Digitaler Zwilling CAD-Modell an gefertigte Werkstückgeometrie anpassen

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Die Geometrie von Werkstücken weicht nach der maschinellen Fertigung oft vom CAD-Modell ab – ein Mehraufwand für nachfolgende Fertigungsschritte. Mithilfe von Prozessdaten und einem neu entwickelten Algorithmus gelang dem Fraunhofer IPT ein Abgleich.

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Das 3D-CAD-Modell (grau) wird auf Grundlage von Prozessdaten (blau) an die reale Bauteilgeometrie (rot) angepasst.
Das 3D-CAD-Modell (grau) wird auf Grundlage von Prozessdaten (blau) an die reale Bauteilgeometrie (rot) angepasst.
(Bild: Fraunhofer IPT)

Für das hochkomplexe Design von Bauteilen werden heute 3D-CAD-Modelle erstellt. Der Fertigungsplaner kann auf dieser Grundlage die geplante Fertigung durch modellgestützte Maschinensimulationen vorab prüfen. Jedoch sind selbst bei einer präzisen Planung das 3D-CAD-Modell und das reale Werkstück meist nicht deckungsgleich. Die Ungenauigkeiten des Modells ziehen sich dann durch die folgenden Produktionsprozesse. Dadurch können die geforderte Bauteilqualität und Abmessungen nicht erreicht werden.

Abgleich von CAD-Modell und Werkstück

Ziel des kürzlich abgeschlossenen Projekts „Adapt CAD“ war es, Abweichungen zwischen dem 3D-CAD-Modell und dem realen Bauteil zu erkennen und zu minimieren. Um das Projektziel zu erreichen, konstruierte das Aachener Team zunächst ein 3D-CAD-Modell des Demonstrator-Bauteils. Während des Fertigungsprozesses erfassten die Wissenschaftler mithilfe geeigneter Erfassungslösungen hochfrequente Maschinen- und Sensordaten der Werkzeugmaschine. Diese wurden automatisiert in eine Datenbank übertragen und strukturiert gespeichert. Die Daten nutzten die Wissenschaftler anschließend, um die tatsächliche Geometrie des Werkstücks mit dem im Vorfeld konstruierten CAD-Modell abzugleichen und das Modell entsprechend der Abweichungen anzupassen. Dieser digitale Zwilling des Werkstücks steht dem Fertigungsplaner dann zur Planung weiterer Fertigungsschritte zur Verfügung.

Analytisches Modell als Algorithmusgrundlage

Die zentrale Aufgabe im Projekt war die Entwicklung eines Algorithmus, der erstmals die Adaption von dreidimensionalen Modellen erlaubt. Als Grundlage diente ein bereits bestehender Algorithmus für die zweidimensionale Modellierung, den das Aachener Forscherteam für die dreidimensionale Modellierung erweiterte und optimierte. Der Adapt-CAD-Ansatz basiert dabei auf einem analytischen Modell. Sie sind im Gegensatz zu numerischen Modellen zu 100 % genau. Mit diesem Verfahren konnten die Projektpartner direkt auf dem angepassten CAD-Modell die Bahnplanung der Folgeprozesse vornehmen. Darüber hinaus eignet sich das analytische Modell für nachfolgende Berechnungen.

Demonstratorbauteil, das in Kooperation mit einem Adapt-CAD-Projektpartner gefertigt wurde.
Demonstratorbauteil, das in Kooperation mit einem Adapt-CAD-Projektpartner gefertigt wurde.
(Bild: Fraunhofer IPT)

Den Algorithmus integrierten die Konsortialpartner in ein kommerzielles CAD/CAM-System. Im letzten Projektabschnitt fertigte das Team gemeinsam mit einem Partner aus dem Automobilsport in mehreren Versuchsreihen erfolgreich Demonstratorbauteile.

Neuer Algorithmus als Baustein zur Digitalisierung der Fertigung

Der neue Algorithmus kann dabei helfen, Produktionsprozesse künftig noch effizienter zu planen und auszulegen. Besonders die Qualität von Kleinserienbauteilen soll so verbessert und Ausschuss verringert werden können. Darüber hinaus wurde auch einen Beitrag zur Weiterentwicklung der Geometrieerfassung und Anpassung digitaler Zwillinge geleistet. In einigen geplanten Nachfolgeprojekten will das Projektteam den Algorithmus weiterentwickeln und in neuen Anwendungsfeldern testen, etwa bei der Fertigung von Turbomaschinenkomponenten sowie medizinischen Implantaten.

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