Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. K. Weinert,

Dipl.-Inform. F. Albersmann, Dipl.-Ing. G. Guntermann, Dipl.-Ing. M. Kalveram, Dipl.-Ing. C. Schwietering

Die Notwendigkeit der Unternehmen als Global-Player zu agieren und seine Produkte im internationalen Vergleich zu konkurrenzfähigen Preisen anbieten zu können ist zweifelsfrei für das gesamte produzierende Gewerbe von vitaler Bedeutung. Gerade der Werkzeug-, Formen- und Modellbau, der im allgemeinen durch einen sehr hohen Anteil an Einzelteil- und Kleinserienfertigung gekennzeichnet ist, steht im Zeitalter immer kürzerer Produktzykluszeiten und wachsender Variantenvielfalt unter dem Zwang, die hohen Durchlaufzeiten drastisch zu reduzieren. Das Verkürzen der Prozeßkette von der Produktidee bis zum fertigen Produkt ist daher seit Jahren zentrales Thema.

Mußten die zu Beginn der Einführung der HSC-Technologie auszumachenden Anstrengungen in den Betrieben des Werkzeug-, Formen- und Modellbaues eher als Insellösungen bezeichnet werden, so geht die Entwicklung in der letzten Zeit zu einer durchgängigen Optimierung der organisatorischen und technologischen Prozesse und Prozeßketten. Ziel muß es sein, Maschinen und Komponenten, die Bearbeitungstechnologie sowie das informationstechnische Umfeld ständig zu verbessern und in ein „HSC-taugliches" Gesamtsystem zu überführen.

Hochgeschwindigkeitsfräsmaschinen müssen im Hinblick auf eine hochdynamische Bearbeitung bei maximaler Konturtreue und Genauigkeit höchsten Anforderungen genügen. Hier gilt es in erster Linie, die Maschinenstruktur, die eingesetzten Achs- und Hauptspindelantriebe sowie die NC-Steuerung entsprechend den besonderen Erfordernissen der HSC-Bearbeitung anzupassen. Moderne HSC-Maschinen sind dahingehend ausgelegt, die bewegten Massen bei maximaler Gestellsteifigkeit möglichst gering zu halten, um die benötigte Dynamik reaktionsarm aufzubringen [6]. Bei den neueren Maschinenkonzepten dominieren flexible sowohl bei Schrupp- als auch Schlichtbearbeitungen einsetzbare Hochgeschwindigkeitsfräsmaschinen mit konventionellen Antrieben. Neben den bekannten Bauweisen ist im Großmaschinenbereich ein Trend zur Brückengantry-Bauweise zu erkennen. Hochgeschwindigkeitsfräsmaschinen mit Linearantrieben besetzen hingegen ein wesentlich kleineres Marktsegment. Ein vollkommen neues Konzept stellen Maschinen mit paralleler Kinematik dar. Aufgrund der typischen Eigenschaften bieten sich dem Werkzeugmaschinenbau vollkommen neue Lösungsansätze, wobei sich die zur Zeit schon realisierten Maschinen jedoch noch weitestgehend im Prototypenstadium befinden.

Auf Seiten der Achsantriebe haben sich volldigitale Systeme durchgesetzt, die hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bei gleichzeitig guten Bahngenauigkeiten ermöglichen. Moderne Hauptspindeleinheiten werden als digitale Direktantriebe ohne zusätzliche Übertragungselemente wie Getriebe und Kupplungen ausgeführt. Den größten Anteil stellen heute rotatorische Antriebe mit nachgeschaltetem Kugelgewindetrieb dar, deren Leistungsfähigkeit hinsichtlich Beschleunigungsvermögen und Bahngeschwindigkeit ständig verbessert wird. In speziellen Anwendungsbereichen, wie beispielsweise der Bearbeitung von Strukturbauteilen im Flugzeugbau, werden bereits Maschinen mit Linearantrieben eingesetzt, um weitere Möglichkeiten zur Steigerung von Dynamik und Bahngenauigkeit zu erschließen [5, 7].

Hochgeschwindigkeitsbearbeitung bedeutet gegenüber konventionellen Bearbeitungsstrategien eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit um den Faktor 5 bis 10 [2]. Um die für die HSC-Bearbeitung erforderlichen Schnittgeschwindigkeiten zu erreichen, müssen Frässpindeln ausreichend hoher Drehzahl eingesetzt werden. Moderne HSC-Spindeln sollten neben einer hohen Drehzahl über eine hohe Rundlaufgenauigkeit, einen vibrationsarmen Lauf bei geringer Erwärmung und langer Lebensdauer verfügen. Die weiteste Verbreitung weisen derzeit HF-Motorspindeln mit keramischen Hybridlagern auf. Eine interessante Alternative stellen magnetgelagerte Motorspindeln, die u. a. eine herausragende dynamische Steifigkeit bei hohen Drehzahlen besitzen, dar.

Moderne, hochdynamische Werkzeugmaschinen sind in besonderer Weise auf die steigende Leistungsfähigkeit der Steuerungen angewiesen. Neben sehr kurzen Blockzykluszeiten zur Gewährleistung hoher Vorschubgeschwindigkeiten, muß die Steuerung die Möglichkeit bieten, geometrische Maschinenfehler, wie z. B. Führungsabweichungen, Steigungsfehler der Spindel, das Umkehrspiel zwischen Tisch- und Motorbewegung, Durchhangfehler der Werkzeugmaschine sowie thermische Verformungen zu kompensieren. Ebenfalls werden Funktionen zur Kompensation von dynamischen Fehlern der Maschine gefordert [7]. In letzter Zeit ist ein Trend in Richtung offener Steuerungssysteme festzustellen, so daß durch die Festlegung einer standardisierten Antriebsschnittstelle, wie z. B. SERCOS, eine Portierbarkeit der Steuerung an unterschiedliche Antriebssysteme erleichtert wird [7, 8].

