positionsabhängige Maschineneigenschaften: Simulation, Analyse und Optimierung
Durch Analyse und Optimierung von positionsabhängigen Maschineneigenschaften können Produktionsprozesse effizient gestaltet werden. Um dies zu erreichen, setzen wir gezielt Simulationstools und Optimierungsstrategien ein – verbunden mit dem Ziel, die Maschinenleistung zu steigern und Qualitätsprobleme zu minimieren. Wie wir dabei vorgehen, lesen Sie im aktuellen Blogartikel.
- Durch die Positionsabhängigkeit von dynamischen Maschineneigenschaften wird die Performance von Werkzeugmaschinen beeinflusst
- Diese können zu Qualitätsproblemen im Bearbeitungsprozess führen
- Durch den Einsatz moderner Simulationswerkzeuge lassen diese sich gezielt beeinflussen
Die Optimierung von Produktionsprozessen ist für Unternehmen entscheidend, um hervorragende und stetige Qualität zu liefern. Ein zentraler Aspekt dabei sind die maschinenbezogenen Eigenschaften, die je nach Position im Arbeitsraum variieren und somit einen signifikanten Einfluss auf die Produktqualität und Effizienz der Produktion ausüben können.
Hierfür bedarf es einer tiefergehenden Analyse der dynamischen und statischen Maschineneigenschaften durch den Einsatz von Simulationswerkzeugen. Dadurch können darauf aufbauende Optimierungsstrategien dazu beitragen, Produktionsprozesse zu verbessern, Qualitätsprobleme zu minimieren und die Maschinenperformance nachhaltig zu steigern. Wir geben Ihnen einen Einblick, wie wir bei OPAL hierfür umfassende Analysen und innovative Lösungen einsetzen.
Maschinen und ihre positionsabhängigen Eigenschaften
Ein bekanntes Phänomen an einer Werkzeugmaschine ist die Veränderung von dynamischen Eigenschaften in ihrer Frequenzlage und Nachgiebigkeit. Denn für eine Maschine ist es typisch, dass sich deren Maschinenverhalten abhängig von der Position des Werkzeuges im Arbeitsraum ändert. Dabei können sich diese Veränderungen teils störend teils tolerierbar gestalten. Diese Positions- bzw. Arbeitsraumabhängigkeit ist nicht die einzige Randbedingung, die eine Maschine in ihren dynamischen Eigenschaften beeinflusst. Unter anderem sind auch mitverantwortlich die
- Aufstellung der Maschine
- Thermische Struktur
- Geometrische Einschränkungen im Arbeitsraum bspw. durch Werkzeugwechsler
- Abstimmung Maschine/Werkzeug
- Dynamisches Verhalten im Kontext der Werkzeugposition im Arbeitsraum
Ungenügende Berücksichtigung dieser Eigenschaften können später zu Qualitätsproblemen im Bearbeitungsprozess führen. Die Komplexität dieses Problems zeigt sich in der Bandbreite der erzeugten Werkstücke, von IO- über NIO-Teilen bis hin zu ausgefallenen Werkzeugen. Es leidet somit nicht nur die Qualität der hergestellten Produkte, sondern unter Umständen auch der Produktionsablauf und dadurch die Produktivität der gesamten Anlage.
Simulation und Analyse des Maschinenverhaltens
Die Frage, die sich hierbei stellt: Lässt sich das Maschinenverhalten über den gesamten Arbeitsraum simulativ und komfortabel abbilden? Schließlich sollen Ausfälle einer Maschine beim Kunden im Vorfeld möglichst ausgeschlossen werden.
Die Antwort lautet: Ja. Dank moderner Simulationswerkzeuge können wir bei OPAL das Maschinenverhalten umfassend vorhersagen und analysieren. Dies beinhaltet nicht nur die Maschine selbst, sondern auch ihre Fundamentierung. So wird durch unser Vorgehen ein ganzheitliches Abbild des Maschinenverhaltens im gesamten Arbeitsraum erzeugt. Dabei lassen sich einerseits Qualitätsprobleme bereits proaktiv vermeiden und andererseits auch deren Ursachen im laufenden Prozess identifizieren und minimieren. Darin sehen wir auch unsere Aufgabe: Die Absicherung der Funktionsweise einer Maschine, bevor sie gebaut wird.
