Simulation

Auf schnellem Weg zum FEM-Modell

| Autor / Redakteur: Andreas Pfaff, Mahdi Mottahedi M.Sc, Dr.-Ing. Armin Lechler, Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl / Monika Zwettler

Die kompakte Bearbeitungsmaschine dient der generativen Fertigung von Metall-Bauteilen – Simulation unterstützte bei der Entwicklung.
Bildergalerie: 4 Bilder
Die kompakte Bearbeitungsmaschine dient der generativen Fertigung von Metall-Bauteilen – Simulation unterstützte bei der Entwicklung. (Bild: ISW/Uni Stuttgart)

Zur Analyse und Berechnung des Verhaltens eines neuen Maschinenkonzepts für die Anwendung in generativen Fertigungsverfahren nutzen Wissenschaftler der Uni Stuttgart zwei Simulationsprogramme und vergleichen diese hier.

Durch die zunehmende Verbreitung von generativen Fertigungsverfahren lassen sich heutzutage Werkstücke mit Geometrien herstellen, die vor einigen Jahren noch als nicht herstellbar galten. Bei den generativen Verfahren wird das Werkstück direkt aus den CAD-Daten erstellt. Dazu werden durch eine Software aus dem 3D-Modell Schnitte erzeugt, welche mit verschiedenen Verfahren hergestellt und zum endgültigen Bauteil zusammengesetzt werden können.

Auch in der Topologieoptimierung können durch generative Fertigungstechnologien Vorteile entstehen. Bisher wird üblicherweise durch eine Penalisierung (z. B. die SIMP-Methode) die Konvergenz der optimierten Topologie zu einem 0-1-Design erzwungen. Dieses enthält nur Bereiche mit vollem Material (ρ = 1) und Bereiche ohne Material (ρ = 0). Es kann deshalb meist mit konventionellen Fertigungstechnologien hergestellt werden. Durch die Penalisierung ergibt sich allerdings eine weniger optimale Lösung. Mit Hilfe der generativen Fertigungsverfahren ist es möglich, Bauteile mit einer annähernd kontinuierlichen Dichteverteilung herzustellen. Somit kann auf die Penalisierung verzichtet und die optimale Topologie verwendet werden.

Schicht für Schicht zur Wunschdichte

Ein Ansatz zur Fertigung von zweidimensionalen Bauteilen mit kontinuierlich verteilter Dichte ist das Top-Gen-Verfahren. Dazu werden aus der optimalen Lösung mehrere strukturierte Schichten erzeugt. Durch die unterschiedliche Strukturierung der Schichten ergibt sich an jedem Punkt des Bauteils gemittelt der gewünschte Dichtewert. Das verwendete Fertigungsverfahren sollte deshalb schichtweise arbeiten und in der Lage sein, Hohlräume herzustellen. Um die in technischen Anwendungen notwendige Festigkeit zu erreichen, soll außerdem Stahl verarbeitet werden.

Das Laminated Object Manufacturing (LOM) ist derzeit das einzige verbreitete generative Fertigungsverfahren, das diese Voraussetzungen erfüllt. Die einzelnen Schichten werden dabei zunächst mit Hilfe eines Laserstrahls ausgeschnitten und anschließend durch Klebstoff miteinander verbunden. Zur Herstellung großer Umformwerkzeuge wird das Verfahren mit Metallblechen schon erfolgreich angewandt. Eine kompakte Bearbeitungsmaschine, die Metall-LOM-Bauteile automatisch herstellt, ist heute aber noch nicht kommerziell verfügbar. Im Rahmen dieses Artikels wird ein Konzept für eine solche Werkzeugmaschine für die Anwendung in generativen Fertigungsverfahren vorgestellt und mit Hilfe einer FEM-Simulation mit zwei verschiedenen Softwareprogrammen – Ansys Workbench und Meshparts – überprüft.

Das LOM-Maschinenkonzept

Zu den notwendigen Funktionen der Maschine gehören das Laserschneiden, das Auftragen von Klebstoff, das Zusammenpressen der Bleche (Verteilen und Verfestigen des
Klebstoffs) und das Handling der Bleche. Die jeweiligen
Einzelkomponenten, wie beispielsweise die Laserschneid­optik, das Klebstoffsystem und die Vorschubachsen, können als fertige Komponenten von unterschiedlichen Herstellern bezogen werden. Die Herausforderung besteht also darin, aus diesen Komponenten eine kompakte und funktionsfähige Maschine zu entwerfen. Dazu wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Maschinenkonzepte erarbeitet und
miteinander verglichen. Der am besten geeignete Entwurf ist nun ausgestattet mit drei Linearachsen und enthält alle
Bearbeitungsfunktionen, also den Blechgreifer, die Laserschneidoptik und die Klebstoffdüse, an einem gemeinsamen Bearbeitungskopf (Abb. 1).

