DE102020121648B4

DE102020121648B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Nachbearbeitung von spanend oder additiv gefertigten Bauteilen

Info

Publication number: DE102020121648B4
Application number: DE102020121648.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Klingelhöller; David Plater
Original assignee: ModuleWorks GmbH
Current assignee: ModuleWorks GmbH
Priority date: 2020-08-18
Filing date: 2020-08-18
Publication date: 2022-10-27
Anticipated expiration: 2040-08-19
Also published as: DE102020121648A1

Abstract

Verfahren zur Nachbearbeitung von Bauteilen, die durch einen Bearbeitungsprozess mit einem spanenden und/oder additiven Fertigungsverfahren, insbesondere durch Fräsen, erhalten werden,
bei dem das jeweilige Bauteil mit einem Werkzeug nachbearbeitet wird, das bei der Nachbearbeitung auf einem vorab ermittelten Werkzeugweg (5) geführt wird,
wobei durch eine Ab- und/oder Auftragssimulation auf Grundlage von Bearbeitungsdaten des Bearbeitungsprozesses, durch den das Bauteil erhalten wurde, ein virtuelles Abbild (3) des Bauteils erzeugt wird und die Ermittlung des Werkzeugwegs (5) für die Nachbearbeitung basierend auf dem virtuellen Abbild (3) des Bauteils erfolgt.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Nachbearbeitung von Bauteilen, die durch einen Bearbeitungsprozess mit einem spanenden und/oder additiven Fertigungsverfahren erhalten werden, wobei das jeweilige Bauteil mit einem Werkzeug nachbearbeitet wird, das bei der Nachbearbeitung auf einem vorab ermittelten Werkzeugweg geführt wird.
Bei der Herstellung von Bauteilen durch subtraktive oder additive Fertigungstechniken ist häufig eine Nachbearbeitung erforderlich, um bei der vorangegangenen Bearbeitung entstandene Abweichungen von der gewünschten Bauteilform korrigieren zu können. So ist häufig, beispielsweise bei der Fräsbearbeitung von Bauteilen, ein Entgraten zum Brechen der Kanten erforderlich, um die Verletzungsgefahr beim Handling zu mindern oder die Voraussetzungen für nachgelagerte Lackierprozesse zu erfüllen.
Die Nachbearbeitung erfolgt entweder durch Strahlverfahren, beispielsweise Sandstrahlen, oder kraftgeführte Prozesse mit geeigneten Werkzeugen. Nur selten werden weggeführte Verfahren verwendet, da die manuelle Erzeugung des exakten Werkzeugwegs sehr zeitintensiv und damit gerade für kleine Losgrößen unwirtschaftlich ist. Sofern ein CAD-Modell des Werkstücks vorliegt, werden auch Verfahren eingesetzt, die basierend auf den Kanten eines digitalen Modells einen Werkzeugweg zum Entgraten erzeugen. In vielen Fällen liegt jedoch kein digitales Werkstückmodell vor oder das vorliegende Modell stimmt nicht ausreichend mit dem tatsächlich erzeugten Bauteil überein.
Die DE 10 2005 025 338 A1 befasst sich mit einem Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks auf einer NC-Bearbeitungsmaschine. Für jeden Bearbeitungsschritt wird eine Materialabtragssimulation durchgeführt, um Fehler frühzeitig zu erkennen. Dabei wird das nach dem jeweiligen Bearbeitungsschritt erhaltene Bauteil vermessen und mit der durch die Simulation erhaltenen Soll-Geometrie verglichen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Nachbearbeitung von spanend und/oder additiv hergestellten Bauteilen anzugeben, die eine automatisierte Nachbearbeitung auch ohne Vorliegen eines CAD-Modells des Bauteils ermöglichen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird das jeweilige Bauteil mit einem Werkzeug nachbearbeitet, das bei der Nachbearbeitung auf einem vorab ermittelten Werkzeugweg geführt wird. Es handelt sich damit um ein weggeführtes Verfahren. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass durch eine Ab- und/oder Auftragssimulation auf Grundlage der Bearbeitungsdaten des Bearbeitungsprozesses, durch den das Bauteil erhalten wurde, ein virtuelles Abbild des Bauteils erzeugt wird und die Ermittlung des Werkzeugwegs für die Nachbearbeitung dann basierend auf diesem virtuellen Abbild des Bauteils erfolgt. Das Verfahren ermöglicht damit die Erzeugung des Werkzeugwegs für die Nachbearbeitung auch ohne Vorhandensein eines digitalen CAD-Modells des Bauteils rein auf Basis des vorgelagerten Bearbeitungsprozesses.