Im Werkzeug- und Formenbau kommen oftmals hochvergütete Stähle zum Einsatz, die sehr hohe Anforderungen an die Warmhärte und Zähigkeit der eingesetzten Schneidstoffe stellen. Als kostengünstige Alternative zu Werkzeugen aus polykristallinem Bornitrid (PKB), die insbesondere für die Schlichtbearbeitung mit sehr hohen Schnittgeschwindigkeiten und geringen Spanungsdicken geeignet sind, werden vor allem beschichtete Hartmetallschneidstoffe eingesetzt. Für die Hartbearbeitung haben sich TiAlN beschichtete Ultrafeinstkornhartmetall-Schaftfräser, vorwiegend im Bereich kleinerer Werkzeugdurchmesser, bewährt. Haben noch vor wenigen Jahren nur wenige Werkzeughersteller dieses Marktsegment besetzt, so bieten mittlerweile fast alle Firmen ein Programm mit speziellen HSC-Werkzeugen an. In der letzten Zeit ist eine Trend zu Wendeschneidplattenwerkzeugen mit geringen Durchmessern (10 bis 15 mm) erkennbar. Diese auch unter der Bezeichnung Einschraub-, bzw. Aufsteckfräser bekannten Werkzeuge eignen sich aufgrund ihre Fähigkeit zum Tauchfräsen und Schrägeintauchen, in hohem Maße auch zur Freiformflächenbearbeitung. Darüber hinaus können durch den Einsatz der speziell für den HSC-Bereich entwickelten Fräswerkzeuge die teilweise hohen Werkzeugkosten im Werkzeug- und Formenbau deutlich reduziert werden.

Für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung hat sich als HSC-taugliche Werkzeugaufnahmen der Hohlschaftkegel (HSK) durchgesetzt, der auch bei hohen Drehzahlen eine genaue und sichere Fixierung des Werkzeugs gewährleistet. Im Bereich der Werkzeugspanntechnik werden heute hauptsächlich die einfach zu handhabenden hydraulischen Dehnspannfutter sowie Schrumpfaufnahmen, die sich durch maximale Steifigkeit auszeichnen, eingesetzt. Moderne Schrumpfgeräte ermöglichen extrem kurze Einschrumpfzeiten und schützen die Werkzeugaufnahme vor einseitiger Erhitzung und Verzug. In der letzten Zeit sind eine Reihe von neuen Werkzeugspannsystemen mit dem Ziel, eine genaue und sichere Fixierung des Werkzeugs sowie einen einfachen, schnellen Werkzeugwechsel zu gewährleisten, entwickelt worden.

Da der Einsatz konventioneller Methoden zur Kühlschmierstoffversorgung von Zerspanungsprozessen zunehmend mit höheren Kosten verbunden ist [1, 3], geht der Trend dahin, bei der HSC-Bearbeitung ohne Kühlschmierstoff zu arbeiten. Vergleichbar mit der Entwicklung in der Serienfertigung bestehen darüber hinaus Bestrebungen, Minimalmengen-Schmiersysteme (Zuführmenge 4 - 50 ml/Stunde) einzusetzen [5]. Häufig – insbesondere bei konkaven Formelementen – muß der Abtransport der Späne mit Druckluftunterstützung erfolgen.

Die weit verbreitete Bearbeitung von Freiformflächen mit dreiachsigen Fräsmaschinen im Werkzeug-, Formen- und Modellbau stellt hohe Ansprüche an Maschinen und Werkzeuge. Aufgrund der hohen Investitionskosten einer modernen Fräsmaschine ist ein nahezu ununterbrochener Einsatz der Maschine die Voraussetzung für die Amortisation. Jedoch sind die häufig eingesetzten schlanken Schaftfräser für die Vorschlicht- und Schlichtbearbeitung ein großer Risikofaktor hinsichtlich der Prozeßsicherheit [9]. In den CAM-Systemen wird versucht, durch geeignete Frässtrategien die Eingriffsverhältnisse relativ konstant zu halten. Für die Schruppbearbeitung ist dieses umfassend erforscht und erfolgreich umgesetzt. Die CAM-Programme zur Herstellung der NC-Bahnen können zwar ein maximales Aufmaß berücksichtigen, aber an steilen Flanken kann durch die relative Lage des Fräsers zum Rohteil ein sehr großes aktuelles Zerspanvolumen entstehen. Dieses führt bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit zu einer Überlastung des Werkzeuges und damit verbundenem erhöhten Verschleiß bis hin zum Bruch. Eine am Institut für Spanende Fertigung (ISF) entwickelte computergestützte Simulation von Fräsvorgängen wurde in mehreren Arbeiten vorgestellt. Zur effizienten Berechnung eines Fräsvorgangs wurde ein diskretes mathematisches Modell verwendet [10]. Die hierzu entwickelten Algorithmen erlauben eine effiziente Simulation eines Fräsvorgangs und eine Abschätzung des modellbedingten Diskretisierungsfehlers. Die hieraus gewonnenen Informationen zur räumlichen Lage des Spans ermöglichen sowohl eine Vorschubkorrektur als auch eine Deformationskompensation [11]. Ohne die richtige Wahl der Parameter ist die Leistungsfähigkeit dieses Simulationswerkzeuges eingeschränkt. Es wird daher ein System aufgebaut, das während des Fräsens, beginnend mit einer Grundeinstellung, die optimalen Parameter selbständig ermittelt.

