalten, das durch die Werkzeugposition und die eingesetzte Zerspankraft beeinflusst wird.
Ein Team des Fraunhofer IPT hat im Forschungsprojekt ‚PhysiX-Cam‘ einen digitalen Zwilling zur Vorhersage des Schwingungsverhaltens von Bauteilen am Beispiel einer Blade Integrated Disk (Blisk) entwickelt. Mithilfe des digitalen Zwillings gelang es, die Prozessparameter des Fräsprozesses so einzustellen, dass die Schwingungen auf ein Minimum reduziert werden. Dadurch ließen sich neue Prozessstrategien für die Fräsbearbeitung ableiten.
Im ersten Projektabschnitt untersuchten die Forscherinnen und Forscher mehrere Ansätze zur Modellierung der veränderlichen Werkstückgeometrie. Mit der Multi-Dexel-Modellierung, einer Methode zur geometrischen Modellierung und physikalischen Simulation, fand das Team eine Lösung, die eine hohe Genauigkeit bei vergleichsweise geringem Rechenaufwand bietet. Eine Schwäche der Multi-Dexel-Modellierung ist jedoch, dass sich mit ihr nur Oberflächen- und keine kompletten Volumenkörper modellieren lassen. Dies wird jedoch zur Vorhersage des Werkstück-Schwingungsverhaltens benötigt. Die Forscherinnen und Forscher erweiterten deshalb die Multi-Dexel-Modellierung und programmierten zahlreiche neue Funktionalitäten.
Im nächsten Schritt testeten sie die Parameter in zahlreichen praktischen Zerspanuntersuchungen: Die in den praktischen Tests gemessenen Schwingungen stimmten nahezu vollständig mit den vorhergesagten überein. Aus den gewonnenen Erkenntnissen leiteten die Forscherinnen und Forscher im letzten Projektabschnitt neue Prozessstrategien für die Fräsbearbeitung ab, bei denen die Spindeldrehzahl während der Fertigung kontinuierlich und abhängig von der Werkzeugposition angepasst wird. Dies minimiert die Bauteilschwingungen.
Die ‚PhysiX-Cam‘-Technologie soll nach den erfolgreichen Versuchen zukünftig auch auf andere Fertigungsverfahren wie dem Drehen übertragen werden. Das Team des Fraunhofer IPT plant darüber hinaus, die Erfahrungen aus dem Forschungsprojekt auch für eine optimierte Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile einzusetzen.