Das Verfahren nutzt dabei aus, dass die Werkzeugwege bei der Herstellung des Bauteils, entweder durch spanende Bearbeitung eines Rohteils oder durch additive Fertigung oder auch eine Kombination beider Techniken, aus den Steuerungsdaten der Bearbeitung oder auch der entsprechenden Programmierung zur Werkzeugführung ermittelt werden können. Aus der bekannten Werkzeuggeometrie und diesen Bearbeitungsdaten lässt sich dann die Bauteilgeometrie nach Abschluss des Bearbeitungsprozesses als virtuelles Abbild simulieren, vorzugsweise in Form eines Dreiecksnetzes. Entsprechende Simulationssoftware ist verfügbar und wird bisher zum Teil auch für Kollisionskontrolle eingesetzt.
Bei vielen Bearbeitungsprozessen wie beispielsweise dem Fräsen werden schon bisher während des Bearbeitungsprozesses die jeweiligen Ist-Achswerte der Bearbeitungsmaschine, durch die das Bearbeitungswerkzeug geführt wird, abgespeichert. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann dann aus diesen Ist-Achswerten die Bearbeitungsbahn des Werkzeuges bzw. der Werkzeugweg ermittelt und für die Simulation genutzt werden. In der Regel erfolgt die Bearbeitung eines Werkstücks in mehreren Bearbeitungsphasen. So wird beispielsweise für die Fräsbearbeitung eines Werkstücks häufig ein zweistufiger Bearbeitungsprozess, unterteilt in Schruppen und Endbearbeitung, eingesetzt. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird dabei vorzugweise zunächst ein virtuelles erstes Abbild des Bauteils nach der ersten Bearbeitungsphase als Zwischenergebnis simuliert, auf dessen Basis dann das nach der zweiten Bearbeitungsphase erhaltene Bauteil als finales virtuelles Abbild für die Nachbearbeitung simuliert wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens erfolgt die Nachbearbeitung mit der gleichen Vorrichtung, mit der das Bauteil durch den Bearbeitungsprozess erhalten wurde. Dies gilt auch für die Ab- und/oder Auftragssimulation und/oder die Werkzeugwegberechnung des Nachbearbeitungsprozesses, die auf der Steuerung der gleichen Vorrichtung erfolgen können, mit der auch die Bearbeitung stattgefunden hat.
Die Erzeugung des Werkzeugwegs für die Nachbearbeitung erfolgt mit bekannten Verfahren bzw. Programmen, die auch bereits bisher bei Vorliegen von CAD-Modellen für die Nachbearbeitung eingesetzt werden. Anstelle eines CAD-Modells erhält das entsprechende Programm das mit dem vorgeschlagenen Verfahren erzeugte virtuelle Abbild, das in gleicher Weise vorzugsweise als Dreiecksnetz vorliegt. Vorzugsweise erfolgt als Nachbearbeitung ein Entgraten des Bauteils. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird als Nachbearbeitung ein Werkzeugweg für eine strahlende Oberflächenbehandlung, insbesondere mittels Sandstrahlen, erzeugt.
Die vorgeschlagene Vorrichtung weist entsprechend eine Einrichtung zur Führung eines Werkzeugs entlang eines Werkzeugwegs und eine Steuerung auf, die über ein Steuerungsmodul zur Interpretation von empfangenen Daten über Werkzeugwege verfügt und die Einrichtung auf Basis der empfangenen Daten zur Führung des Werkzeugs entlang der Werkzeugwege ansteuern kann. Die Steuerung oder eine zusätzlich in der Vorrichtung vorhandene Datenverarbeitungseinheit weist ein Simulationsmodul und ein Berechnungsmodul auf. Das Simulationsmodul führt auf Grundlage der zur Verfügung gestellten Bearbeitungsdaten des Bearbeitungsprozesses, durch den das jeweilige Bauteil erhalten wurde, eine Ab- und/oder Auftragssimulation durch und erzeugt dadurch ein virtuelles Abbild des Bauteils. Das Berechnungsmodul berechnet basierend auf dem durch die Ab- und/oder Auftragssimulation erzeugten virtuellen Abbild des Bauteils einen Werkzeugweg für die Nachbearbeitung und übermittelt dem Steuerungsmodul Daten über den berechneten Werkzeugweg. Steuerungsmodul, Simulationsmodul und Berechnungsmodul können dabei geeignete Softwareprogramme darstellen. Die Steuerung verfügt über einen Computer mit entsprechender Software zur Interpretation von Werkzeugwegen in Form von G-Code, CL-Moves usw.. Die Vorrichtung kann dabei bspw. als Werkzeugmaschine oder auch als Roboterkinematik ausgebildet sein.
Figurenliste
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens;
2 eine beispielhafte Darstellung eines Rohlings, aus dem das Bauteil hergestellt werden soll;
3 eine Darstellung einer beispielhaften Bearbeitungsbahn, mit der der Rohling zur Herstellung des Bauteils spanend bearbeitet wird;
4 eine beispielhafte Darstellung des nach der Simulation gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren erhaltenen virtuellen Abbilds des Bauteils;
5 eine beispielhafte Darstellung der aus dem virtuellen Abbild der 4 automatisch detektierten Kanten im Dreiecksnetz; und
6 ein Beispiel für einen auf Basis der Kantendetektion der 5 erzeugten Nachbearbeitungspfad zum Bearbeiten der Kanten.