Die Randbedingungen für die Vorschubanpassung werden in Form eines vom Nutzer vorgegebenen Parametersatzes festgelegt [11]. Diese Parameter werden für die Analyse der Eingriffsbedingungen benötigt und beeinflussen somit die Berechnung der Vorschubgeschwindigkeit. In der bisher realisierten Off-line-Simulation ist der Parametersatz für die Simulation eines Bearbeitungsschrittes festgelegt. Die Werte der Parameter werden von Experten bestimmt. Bild 1 oben zeigt die durch Simulation optimierte Prozeßkette, vom CAM-System bis zum Fräsprozeß. Als Eingabedaten werden der Simulation die NC-Daten und Angaben über die Werkstückgröße zur Verfügung gestellt. Als Ausgabe erhält man ein optimiertes NC-Programm, das den gleichen Fräsweg beschreibt, jedoch über ein entsprechend angepaßtes Vorschubprofil verfügt.

Bild 1: Adaptives Simulationssystem

Das Ziel des in Bild 1 dargestellten adaptiven Simulationssystems ist es, die optimale Einstellung der Parameter während des Fräsprozesses zu lernen. Ausgehend von einer Startinitialisierung optimiert die Simulation (1) einen Teil der NC-Bahnen. Nachdem eine vorgebbare Wegstrecke der Fräsbahn simuliert wurde, wird der Fräsvorgang mit den optimierten Daten gestartet. Simulation (1) läuft synchronisiert zum Fräsprozeß, um stets eine konstante Wegstrecke an optimierten NC-Sätzen als Puffer zu erhalten. Simulation (1) und (2) arbeiten in der gleichen Weise, allerdings ist die momentane Position in Simulation (2) die des realen Fräsprozesses. Das ist notwendig, um die realen Bearbeitungskräfte mit den errechneten vergleichen und eine Online-Adaption der Simulationsparameter vornehmen zu können.

Bisher durchgeführte Fräsexperimente an Werkstückgeometrien aus dem Werkzeug- und Formenbau haben gezeigt, daß die Simulation hinreichend flexibel ist, um die realen Gegebenheiten des Fräsprozesses ausreichend genau abbilden zu können. Derzeit wird ein adaptives System programmiert, das die optimalen Parameter selbständig ermittelt. Neuste Untersuchungen mit Methoden der statistischen Versuchsplanung haben Erkenntnisse über die Abhängigkeit zwischen den unterschiedlichen Einflußgrößen und der Zerspankraft ergeben. Mit diesen Daten ist eine Modifizierung der simulationsinternen Belastungsberechung möglich.

Im Rahmen des vorgestellten Systems wurde zur weiteren Erhöhung der Prozeßsicherheit und zur Verbesserung der visuellen Kontrolle der simulierten Werkstücke eine effiziente Online-Visualisierung entwickelt, die direkt auf dem Simulationsmodell arbeitet. Mit dieser Software ist es sowohl möglich, die vollständige, nach einem oder mehreren Bearbeitungsschritten erzeugte Kontur zu betrachten als auch den simulierten Bearbeitungsvorgang online auf dem Bildschirm zu verfolgen (Bild 2).

Bild 2: Oberfläche einer Druckgußform von Volkswagen nach der ersten Schruppbearbeitung

Um die Online-Visualisierung auch auf einer Standard-PC-Hardware zu ermöglichen, ist zum einen die Verwendung einer modernen Grafikschnittstelle (hier: DirectDraw) und zum anderen der Einsatz eines speziellen Volume-Rendering-Verfahrens notwendig.

Das virtuelle Werkstückmodell kann in verschiedene Positionen gedreht und geneigt werden, um dem Benutzer unterschiedliche Ansichten zu erlauben. Zusätzlich ist es möglich, die Positionen und die Parameter mehrerer Lichtquellen festzulegen, die später zur Auswertung eines Beleuchtungsmodells [12] herangezogen werden. Anhand der Modellposition, der Lichtquellenparameter sowie der geometrischen Beschreibung der Werkstückmodelloberfläche durch Normalenvektoren werden schließlich mit Hilfe des Beleuchtungsmodells Grauwerte berechnet. Anschließend bestimmt man die sichtbaren Teile des Modells durch eine effiziente Verdeckungsberechnung. Die eigentliche Darstellung der sichtbaren Modellteile erfolgt dann in den durch das Beleuchtungsmodell vorberechneten Graustufen. Anstatt der in CAM-Systemen üblichen Belegung der Modelloberfläche mit einem Dreiecksnetz (Triangulierung) [13, 14] und der anschließenden Schattierung dieser Dreiecke werden die Informationen über die Oberflächengeometrie (Normalenvektoren) in der hier vorgestellten Visualisierung bereits während der Simulation erzeugt. Durch den Einsatz verschiedener Verfahren aus der Computergrafik [13], die unter anderem für die effiziente Verdeckungsberechnung verwendet werden, ist es möglich, die Simulationsdauer bei eingeschalteter Online-Visualisierung deutlich unterhalb der realen Bearbeitungszeit zu halten.

Zusätzliche Features der Visualisierung erlauben eine weitere Kontrolle des Fräsprozesses. So sind eine Zoom-Funktion zur vergrößerten Darstellung sowie die Möglichkeit einer Farbdarstellung für unterschiedliche Bearbeitungsschritte, implementiert worden. Hierdurch wird zum einen die Inspektion auch kleinster Details möglich, und zum anderen wird das Auffinden von Bearbeitungslücken oder Restaufmaßen erheblich erleichtert.

