ISAC@OTH –TP 1

Entwicklung eines Expertensystemszur Bewertung und Weiterentwicklung

innovativer Fertigungsverfahren und Materialien

ISAC@OTH – TP 1

Ergebnispräsentation ISAC@OTH-AW

Teilprojekt 1 - 15.10.2020

ISAC@OTHTeilprojekt 1

Zielsetzung

• Beurteilung von Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz von Herstellungsprozessen

• Key Performance Indicators basierend auf Versuchsergebnissen

• Leitfaden zur Implementierung des Expertensystems in Unternehmen

• Fokus: Zerspanung und 3D-Druck

Entwicklung eines Expertensystems zur Bewertung und Weiterentwicklung innovativer Fertigungsverfahren und Materialien

Nutzen

• wettbewerbsübergreifende Bewertung von Fertigungsverfahren und -strategien

bezüglich Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz

• Verbesserungspotentiale aufspüren

• Prozess-, Energie-, Maschinen- sowie Werkzeugkosten im Voraus abschätzen



Erreichbare Ziele für viele Betriebe

Benchmarkuntersuchung bei 3 Unternehmen und einem WerkzeugherstellerBearbeitung: Edelstahl rostfrei



Fertigungstechnische, Energetische und Wirtschaftliche Beurteilung von Zerspanungsprozessen – FEW-Expertensystem zur Bewertung von Fertigungsprozessen

FEW-AutomationFEW-Optimisation

FEW-Reaction

• CAD/CAM-Programmierung• Maschinensimulation zur Kollisionskontrolle

• „Test“ der Prozessparameter erst auf der Maschine

• Nachkalkulation der Kosten

FEW-Planning

ISAC@OTH

• Abbildung maschinenspezifischer Parameter in der Maschinensimulation zur Strategieoptimierung und genauere Kalkulation der Fertigungszeit

• Kennzahlensystem zur wirtschaftlichen Auswahl effektiver Fertigungsprozesse

• Nutzung des Werkzeugpotentials durch neue CAM-Strategien und Optimierungsansätze

• Simulation der Eingriffsverhältnisse• Werkstoff- und werkzeugabhängige Prozessauslegung

… …

• Integration der Prozessbewertung sowie relevanter Werkzeug- und Maschinendaten in CAD und CAM

• Integration der Prozessauslegung und der Bewertungssysteme in die Zerspanungsmaschine



FEW-Optimisation: Prozessanalyse und -auslegung

Kennzahlensystem zur Bewertung von Fertigungsprozessen

konstante Spandickegeometrische Einflussgrößen

Fräsbahn

Arbeitseingriff

zeitlicheEinflussgrößen

Zahnvorschub

Vorschubgeschwindigkeit

4 EinflussgrößeMaschinendynamik

Vorschubinterpolation



FEW-Optimisation: praktische Prozessanwendung

Kennzahlensystem zur Bewertung von Fertigungsprozessen

CAM (exemplarisch)

1 mm

Optimierung (OTH)

1 mm



ISAC@OTH - Teilprojekt 1Expertensystem aus Sicht der Produktentstehung

Funktion

Belastung

Einsatzgebiet

Einzelkomponente

Serienteil

Prototyp

EntwicklungAnforderungen Fertigung

Genauigkeit

Oberfläche

BauteilfeaturesGeometrie/AbmessungenRoh-/ Fertigteilvolumen

Werkstoff

Vergütung

Fräsen

Drehen

Bohren

additive Fertigung

…

alle Informationen der Produktentstehung entscheidend für Kalkulation

definieren die Randbedingungen für die Produktion

ermöglichen zielgerichtete Prozessbewertung und -empfehlung

FEW-Planning: Definition der Randbedingungen



FEW-Planning: Struktur der Kalkulation

Expertensystem zur Bewertung von Fertigungsprozessen

Benutzereingaben

Werkstoff Rohteilvolumen Fertigteilvolumen

Stückzahl Maschine …

technische Randbedingungen

wirtschaftliche Randbedingungen

Kalkulation Fertigungsverfahren

BohrenFräsen

Additive

Manufacturing

Erweiterungsmodelle

Drehen

Preprocessing

Energiebedarf

Postprocessing

Mitarbeiter

Maschinenstundensatz Mitarbeiterstundensatz Energiekosten

Software …

Prozessmodelle

Wirtschaftlichkeit

Werkzeugkosten

Bearbeitungsdauer Leistungsaufnahme Mitarbeiterzeitaufwand

Maschinenkosten Mitarbeiterkosten Energiekosten

Gesamtkosten: Stückzahlabhängig Strategieabhängig

Werkzeugabhängig

Gegenüberstellung zu anderen Verfahren

Abschätzung Effizienz neuer Werkzeuge

Software …



Praktische Anwendung des KI-systems

FEW-Planning: Prozesskennzahlen



Praktische Anwendung des Expertensystems

FEW-Planning: Beispiel einer Prozesskalkulation

Prozess: Schruppen und BohrenStückzahl: 1Werkstoff: 42CrMo4Rohteil: 180 mm x 120 mm x 20 mm Abtragvol.: 53,6 cm3