Wege zur Ausführung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird auf Basis der bekannten Bearbeitungsdaten bei einem spanenden und/oder additiven Bearbeitungsprozess, über den ein Bauteil erhalten wird, ein virtuelles Abbild des Bauteils erstellt. Dieses virtuelle Abbild wird dann genutzt, um automatisiert Werkzeugwege für eine Nachbearbeitung, beispielsweise ein Entgraten, des Bauteils zu generieren. 1 zeigt hierzu ein Beispiel für den Ablauf des vorgeschlagenen Verfahrens, beispielsweise bei der Fräsbearbeitung eines Rohteils.
In einer Alternative werden hierbei die Achswerte der Bearbeitungsmaschine bei der Bearbeitung des Rohteils ausgelesen und damit Werkzeugpositionen bzw. entsprechende Werkzeugwege erhalten. So kann die Bearbeitung des Rohteils beispielsweise im Shopfloor programmiert werden oder auch ein NC-Programm für die Bearbeitung anderweitig zur Verfügung gestellt werden. Das Werkstück bzw. Bauteilmodell selbst liegt nicht in digitaler Form an der Maschine bereit. Es existiert allerdings eine Definition der Rohteilgeometrie. Auf der Maschinensteuerung erfolgt dann unter Nutzung der bekannten Rohteilgeometrie sowie eines Werkzeugmodells des Werkzeugs, das für die Bearbeitung eingesetzt wurde, eine Simulation der Bearbeitung für das eingesetzte NC-Programm. Daraus wird dann ein virtuelles Abbild des Bauteils nach dieser Bearbeitung erhalten. Im Falle eines Bearbeitungsprozesses mit mehreren Bearbeitungsphasen bzw. mehreren Bearbeitungsteilprozessen wird vorzugsweise für jede Bearbeitungsphase eine eigene Simulation durchgeführt, die vor der letzten Bearbeitungsphase jeweils zu einem virtuellen (Zwischen-)Abbild als Zwischenergebnis führt. Das nach Abschluss des Bearbeitungsprozesses erhaltene virtuelle Abbild, das vorzugsweise als Modell in Form eines Dreiecksnetzes des Bauteils vorliegt, wird dann im vorliegenden Beispiel dazu genutzt, einen Werkzeugweg zum Entgraten zu berechnen. Hierzu erfolgen eine automatisierte Detektion der Kanten in dem Modell und eine Planung der Bahnen zum Entgraten. Dies kann ohne zusätzliche Interaktion des Nutzers durch ein geeignetes Programm erfolgen. Schließlich erfolgt dann die Nachbearbeitung des Bauteils durch Steuerung des Entgratwerkzeugs auf dem berechneten Werkzeugweg.
1 zeigt auch eine alternative Ausgestaltung, bei der das Verfahren nicht auf der Maschinensteuerung sondern im Programmiersystem umgesetzt wird. Hierbei wird ein Werkzeugweg zur Herstellung eines Werkstücks, dessen CAD-Modell vorliegt, erstellt. Aufgrund der Natur des Werkzeugwegtyps 8(z.B. Aufmaßwerte, Berechnungsmethode) weicht das Bearbeitungsergebnis gewollt oder ungewollt von der CAD-Geometrie ab. Dennoch soll eine Nachfolgeoperation, beispielsweise