Zum Erhalt von Aussagen über die Qualität der simuliert gefrästen und somit auch über die real gefertigten Werkstücke muß man die Abweichungen zwischen einer CAD-Konstruktion und dem Simulationsmodell ermitteln können. Auch die Unterschiede zwischen den Daten digitalisierter Werkstücke und dem Simulationsmodell sind von Interesse. Um einen solchen Vergleich durchführen zu können, ist am ISF eine Software entwickelt worden, die dazu in der Lage ist, die Auf- und Untermaße in Richtung der z-Achse (z-Auf- bzw. z-Untermaß) zwischen Simulationsmodell und CAD-Konstruktion bzw. digitalisierten Datensätzen zu berechnen. Das Ergebnis der Vergleichsoperation wird in einer Simulationsdatei gespeichert und kann mit der Visualisierung der Frässimulation angezeigt werden.

Eine der entscheidendsten Veränderungen in der Prozeßkette zur Fertigung von Formen und Gesenken ist die zunehmende Substitution des Erodierens durch direktes HSC-Hartfräsen. Rasche Fortschritte, insbesondere im Bereich der Schneidstoffe und der Werkzeugkonzepte, ermöglichen es, immer mehr Anwendungsbereiche für das HSC-Hartfräsen zu erschließen. Wo dies aufgrund der komplexen geometrischen Gestalt des Formwerkzeuges nicht möglich ist, bietet sich zumindest die Kombination der Verfahren Hartfräsen und Erodieren an [16, 17].

Der Weg über das Erodieren hat – verglichen mit dem HSC-Hartfräsen – diverse Nachteile. Neben der Länge der Prozeßkette (Elektrodenfertigung, Erodieren, manuelle Nacharbeit) und der damit verbundenen geringen Flexibilität beim Auftreten von Änderungen sind vor allem die geringere Produktivität und die Schädigung der Oberflächenrandzone des Werkstückes zu nennen. Allerdings verfügt das Erodieren über eine deutlich höhere Prozeßsicherheit, was insbesondere für den mannlosen Betrieb von Vorteil ist. Der Einsatz simulationsgestützter Vorschubanpassung kann jedoch – wie beschrieben – die Prozeßsicherheit des HSC-Fräsens verbessern, was wiederum neue Potentiale erschließt.

Bild 3: Zeitbedarf  bei der Werkzeugherstellung durch Erodieren und HSC-Hartfräsen

Die Auswahl des Bearbeitungsverfahrens bzw. der Verfahrenskombination muß für den jeweiligen Anwendungsfall getroffen werden. Hierbei spielen nicht nur die Faktoren Fertigungszeit, Fertigungskosten und Verfahrensflexibilität eine Rolle. Vielmehr werden durch die Wahl des Verfahrens auch das Einsatzverhalten, d. h. Standzeiten und Standmengen, und der Instandhaltungsaufwand der hergestellten Formwerkzeuge bestimmt. Ein Verfahrensvergleich muß daher auch diesen Aspekten Rechnung tragen.

Im Rahmen einer Untersuchung des ISF für die Volkswagen AG, Werk Kassel, wurden die konkurrierenden Herstellverfahren bei der Fertigung von Schmiedewerkzeugen für Getriebeteile verglichen. Die Formwerkzeuge wurden aus vergütetem Warmarbeitsstahl (1.2365, X32CrMoV33, 44 HRC bzw. 1.2367 ESU, X40CrMoV53 ESU, 50 HRC) hergestellt. Als Fräswerkzeuge kamen ausschließlich Vollhartmetallwerkzeug mit TiAlN-Beschichtung zum Einsatz.

Es konnte bei dieser Untersuchung festgestellt werden, daß sich die Bearbeitungszeiten durch das HSC-Hartfräsen bei sicherer Prozeßführung um 50 - 84 % senken lassen (Bild 3). Probleme bereiteten beim HSC-Hartfräsen kleine Verrundungs-radien in der Form von 1 mm und darunter, denen keine funktionelle Bedeutung zugewiesen werden konnte, die jedoch den Einsatz sehr schlanker Fräswerkzeuge erforderlich machte. So mußte beispielsweise ein Fräser mit einem Durchmesser von 1 mm und einer nutzbaren Arbeitstiefe von 13,5 mm verwendet werden. Bearbeitungen mit derart empfindlichen Werkzeugen sind aufgrund der notwendigen Reduzierung der Bearbeitungsparameter zeitaufwendig. Schon geringfügig größere Verrundungsradien im Formwerkzeug erleichtern die Bearbeitung (Balken HSC-Bearbeitung optimiert in Bild 3).

Bild 4: Ermittelte Oberflächengüten bei gefrästen und erodierten Gesenkmatrizen

Die durch HSC-Hartfräsen erreichten Oberflächenrauheiten lagen ca. um den Faktor 10 unterhalb der elektroerosiv erzeugten (Bild 4). Geschmiedete Formteile lassen sich aus den durch HSC-Hartfräsen hergestellten Formwerkzeugen leichter entnehmen, wodurch sich hier auch Veränderungen an den umformtechnischen Parametern vornehmen lassen (z. B. Verkleinerung der Gesenkschräge).

Als Auswirkung der hohen Oberflächenqualität und vermutlich der beim Erodieren hervorgerufenen Randzonenschädigung zeigten die gefrästen Schmiedewerkzeuge ein deutlich überlegenes Einsatzverhalten. So lagen die Standmengen und -zeiten der gefrästen Werkzeuge um 20 - > 75 % über denen der vergleichbaren erodierten (Bild 5). Genauere Untersuchungen der Randzonen verschlissener erodierter und gefräster Schmiedewerkzeuge sollen hier noch Aufschluß über die Mechanismen geben.

