Fraunhofer IPK

Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik

Maschinencode 4.0

Prozessdaten automatisiert erzeugen

Die Nachfrage für den Einsatz additiver Fertigungsverfahren, im Besonderen des Laserpulverauftragschweißens, nimmt weiterhin stark zu. Neben der Turbinenfertigung und weiteren Bereichen der Luft- und Raumfahrt erkennen vermehrt auch andere Industriezweige wie der Maschinen- und Anlagenbau das Potenzial dieser Verfahren. Dabei wollen auch kleine und mittlere Unternehmen von den vielen Vorteilen, die der Einsatz dieser zukunftsträchtigen Technologie bietet, Gebrauch machen. Vielen dieser Unternehmen fehlt jedoch der Zugang zu notwendigem Fachwissen oder der Aufbau des notwendigen Know-hows wird schlichtweg als nicht wirtschaftlich angesehen. Die automatisierte Erzeugung von Maschinencode aus CAD-Daten oder mithilfe von 3D-Scanning gewonnener Punktewolken reduziert die Hürden für die Anwender deutlich. Experten am Fraunhofer IPK entwickeln deshalb Automatisierungsprozesse für die Erzeugung, Anpassung und Simulation von Maschinencode speziell für das Laserpulverauftragschweißen.

Prozesskette vom Volumenmodell zum Endprodukt

Zentrale Herausforderungen
Die Erzeugung von Maschinencode bzw. NC-Code für additive Fertigungsprozesse erfordert umfangreiche Fach- und Programmierkenntnisse. Hinzu kommt die komplexe Anlagentechnik, die – gepaart mit der Anwendung einer relativ neuen Technologie wie des Laserpulverauftragschweißens –zusätzlich die Hürden für einen Einsatz erhöht. Damit sich Anlagen mit hohen Anschaffungskosten zeitnah rentieren, müssen Anwender sie zügig in ihren Produk­tionsprozess integrieren können. Außerdem muss die Flexibilität bestehen, das Bedürfnis nach kundenindividuellen Lösungen zu bedienen, ohne dabei die Produktivität des Gesamtprozesses negativ zu beeinflussen. Dafür notwendig ist die stabile Vorhersagbarkeit der Aufbauprozesse sowie die Minimierung der Entwicklungs- und Optimierungszeiten für die jeweiligen Programme. Eine mögliche Lösung kann die automatisierte Generierung von Maschinencode aus vorhandenen CAD-Daten oder realen Bauteilen sein. Die Voraussage des Bauprozesses integriert dabei die optimierte Auswahl von experimentell bestimmten Prozessparametern und der geeigneten Aufbau­­stra­-
tegie.

Vom Volumen- zum  Schweißnahtmodell
Als Eingangsdaten für den automatisierten Prozess der Maschinencodeerstellung können einerseits Volumenmodelle aus CAD-Systemen dienen. Ebenfalls ist der Prozess in der Lage, über 3D-Scanning aufgenommene Punktewolken in Volumenmodelle zu übertragen und diese als Input für den Prozess zu verwenden. Im ersten Schritt werden die Volumenmodelle in ein sogenanntes Schweißnahtmodell überführt. Dieses Schweißnahtmodell besteht aus Volumenmodellen der jeweiligen Schweißnaht. Das Volumen des Eingangsmodells wird nachgebildet, indem unter Berücksichtigung der möglichen Prozessparameter einzelne Schweißnähte erzeugt und zu einem Gesamtmodell zusammengesetzt werden. Dabei wird der Ansatz verfolgt, das Differenzvolumen zwischen Soll- und Ist-Modell zu minimieren. Die notwendigen Parameter werden dafür einer Datenbank entnommen. Diese Datenbank setzt sich aus den Maschinenparametern, dem verwendeten Material und den damit erzeugbaren Geometrien zusammen. Jedem Parametersatz ist eine entsprechende Nahtgeometrie zugeordnet. Diese Geometrie wird für die automatisierte Erstellung des Schweißnahtmodells verwendet. Aus ihr wird anschließend der Maschinencode abgeleitet. Dieser wird über eine Schnittstelle grafisch simuliert, um vorab eine Aussage über das produzierte Bauteil treffen zu können. Neben der Validierung des Maschinencodes durch die grafische Simulation wird ebenfalls eine thermische Analyse des Aufbauprozesses durchgeführt. Diese trifft Voraussagen über die thermische Beanspruchung des Bauteils während des Aufbauprozesses. Der durch grafische und thermische Simulation validierte NC-Code kann im Folgenden der Anlage bereitgestellt werden. Diese fertigt anschließend anhand des NC-Codes das geforderte Bauteil.

Prozesskette für die Reparatur defekter Bauteile


Reparatur defekter Bauteile
Da der Prozess als Input neben dem CADModell auch eine durch 3D-Scanning erstellte Punktewolke unterstützt, ist es beispielsweise möglich, für die Reparatur von Bauteilen einen Maschinencode automatisiert zu erstellen. Ein defektes Bauteil kann über einen Scan-Prozess digitalisiert und mit dem Referenzmodell verglichen werden. Das fehlende Volumen kann dann automatisiert als Schweißnaht dargestellt und in entsprechenden Maschinencode übersetzt werden. Die automatisierte Erzeugung von NC-Code für das Laserpulverauftragschweißen ermöglicht somit den Einsatz des Verfahrens, ohne die vertiefende Aneignung von entsprechenden Fach- und Anlagenkenntnissen vorauszusetzen. Damit wird die Einstiegshürde für kleine und mittlere Unternehmen gesenkt und durch die optimierte Auswahl der Prozessparameter eine nachhaltige Fertigung der Produkte unterstützt.

Ihr Ansprechpartner

Stephan Mönchinger
Telefon: +49 30 39006-117
stephan.moenchinger(at)ipk.fraunhofer.de