Entgraten, Nachschleifen etc. auf dem erhaltenen Bauteil erfolgen. Hierzu wird dann bei dem vorgeschlagenen Verfahren zunächst der Werkzeugweg bzw. die Werkzeugpositionen auf Basis der bekannten CAM-Bahnen ermittelt und dann wiederum ein entsprechendes virtuelles Abbild wie bei der ersten Alternative erzeugt. Dieses virtuelle Abbild wird dann wiederum für die Erzeugung des Nachbearbeitungsweges für das Nachbearbeitungswerkzeug genutzt.
2 zeigt ein Beispiel für einen Rohling 1, aus dem das Bauteil durch einen Bearbeitungsprozess, beispielsweise eine Fräsbearbeitung, erzeugt werden soll. Bei einem additiven Fertigungsprozess liegt kein derartiger Rohling vor, da das Bauteil hier in der Regel auf einer Substratplatte additiv aufgebaut wird. Bei einer spanenden Bearbeitung des Rohlings, beispielsweise durch Fräsen, werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren die Bearbeitungsbahn oder die Bearbeitungsbahnen ermittelt. 3 zeigt hierzu beispielhaft ermittelte Bearbeitungsbahnen 2 bei einer Fräsbearbeitung des Rohteils der 2. Diese Bearbeitungsbahnen 2 sowie die bekannte Form des Werkzeuges werden dann genutzt, um die Bearbeitung zu simulieren und ein virtuelles Abbild des Bauteils nach der Bearbeitung zu erhalten. Im Falle einer additiven Bearbeitung wird ein Modell des Materialauftrages an der Werkzeugspitze benötigt.
4 zeigt ein Beispiel für ein derartiges Simulationsergebnis, bei der Bearbeitung des Rohteils 1 der 2 mit einem Fräswerkzeug auf den Bearbeitungsbahnen 2 der 3. Hierzu wurden die Daten über den Rohling 1, die Bearbeitungsbahnen 2 und die Werkzeugform für die Simulation genutzt. Das virtuelle Abbild 3 stellt ein Dreiecksnetz ohne weitere Informationen zur Anordnung der Flächenverbünde dar. Dieses virtuelle Abbild bzw. Modell 3 wird dann genutzt, um automatisiert Kanten in dem Dreiecksnetz zu detektieren. Verwendet werden hierbei die Winkel zwischen zwei Dreiecken. Wenn der Winkel größer als ein Grenzwert ist, gehört die von diesem Winkel gebildete Kante zum Kantenverbund, der bei der Nachbearbeitung entgratet werden soll. 5 zeigt ein Beispiel für die in dem virtuellen Abbild 3 der 4 detektierten Kanten 4.
Auf Basis dieser Kantendetektion werden die einzelnen Kanten 4 dann von einem geeigneten Planungsprogramm in Reihenfolge gebracht, so dass diese mit möglichst wenig Bewegungen des Entgratungswerkzeugs bei der Nachbearbeitung bearbeitet werden können. Für diese Kantenlisten werden dann Bearbeitungspfade 5 berechnet, wie sie in 6 beispielhaft dargestellt sind. Diese Bearbeitungspfade 5 werden bei der Nachbearbeitung für die Steuerung der Nachbearbeitung genutzt, um das Bauteil entsprechend automatisiert zu entgraten.
Bezugszeichenliste