Bild 5: Standmengen erodierter und gefräster Gesenkmatrizen

Der rasche technologische Fortschritt, der die Situation auf den Märkten entscheidend verändert hat, führt zu immer kürzeren Produktlebenszyklen bei gleichzeitiger Zunahme der Komplexität der Produkte. Diese Veränderung der Marktsituation impliziert eine Erhöhung der Reaktionsfähigkeit und Flexibilität aller an der Produktentwicklung beteiligten Bereiche und insbesondere des Werkzeug- und Formenbaus. Trotz des hohen Termindrucks ist es jedoch notwendig, fehlerfreie Produkte auf den Markt zu bringen, um hohe Folgekosten zu vermeiden. In der Phase der Produktentwicklung bieten hier die unterschiedlichen Verfahren des Rapid Prototyping (RP) die Möglichkeit, die neu entworfenen Produkte schon im Vorfeld innerhalb kürzester Zeit in ihrer realen physikalischen Form zu begutachten und zu optimieren. Häufig sind jedoch schon in der Produktentwicklungsphase neben der reinen Designprüfung zusätzlich Funktionsprüfungen der Bauteile erforderlich. Dies bedingt die Herstellung von funktionalen Prototypen. Diese zeichnen sich durch den Einsatz des Serienwerkstoffes sowie des Serienfertigungsverfahrens aus, damit die Übertragbarkeit der Eigenschaften von Prototypen auf Serienbauteile gewährleistet werden kann. Verfahren, die es durch die schnelle Werkzeugherstellung ermöglichen, solche Prototypen unter seriennahen Bedingungen zu erzeugen, werden unter dem Begriff Rapid Tooling (RT) zusammengefaßt.

Unter Rapid Prototyping versteht man im allgemeinen alle Verfahren, welche ausgehend von dreidimensionalen Computerdaten dreidimensionale Modelle erstellen. Zu den gängigsten Rapid Prototyping-Verfahren zählen die Stereolithographie (SL), das Fused Deposition Modeling (FDM) sowie das Laminated Object Manufacturing (LOM) (Tabelle 1).

Beim Rapid Tooling existieren genau wie beim Rapid Prototyping eine Vielzahl an Verfahren, wobei diese teilweise noch in der Entwicklungsphase sind. Das Spektrum beim Rapid Tooling reicht dabei von der Herstellung serienferner bis zu seriennahen Werkzeugen, wobei bei serienfernen Prototypenwerkzeuge die Formeinsätze aus Kunststoff oder niedrigschmelzenden Metallegierungen sowie bei seriennahen Werkzeuge aus metallischen Verbundwerkstoffen oder Metallegierungen hergestellt werden. Entsprechend der Werkstoffestigkeiten bzw. den sich daraus ergebenen Standzeiten und Einsatzmöglichkeiten wird zwischen Soft-Tooling und Hard-Tooling unterschieden. Soft-Tooling werden Verfahren genannt, bei welchen einige Teile durch Abformen eines Urmodells oder dessen Negativform erstellt werden. Es kommen dabei „weiche" Materialien, wie z. B. Silikon oder kautschukähnliche Werkstoffe zum Einsatz, wobei entweder keine oder nur sehr geringe Drücke und Temperaturen zum Abformen eines Urmodells eingesetzt werden. Zu diesen sogenannten „Folgetechniken" des Rapid Prototypings zählen z. B. das Vakuumgießen sowie das Spin Casting.

Die Hart-Tooling-Verfahren lassen sich mit Bezug auf die gegenwärtig häufigsten Anwendungsgebiete in der Kunststofftechnik in zwei Gruppen einteilen. Die erste Verfahrensgruppe führt zur direkten Erzeugung der Werkzeugeinsätze durch Ableitung einer Negativform aus der CAD-Beschreibung des zu fertigenden Bauteils. Im Gegensatz dazu führen die Verfahren der zweiten Gruppe zur indirekten Erzeugung von Werkzeugeinsätzen. Zur Werkzeugherstellung wird dabei das Urmodell, welches z. B. durch ein Rapid Prototyping Verfahren erstellt wurde, mit einem spezifischen Abformprozeß hergestellt.

Zu den Verfahren der direkten Erzeugung von Werkzeugeinsätzen zählen z. B. die Generierung von Epoxydharz-Formen über das Rapid-Prototyping-Verfahren Stereolithographie in Massiv- oder mit Aluminiumpulver verstärktem Epoxydharz hintergossener Schalenbauweise, das direkte Metall-Lasersinterverfahren, das indirekte Metall-Lasersinterverfahren, bei dem kunststoffumhüllte metallische Legierungen zum Einsatz kommen sowie das direkte HSC-Fräsen.

Zu den Verfahren der indirekten Erzeugung von Werkzeugeinsätzen gehören z. B. die Abformung mit Aluminium-verstärktem Gießharz, das Keltool-Verfahren sowie das QSM-Verfahren (Tabelle 2).

Die konventionell verfügbaren Lasersinterprozesse werden durch alternative Materialien, feinere Korngrößen und Beschichtungen in ihren geometrischen und mechanischen Eigenschaften beständig verbessert. Da typische Spritz- oder Druckgußbauteile häufig eine abgerundete, glatte Außenkontur kombiniert mit einer komplexen und filigran strukturierten Innenkontur aufweisen, bietet sich eine anforderungs- und fertigungsgerechte Modularisierung der unterschiedlichen Werkzeugkomponenten an. Um eine wirtschaftliche Fertigung zu erreichen, ist insbesondere die Anwendung unterschiedlicher Rapid Tooling Verfahren sinnvoll. Zur Herstellung eines Außenkonturwerkzeugs sind bedingt durch die häufig freigeformte Oberfläche mit hohen Qualitätsanforderungen sowie geringer bis mäßiger geometrischer Komplexität und Formtiefe die spanenden Fertigungsverfahren und insbesondere das Hochgeschwindigkeitsfräsen die zu favorisierenden Verfahren. Im Gegensatz dazu sind zur Herstellung des Innenkonturwerkzeugs aufgrund der höheren geometrischen Komplexität bei geringerer notwendiger Oberflächenqualität generative Verfahren den spanenden Verfahren vorzuziehen. Durch die ständige Weiterentwicklung der verschiedenen Rapid Prototyping Verfahren, in bezug auf die eingesetzten Werkstoffe sowie der Verfahrenstechniken, werden sich die Anwendungsbereiche der erzeugten Werkzeuge von der reinen Prototypenfertigung hin zur kleinen und mittleren Serienfertigung verlagern [18, 19, 20].

