Simulationsgestützte Optimierung des Fräsprozesses durch Regulierung der Werkzeugtemperatur (T14#)

• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 174223256

Das Ziel dieses Transferprojekts besteht darin, die entwickelten Modelle und Methoden zur Vorhersage der Werkzeugtemperatur für industrielle CAM-Software nutzbar zu machen und eine Prototypenberechnung der Werkzeugtemperatur für einen Demonstrationsprozess durchzuführen. Um dieses Ziel zu erreichen, arbeiten drei Projektpartner mit ihren spezifischen Fachkompetenzen zusammen: Das Softwareunternehmen MODULEWORKS GmbH, das Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen sowie der Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung WSA der RWTH Aachen University. MODULEWORKS GmbH wird als Industriepartner und Hersteller von CAM Softwarelösungen die Rahmenbedingungen und Schnittstellen zur Modellkopplung definieren und die thermischen und mechanischen Teilmodelle in das Gesamtmodell integrieren. Der WSA übernimmt dabei die Modellierung sämtlicher thermischer Fragestellungen, während das WZL Methoden und Modelle zur Berechnung der mechanischen Lasten während des Fertigungsprozesses zur Verfügung stellen und weiterentwickeln wird. Der technologische Transfer beginnt mit der mechanischen Modellierung und der Unterteilung des durch die Durchdringungsrechnung ermittelten Spanungsquerschnitts. Die transiente mechanische Belastung sowie die auftretenden Wärmequellterme für jeden unterteilten Spanungsquerschnitt können mithilfe der bereits im SFB entwickelten Simulation bestimmt werden. Die gesamte thermomechanische Belastung entlang der Werkzeugschneidkanten lässt sich durch die Superposition der Belastungen der einzelnen Spanungsquerschnitte ermitteln. Eine wesentliche wissenschaftliche Herausforderung besteht dabei in den Anforderungen an die Geometrieunterteilung bei der gekoppelten Simulation. Auch für die thermische Modellierung kann auf die entwickelten Modelle und Methoden des SFB zurückgegriffen werden. Diese umfassen zu einem die simulative und experimentelle Bestimmung von Kontaktwärmeübergängen an angrenzenden Maschinenkomponenten und zum anderen die Vorhersage Kühlschmierstoff induzierter konvektiver Wärmeübergänge entlang der Werkzeugschneide. Diese Methoden werden genutzt, um eine Datenbank für Wärmeübergangskoeffizienten zu generieren, auf welche während der thermischen Simulation des Fräswerkzeugs zugegriffen wird. Neben der Applikation der SFB Methoden wird im Rahmen des Transferprojekts auch das thermische Modell des Fräswerkzeugs selbst erweitert. Die Erweiterung beinhalten insbesondere die Integration von örtlich- und zeitlich aufgelösten thermischen Randbedingungen, um so den Genauigkeitsgrad und Gültigkeitsbereich des Fräsermodells zu erweitern. Auf Basis der Erkenntnisse des Transferprojekts kann zukünftig die Prozessregelung erweitert werden. Der gegenwärtige Stand der Technik beinhaltet die Regelung von Fräsprozessen anhand auftretender Prozesskräfte. Temperaturgrenzen können nur mit groß dimensionierten Sicherheitsfaktoren vermieden werden.

• DFG-Verfahren: Transregios (Transferprojekt)
• Teilprojekt zu: TRR 96: Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen - Eine systemische Lösung des Zielkonflikts von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität am Beispiel der spanenden Fertigung
• Antragstellende Institution: Technische Universität Dresden
• Teilprojektleiter: Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs; Professor Dr.-Ing. Reinhold Kneer