1: Rohteil
2: Bearbeitungsbahnen
3: virtuelles Abbild / Modell
4: Kanten
5: Bearbeitungspfad

Claims

Verfahren zur Nachbearbeitung von Bauteilen, die durch einen Bearbeitungsprozess mit einem spanenden und/oder additiven Fertigungsverfahren, insbesondere durch Fräsen, erhalten werden, bei dem das jeweilige Bauteil mit einem Werkzeug nachbearbeitet wird, das bei der Nachbearbeitung auf einem vorab ermittelten Werkzeugweg (5) geführt wird, wobei durch eine Ab- und/oder Auftragssimulation auf Grundlage von Bearbeitungsdaten des Bearbeitungsprozesses, durch den das Bauteil erhalten wurde, ein virtuelles Abbild (3) des Bauteils erzeugt wird und die Ermittlung des Werkzeugwegs (5) für die Nachbearbeitung basierend auf dem virtuellen Abbild (3) des Bauteils erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Abtragssimulation Daten über ein Rohteil (1), aus dem das Bauteil durch den Bearbeitungsprozess mit einem oder mehreren Bearbeitungswerkzeugen erhalten wurde, und Werkzeugwege (2) als Bearbeitungsdaten bereitgestellt werden, auf denen das eine oder die mehreren Bearbeitungswerkzeuge beim Bearbeitungsprozess geführt wurde(n).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Auftragssimulation Werkzeugwege als Bearbeitungsdaten bereitgestellt werden, auf denen das eine oder die mehreren Bearbeitungswerkzeuge beim Bearbeitungsprozess geführt wurde(n).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbearbeitung mit der gleichen Vorrichtung erfolgt, mit der das Bauteil durch den Bearbeitungsprozess mit dem spanenden und/oder additiven Fertigungsverfahren erhalten wurde.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ab- und/oder Auftragssimulation und/oder die Ermittlung des Werkzeugwegs (5) für die Nachbearbeitung auf der gleichen Vorrichtung erfolgt bzw. erfolgen, mit der das Bauteil durch den Bearbeitungsprozess mit dem spanenden und/oder additiven Fertigungsverfahren erhalten wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugweg (5) für ein Entgraten des Bauteils als Nachbearbeitung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugweg (5) für eine strahlende Oberflächenbehandlung als Nachbearbeitung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Ist-Achswerte einer oder mehrerer Führungseinrichtungen eines oder mehrerer Bearbeitungswerkzeuge während des Bearbeitungsprozesses, durch den das Bauteil erhalten wurde, zur Ab- und/oder Auftragssimulation genutzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Werkzeugwegs (5) für die Nacharbeitung bei einem mehrere Bearbeitungsphasen umfassenden Bearbeitungsprozess auf Grundlage von Zwischenergebnissen erfolgt, die zwischen den Bearbeitungsphasen des Bearbeitungsprozesses simuliert werden.
Vorrichtung zur Nachbearbeitung von Bauteilen, die durch einen Bearbeitungsprozess mit einem spanenden und/oder additiven Fertigungsverfahren erhalten werden, mit - einer Einrichtung zur Führung eines Werkzeugs entlang eines Werkzeugwegs (2) und - einer Steuerung, die über ein Steuerungsmodul zur Interpretation von empfangenen Daten über Werkzeugwege (2) verfügt und die Einrichtung auf Basis der empfangenen Daten zur Führung des Werkzeugs entlang der Werkzeugwege (2) ansteuern kann, - wobei die Steuerung oder eine zusätzlich in der Vorrichtung vorhandene Datenverarbeitungseinheit -- ein Simulationsmodul, das auf Grundlage zur Verfügung gestellter Bearbeitungsdaten des Bearbeitungsprozesses, durch den das jeweilige Bauteil erhalten wurde, eine Ab- und/oder Auftragssimulation durchführt und dadurch ein virtuelles Abbild (3) des Bauteils erzeugt, und -- ein Berechnungsmodul aufweist, das basierend auf dem durch die Ab- und/oder Auftragssimulation erzeugten virtuellen Abbild (3) des Bauteils einen Werkzeugweg (5) für die Nachbearbeitung berechnet und dem Steuerungsmodul Daten über den berechneten Werkzeugweg (5) übermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Werkzeugmaschine, insbesondere eine Fräsmaschine, oder eine Roboterkinematik ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Simulationsmodul so ausgebildet ist, dass es die Abtragssimulation auf Grundlage von Daten über ein Rohteil (1), aus dem das Bauteil durch den Bearbeitungsprozess mit einem oder mehreren Bearbeitungswerkzeugen erhalten wurde, und über Werkzeugwege (2), auf denen das eine oder die mehreren Bearbeitungswerkzeuge beim Bearbeitungsprozess geführt wurde(n), durchführt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung auch zur Durchführung des Bearbeitungsprozesses für die Fertigung der Bauteile ausgebildet ist, wobei die Steuerung nach der Fertigung des jeweiligen Bauteils dem Simulationsmodul die Bearbeitungsdaten des Bearbeitungsprozesses für das jeweilige Bauteil bereitstellt.