Eine grundlegende Voraussetzung zur Erfassung der geometrischen Gestalt unbekannter Objekte ist das dreidimensionale Digitalisieren. Das Digitalisieren zeichnet sich dadurch aus, daß die Werkstückoberfläche durch eine geeignete Sensorik abgetastet wird. Die geometrische Gestalt wird in Form einer rechnerinternen Darstellung – meist diskrete Raumpunkte – gespeichert. Das dabei zu verwendende Digitalisiersystem muß die komplette und hochgenaue Erfassung der Objekte ermöglichen. Am Markt existieren verschiedene Digitalisiersysteme mit sehr unterschiedlichen Prinzipien. Die Auswahl des richtigen Systems ist abhängig vom konkreten Anwendungsfall. Wesentliche Attribute zur Beschreibung der Digitalisiersysteme sind neben deren Wirkprinzip die Zeit, die Genauigkeit und die Struktur der Daten. Die dem jeweiligen System zugrundeliegende Prozeßzeit zur Aufnahme der Punkte ist ein wichtiges Merkmal zur Einschätzung der Wirtschaftlichkeit. Die Struktur der gelieferten Daten ist bei der Weiterverarbeitung zu berücksichtigen, da aufsetzende Algorithmen, je nach Struktur der Daten, mehr oder weniger effizient realisiert werden können.

Da jedes Digitalisiersystem mit einer endlichen Genauigkeit arbeitet, sind die resultierenden Daten meßfehlerbehaftet. Die Größenordnung des Meßfehlers ist bei der Weiterverarbeitung der Daten zu berücksichtigen. Bei der Genauigkeit von Digitalisiersystemen ist zwischen der Genauigkeit der Sensorik zur Punktaufnahme und der Verfahreinrichtung zur Bewegungsführung der Sensorik zu differenzieren.

Da die Genauigkeit eines Digitalisiersystems die Summe der Einzelgenauigkeiten ist, ergeben sich bei unterschiedlichen Verfahreinrichtungen dementsprechend verschiedene Gesamtgenauigkeiten. Die Digitalisiersysteme können nach der verwendeten Sensorik und nach der Bewegungsführung klassifiziert werden. Berührende Sensoren benutzen einen Taststift, der über die zu erfassende Oberfläche geführt wird. Berührungslose Sensoren verwenden optische Meßkomponenten zur Konturerfassung. Beide Sensortypen werden mit verschiedenen Bewegungsführungen eingesetzt. Bei den berührenden Sensoren ergeben sich dann die taktil tastenden und die taktil scannenden Systeme und bei den berührungslosen die optisch scannenden und die bildgebenden Systeme.

Im folgenden sollen Daten von taktil-scannenden Systemen betrachtet werden, da diese für übliche Geometrien im Werkzeug- und Formenbau derzeit die geeignetsten Punkte liefern [21].

Die von den verschiedenen Digitalisiersystemen aufgenommenen Punkte enthalten Informationen über den tatsächlichen Flächenverlauf an ganz bestimmten Stellen. Dem Begriff Digitalisierung entsprechend wird die Modellvorlage in Form diskreter Punkte im R³ erfaßt und gespeichert. Viele Anwendungen benötigen jedoch auch Informationen über den Flächenverlauf zwischen den Punkten. Hierfür ist eine stetige, kontinuierliche Flächenbeschreibung erforderlich. Da die Informationen über den Flächenverlauf zwischen den Digitalisierpunkten meßtechnisch nicht erfaßt werden, sind diese aus den diskreten Punkten abzuleiten. In der internationalen Literatur ist dieses Problem unter den Stichworten surface reconstruction und scattered data interpolation bekannt [13, 15]. Ziel der Flächenrückführung ist die Rekonstruktion einer kontinuierlichen Flächenbeschreibung aus den diskreten Punktdaten. Hierzu werden die Daten trianguliert. Eine anschließende lineare Interpolation der Dreiecke führt zu einer Flächenbeschreibung, die von vielen Anwendungen, wie z. B. CAM- oder Virtual-Reality-Systemen genutzt wird. Für eine effiziente Rekonstruktion der (unbekannten) Fläche muß die Struktur der Digitalisierdaten berücksichtigt werden. Die Flächenrekonstruktion durch Triangulierung bietet eine Lösungsmöglichkeit, für die sich zwei Fragestellungen ergeben:

• Gibt es redundante Punkte?

• Was ist ein sinnvolles Gütekriterium zur Bewertung einer Triangulierung?

• Wie wird bei vorgegebenem Gütekriterium eine ausreichend gute (oder sogar optimale) Triangulierung bestimmt?