Um das dynamische und statische Verhalten der Maschine zu untersuchen, wird eine FEM-Simulation in zwei verschiedenen Programmen, Ansys Workbench und Meshparts, durchgeführt. Bei Meshparts handelt es sich um eine Software, die speziell zur Simulation von Werkzeugmaschinen entwickelt wurde. Zu diesem Zweck verfügt sie, ähnlich wie viele CAD-Systeme, über die Möglichkeit, aus parametrisierbaren Baugruppen die Gesamtmaschine aufzubauen. Außerdem verfügt Meshparts über eine Komponentenbibliothek, in der viele vorvernetzte Bauteile vorhanden sind. Diese können eingefügt und mit Parametern angepasst werden.

FE-Modellierung der Maschine

Für die Simulation in Ansys Workbench wird zunächst in Solidworks ein parametrisches vereinfachtes 3D-Modell aufgebaut und mit Ansys Workbench gekoppelt. Vereinfachend werden beispielsweise die Strangpressprofile durch Rechteckrohre ersetzt. Deren Abmessungen werden so bestimmt, dass sie die gleiche Zug-/Druck- und Biegesteifigkeit aufweisen. Auch die Elemente der Vorschubachsen werden vereinfacht mit Hilfe von Ersatzsteifigkeiten abgebildet. In Ansys Workbench werden die Ersatzsteifigkeiten als Buchse-Element eingefügt. Dieses erlaubt die Definition einer Steifigkeitsmatrix. Der Wälzkontakt im Kugelgewindetrieb wird ebenfalls durch eine Ersatzsteifigkeit abgebildet. Zusätzlich wird durch eine Kopplungsgleichung die Steigung des Gewindes berücksichtigt.

In Meshparts werden die Abmessungen der Komponenten, Ersatzsteifigkeiten, Spindelsteigung und weitere Eigenschaften als Parameter in vorgefertigten Komponenten berücksichtigt. Die Steifigkeiten und die Spindelsteigung werden dann automatisch durch Meshparts berücksichtigt. Nur wenige spezifische Teile (z. B. die Endkappen der Linear­achsen) werden als Parasolid oder als vernetzte cdb-Datei (Presse) importiert. Ansonsten wird das Simulationsmodell in Meshparts neu aufgebaut. Durch die Verwendung von parametrisierbaren Baugruppen konnte in Meshparts die y-Achse direkt von der baugleichen, aber längeren x-Achse abgeleitet werden. Die Strangpressprofile werden aus der Komponentenbibliothek übernommen und verfügen im Unterschied zum Workbench-Modell nicht über einen vereinfachten Querschnitt.

Beispielhaft werden die Ergebnisse einer Modalanalyse der Gesamtmaschine angegeben. Die Maschine wird am Boden fixiert gelagert und die Motorbremsen sind aktiviert. Es ergeben sich dann die folgenden Ergebnisse in Tabelle 1. Wie aus der Tabelle und der Darstellung der vierten Eigenmode (Abb. 2) ersichtlich ist, stimmen die Ergebnisse weitgehend überein. Die Abweichungen können auf den unterschiedlichen Vereinfachungsgrad der Modelle zurückgeführt werden.

Insgesamt sind die Eigenfrequenzen sehr niedrig. Dies liegt an der leichten Konstruktion des Gestells mit Aluminiumprofilen und der Verwendung von Vorschubachsen kleiner Baugröße. Da beim Kleben und Laserschneiden keine Schwingungsanregung erfolgt, begrenzen die Eigenfrequenzen lediglich die Dynamik der Bearbeitung. Im Rahmen weiterer Untersuchungen kann geklärt werden, ob dies akzeptabel ist oder eine Überarbeitung der Maschinenkonstruktion erfolgen sollte.

Vergleich der Simulationsergebnisse

Mit beiden Programmen war es möglich, in verhältnismäßig kurzer Zeit mithilfe einer komfortablen graphischen Benutzeroberfläche ein FEM-Modell einer Werkzeugmaschine zu erstellen und auf einer Maschine mit 24 Kernen die Simulation durchzuführen. Ein großer Vorteil von Ansys Workbench besteht darin, dass Positionen der Unterkomponenten direkt aus dem CAD-System importiert werden und nicht von Grund auf neu modelliert werden müssen. Bei Meshparts dagegen findet die Baugruppendefinition erst in der Meshparts-Software auf FE-Ebene statt, was bei großen Modelländerungen die Untersuchung von Varianten erleichtert. Des Weiteren kann bei den Komponenten, die in der programmeigenen Bibliothek hinterlegt sind, die Recherche von Ersatzsteifigkeiten entfallen. (mz)

Die Autoren bedanken sich bei der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) für die finanzielle Unterstützung des Projektes.

* Andreas Pfaff, Mahdi Mottahedi M.Sc, Dr.-Ing. Armin Lechler, Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl, Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW), Universität Stuttgart

Kommentare werden geladen....

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Der Kommentar wird durch einen Redakteur geprüft und in Kürze freigeschaltet.

Anonym mitdiskutieren oder einloggen Anmelden

Avatar
Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 44244734 / Entwurf)