Frästiefe: max. 20 mmBohrungen:4x Ø8,5 mm (t = 20 mm)

Maschine : GROB G350Spindel: max. 30000 1/minWerkzeug: Ø4 - 10 mm

Zeit

ca. 26 €

ca. 62 €

ca. 22 €

ca. 30 €

20 min 66 min 18 min 26 min



Virtuelle Kraftsensorik

FEW-Automation: Prozessdatenanalyse (Big Data Analytics)

Qualität ausreichend für Prozess-beurteilung und Problemerkennung

Möglichkeiten:

Analyse und Kontrolle der Prozesskräfte ohne speziellen Messaufbau

Beurteilung des Werkzeugverschleiß

echtzeitfähige WZG-Überwachung

Brucherkennung

erkennen von hohen Belastungen oder Schwingungen



Entwicklungsfelder

FEW-Automation: CAD-Modellanalyse zur Kostenberechnung

• Analyse der Bauteil-Features des Modells während/nach der Bauteilkonstruktion über CAD-API

• automatisierte Übertragung von Feature-Art und relevanter Parameter an das Expertensystem

• Interpretation der Daten im Expertensystem ( z.B. aktuell Programmierung über PHP)

Unterscheidung zwischen Schruppen, Schlichten und Bohren

Berechnung der Prozesskosten auf Basis der vorhandenen Versuchsdaten

Rückkopplung an das CAD-Tool bezüglich kostenintensiver Features



Erkennung der Features am Bauteil

Durch ein AddIn für Autodesk Inventor lassen sich Parameter an eine angeschlossene SQL-Datenbank ausgeben. Mittels der übergebenen Werte lassen sich dann Kennzahlen zur wirtschaftlichen Beurteilung der Features am Bauteil berechnen. Derzeit wird der Prozess noch durch den Benutzer unterstützt.

FEW-Automation: CAD-Modellanalyse zur Kostenberechnung



Geometrische Genauigkeit: 0,05 mm Geometrische Genauigkeit: 0,4 mm

Stratasys Objet 30 Pro

Multi-Jet-Modelling (MJM)

UV aushärtendes Photopolymer

„Kaltes“ Verfahren

Teuer, aber präzise

Anycubic Kossel Linear Plus

Fused Deposition Modelling

Thermoplast

„Warmes“ Verfahren

Günstig, aber ungenau

Kostenbewertung 3D Druck



5-Achsiges Nachbearbeiten Fazit

konventionelle Fertigung

Herstellungskosten je Stückca. 62 € (ohne Lohnkosten)

Hybrid-Fertigung




5-Achsiges Nachbearbeiten Fazit

konventionelle Fertigung


Hybrid-Fertigung

Herstellungskosten je Stückca. 55 € (ohne Lohnkosten) Dauer der Fräsbearbeitung je Teil

von 67 min auf 45 min reduziert

Werkzeugkosten halbiert

bessere Materialauslastung



Zusammenfassung

Ausblick

• Erweiterung der Datenbasis durch praktische Versuche und Simulation

• Exemplarische Umsetzung und Test des Expertensystems im betrieblichen Umfeld

• Erarbeiten von Ansätzen zur automatisierten Prozessbewertung und –gestaltung

• Anbindung von Werkzeugkatalogen in Kooperation mit Werkzeugherstellern

Zusammenfassung

• Aktueller Stand der Technik bei der NC-Programmierung: erhebliches Verbesserungspotential vorhanden!

• Durch Berücksichtigung der möglichen Maschinen- und Steuerungsdynamik schnellere und kostengünstigere Bearbeitung

• Erfolgreiche Entwicklung eines Kennzahlensystems zur Bewertung von Fertigungsprozessen

• Bewertung der kompletten Prozesskette

• Webbasierten Benutzerumgebung zur Anwendung des Kennzahlensystems



Dank

Christoph Haller

Martin Borst

Bernd Gerlang Matthias Pohl



Und:

- Bengart Caroline

- Diehl Brian

- Dobler Maximilian

- Friedsmann

- Hahn Stefan

- Morner Felix

- Plößner Michael

- Rosner Florian

- Scherzer Veronika

- Schimmer Jonas

- Sporrer Johannes

- Zehne Hannes

- Ziegler Stefan

- …..

Documents

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