Die Struktur der Punktdaten resultiert im wesentlichen aus der Bewegungsführung, welche vom Nutzer der Digitalisiereinrichtung festgelegt wird. Bei den scannenden Systemen geschieht dies in Form einer Digitalisierstrategie. Es stehen verschiedene Strategien zur Verfügung, die durch den Nutzer in Abhängigkeit von der geometrischen Gestalt des Objektes appliziert werden. Die Auswahl der passenden Strategie bestimmt entscheidend die Qualität der Daten. Es liegt im Erfahrungsschatz des Nutzers, wie ein Objekt in verschiedene Bereiche unterteilt wird und welche Strategie in welchem Teilbereich angewandt wird, um optimale Resultate zu erreichen. Hier gibt es derzeit Bestrebungen, eine Nutzerunterstützung in Form einer teilautomatischen Strategieauswahl zu erlauben. Die beim taktilen Scannen zur Verfügung stehenden Strategien orientieren sich an Abtastebenen. Hierbei handelt es sich um horizontale oder vertikale Ebenen, in denen sich die Verfahreinrichtung bewegt. Dementsprechend liegen die Digitalisierpunkte in diesen Ebenen. Die in einer Ebene liegenden Punkte werden als Digitalisierzeile bezeichnet. Das Digitalisiersystem liefert zunächst Punkte in einem festen zeitlichen Raster, welches je nach System im Bereich von 1-8 ms liegt. Anschließend findet eine Datenreduktion durch das tangentiale Distanzschrittverfahren (TDV) statt. Hierbei werden Geradensegmente in die aus dem Digitalisierprozeß resultierenden Punktreihenfolgen gelegt. Anschließend werden die Punkte, deren Abstand zum Geradensegment geringer als eine vorgegebene Toleranz ist, eliminiert. Übliche Reduktionsraten betragen hierbei 70 - 95 %.

Die Analyse verschiedener Qualitätskriterien zur Charakterisierung von Triangulationen mittels evolutionär motivierter Methoden war ein Ziel der Untersuchungen im Rahmen eines DFG-Projekts. Zum Einsatz kamen die folgenden Kriterien:

• Minimale Summe der Streckenlängen im Netz (minimum weight triangulation (MWT))

• Minimale Summe der Dreiecksflächen (SURF)

• Minimale Summe der Winkel zwischen den Normalenvektoren der Dreiecke (angles between normals (ABN)

• Minimale totale Absolutkrümmung (total absolute curvature (TAC))

In den Untersuchungen, die im Rahmen des Projektes durchgeführt wurden, kamen diese vier Maße als Zielfunktionen sowohl in einem Simulated Annealing Algorithmus (SA) als auch in einer Evolutions Strategie (ES) zum Einsatz. Die erzielten Ergebnisse dieser Gütekriterien sind in Bild 6 gegenübergestellt.

Bild 6: Einfluß der Gütekriterien auf die Triangulierung

Da das Kriterium der minimalen totalen Absolutkrümmung das geeignetste ist, soll auf dieses kurz eingegangen werden. Die Idee des Algorithmus' basiert auf der Nutzung von Eigenschaften sphärischer Winkel. Je näher die Summe Winkel zwischen allen Kanten, die bei einer Triangulation von einem Digitalisierpunkt ausgehen, sich der Grenze von 360° nähert, als um so glatter wird eine Oberfläche angesehen. (Der Algorithmus ist in der Praxis sehr viel komplexer und es gibt eine Reihe von Sonderfällen, die im Algorithmus separat betrachtet werden müssen. Diese sollen hier nicht im Detail aufgeführt werden.) Die Abweichung der Summe der Winkel um einen Punkt p von 360° wird als lokale Krümmung K(p) im Punkte p bezeichnet. Die Summe der lokalen Krümmungen über alle Punkte P einer möglichen Triangulation i bildet den Wert für die totale Absolutkrümmung TAC_i(P).

Das Problem der Flächenrekonstruktion umfaßt die Problemstellung der Flächenrückführung und erweitert die Fragestellung um das komplexe Themengebiet der Mustererkennung in dreidimensionalen Punktewolken. Ziel der Flächenrekonstruktion ist eine effiziente Flächendarstellung, die der Konstruktionslogik eines Konstrukteurs folgt. Im Unterschied zu der Darstellung von reinen Freiformflächen, wie sie sicher am geeignetsten durch interpolative oder approximative Verfahren unter Verwendung von linearen oder höherdimensionalen Polynomansätzen durch B-Rep-Modelle wiedergegeben werden, können Konstruktionselemente, die sich auf die Verwendung von Regelgeometrieelementen beschränken, unter Verwendung einer wesentlich sparsameren Menge von Grundelementen dargestellt werden. Ausgehend von einer reduzierten Digitalisierpunktemenge wird mit Hilfe der numerischen Methoden der Computational Intelligence eine effiziente CAD-Konstruktionsbeschreibung eines Originalobjektes berechnet. Der im Rahmen einer Kooperation mit dem Lehrstuhl für Systemanalyse der Universität Dortmund verfolgte Ansatz baut auf der Entwicklung von CSG-Strukturen mit Hilfe von genetischem Programmieren (GP) auf [23].

Bild 7: Startinitialisierung und Rekonstruktion eines Paßstiftes

Als Basisdatenstruktur zur Repräsentation eines Objekts im dreidimensionalen Raum wird ein gleichmäßiges Gitter aus Punkten erwartet. Dieses Gitter wird mit Hilfe eines Algorithmus' zur Tasterradiuskompensation und dreiachsigen Frässimulation auf der Basis einer glatten Triangulation berechnet. Die sich ergebenden äquidistanten Gitterpunkte enthalten die folgenden Informationen:

• die Punkte können eindeutig auf ein 2D-Gitter durch eine senkrechte Projektion auf die xy-Ebene abgebildet werden,

• die Richtung eines sich durch den Algorithmus der Tasterradiuskompensation ergebenden Normalenvektors, der senkrecht zur virtuell gefrästen Oberfläche steht,

• einen Grundtypen zur Klassifikation von Oberflächenkrümmungen; hierbei wurde auf den Maßen der Gauß-Krümmung und der mittleren Krümmung aufgebaut.