Einfluss der Stellung des Werkzeugs im Arbeitsraum am Beispiel einer Fräsmaschine
Die Herausforderung der Problematik und unser Vorgehen lässt sich sehr gut anhand einer Fräsmaschine verdeutlichen. Die Maschine, dargestellt in Bild 3.1, wurde auf das statische und dynamische Verhalten innerhalb des Arbeitsraums untersucht.
Um die Maschine bestmöglich zu charakterisieren, erfolgt die Auswertung am ToolCenterPoint (TCP). In diesem Fall ergeben sich bei geänderten X- und Y-Positionen kaum Veränderungen im dynamischen Verhalten. Jedoch beim Ausfahren des Spindelkastens als Z-Achse traten signifikante Veränderungen auf: Einerseits wird eine deutliche Abnahme der statischen Steifigkeit am TCP beobachtet und andererseits ändern sich drei für diese Maschine typische Modenformen in ihrer Frequenzlage und ihrer dynamischen Nachgiebigkeit (Bild 3.2).
Dynamisch betrachtet, traten ungünstige Positionen des Spindelkastens auf und riefen dadurch Probleme in der Produktqualität hervor. Die Nähe der Eigenfrequenzen in Z-Richtung zu Resonanzpeaks in der Längsrichtung X beeinträchtigte die Stabilität des Fräsprozesses zusätzlich. Die Erkenntnisse unserer Simulationsergebnisse deckten sich mit den Ergebnissen aus tatsächlichen Feldversuchen und konnten somit konkret zugeordnet werden.
Unser Lösungsansatz: Multikriterielle FEM-Strukturoptimierung
Um das unerwünschte Verhalten des Spindelkastens zu entschärfen, wurde auf eine multikriterielle FEM-Strukturoptimierung zurückgegriffen. Denn aus der Beschreibung von Systemantworten heraus lassen sich Maßnahmen zur Optimierung der Maschine und deren Anpassung des Maschinenverhaltens an strukturelle Gegebenheiten der Umgebung realisieren. Das Ziel bei unserem Beispiel einer Fräsmaschine war ein homogener und stabiler Bearbeitungsprozess über den gesamten Spindelhub hinweg. Mit dem optimierten Spindelkasten zeigten Feldtests ein wesentlich stabileres und kontrollierbares Maschinenverhalten.
Der entscheidende Vorteil für den Kunden
Zum einen konnten wir unserem Kunden Klarheit über die Maschineneigenschaften im Arbeitsraum ermöglichen. Zum anderen wurden durch unser Vorgehen auch bisher unbekannte Schwachstellen identifiziert, die, auf die Ergebnisse der FEM-Strukturoptimierung aufbauend, behoben werden konnten.
Durch die Kenntnis positionsabhängiger Maschineneigenschaften ist eine bessere Bearbeitungsstrategie umsetzbar. Dies führt im Resultat zu einer langlebigeren und effizienteren Maschinenperformance und zudem zu einem reduzierten Verschleiß.
Unser Beispiel verdeutlicht den Mehrwert: Mit der überarbeiteten Fräsmaschine konnte unser Kunde den Bearbeitungsprozess hinsichtlich Drehzahlen und Vorschüben anpassen und in Summe um 20% steigern. Gleichzeitig wurde der Ausschuss von Werkstücken um 60% reduziert.
Den ganzen Arbeitsraum einer Maschine im Blick
Die intensive Untersuchung und Optimierung von Maschinen mithilfe moderner Simulationstools kann maßgeblich das Produktionsergebnis beeinflussen. Daraus resultiert eine Steigerung der Effizienz sowie Verbesserung der Produktqualität. Indem statische und dynamische Eigenschaften in den Fokus gerückt werden, können Maschinenhersteller gleichermaßen von langlebigen, effizienten und leistungsstarken Maschinen profitieren.
Es lohnt sich also, den gesamten Arbeitsraum intensiv zu betrachten. Dadurch lassen sich leistungsmindernde Faktoren identifizieren, die bei der Entwicklung nicht vordergründig beachtet werden. Unsere Aufgabe ist es, diese sichtbar zu machen und gezielt zu beeinflussen.
Sie wollen mehr über die positionsabhängigen Eigenschaften Ihrer Maschinen erfahren?
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