Der im Projekt implementierte evolutionär motivierte Algorithmus benutzt die Theorie der Vererbungslehre und rekombiniert und mutiert verschiedene potentielle Lösungsvorschläge (Individuen) in Abhängigkeit der berechneten Approximationsgüten und produziert somit immer neue Lösungsvorschläge. Die genetische Repräsentation eines Individuums folgt der Struktur, wie sie zur Beschreibung von CSG-Bäumen typisch ist. Ziel des Optimierungsvorganges ist eine Minimierung der strukturellen Differenz der evolvierten CSG-Struktur und der gesuchten Objektgeometrie. Dazu sind mehrere Kriterien durch das evolvierte Objekt zu erfüllen:

• Abstandsmaß: Dieses Kriterium folgt der Idee, daß die evolvierten CSG-Objekte eine gegebene Punktemenge möglichst gut approximieren.

• Maß der Winkel zwischen den Normalenvektoren ABN: Dieses Maß dient der räumlichen Orientierung der CSG-Objekte.

• Krümmungskriterium: Die Verwendung des Krümmungstyps zur Objektidentifikation spielt für die Wahl geeigneter Regelgeometrieelemente eine entscheidende Rolle.

Die Menge der angeführten Fitnessbeschreibungen ist sicher noch nicht vollständig,

erweist sich in der Praxis jedoch als stark genug, um eine große Klasse einfacher Strukturen zu charakterisieren (Bild 7).

Die Problematik der Flächenrekonstruktion wird aber auch in Zukunft wohl auf einen gewissen Teil an manueller Entscheidungarbeit nicht verzichten können, da die rein geometrischen Informationen oft nicht ausreichen.

In der Praxis tritt häufig der Fall der manuellen Änderung einer Form auf, zu der eine CAD-Beschreibung existiert. Dann stecken die gesamten Änderungsinformationen in der Form. Am Institut für Spanende Fertigung ist dazu ein Software-Tool (Rechnerunterstützte Flächenoptimierung RuFo) entwickelt worden, mit dem es möglich ist, die Änderungen effizient in die CAD-Beschreibung zu übertragen [22].

RuFo ist ein System zum gezielten Verzerren von Flächen und Flächenverbänden einer CAD-Geometrie unter Angabe von Verzerrungsfaktoren und Berücksichtigung der Konstruktionslogik (Bild 8).

Bild 8: Splinemanipulation unter Verwendung von Änderungsvektoren und Beibehaltung der Konstruktionslogik

Damit sind die Änderungen reproduzierbar und die Prozeßsystematiken analysierbar. Die geänderten CAD-Flächen können somit für den weiteren Ablauf – CAM Fräsbahnerzeugung und Fräsen der Gesenke – genutzt werden. Ein wesentlicher Vorteil dieser Spezialsoftware liegt in der hohen Genauigkeit, die hiermit erreicht werden kann.

Der Begriff „automatische Flächenrückführung" ist nicht eindeutig definiert und sorgt somit immer wieder zu Sprachverwirrungen. Häufig wird die Vorstellung von der automatischen Berechnung einer CAD-Repräsentation (Regelgeometrien und Freiformflächen) aus einer Punktemenge (Digitalisierdaten) damit verbunden. Die Realität zeigt jedoch, daß z. Zt. kein System diese Funktionalität bieten kann. Es existieren zwar für verschiedene Anwendungsfälle hinreichend gute Lösungen. Jedoch ist die Auswahl eines Systems von der Zielsetzung abhängig. Eine Grenze der Digitalisierdatenaufbereitung liegt in der Genauigkeit. Ist das Reproduzieren eines physikalischen Modells gefordert, so kann dieses mit einer Gesamtgenauigkeit von höchstens 0.1mm geschehen. Dieses begründet sich in der Summe aller Ungenauigkeiten aus den Schritten Digitalisieren, Datenreduktion, Flächenrückführung, Flächenrekonstruktion, Fräsbahngenerierung und Fräsen. Hierbei ist das Digitalisieren technologisch ausgereift, jedoch hängt das Ergebnis stark vom Erfahrungswissen des Fachpersonals ab, das für die Auswahl der optimalen Strategie verantwortlich ist. Die Verfahren zur Datenreduktion können als praxistauglich eingestuft werden, obgleich noch nicht endgültig geklärt ist, ob alle markanten Punkte einer Abtastung erhalten bleiben. Unter der Voraussetzung einer optimal abgetasteten Oberfläche bieten die derzeitigen Algorithmen zur Flächenrückführung ein probates Mittel, um Genauigkeiten im Bereich von 0.1mm zu erreichen. Nach der Flächenrückführung ist die Generierung von Fräsbahnen mit einem CAM-System möglich. Zur Flächenrekonstruktion existieren eine Reihe von kommerziellen Softwarelösungen, die für ein gutes Approximationsergebnis eines hohen manuellen Aufwandes bedürfen. Hier zeigen die jüngst vorgestellten Forschungsergebnisse vielversprechende Hinweise für eine Reduzierung des manuellen Aufwandes.

Für höhere Genauigkeitsanforderungen an die Flächenrepräsentation (< 0.1mm) kommt derzeit nur eine Flächenmanipulation in Frage. Eine Voraussetzung ist hier eine bereits existierend CAD-Beschreibung. Kommt es in der Prozeßkette zu manuellen Veränderungen der Form, so können diese an einigen Punkten gemessen und unter Beibehaltung der Konstruktionslogik in die bestehende CAD-Fläche übernommen werden.

Derzeit wird der Begriff „automatische Flächenrückführung" seiner eigentlichen Bedeutung nicht gerecht. Hier sind noch einige Entwicklungen notwendig, um die Anforderung an den Automatismus zu erfüllen. Eine vollautomatische Lösung dieses Problems ist trotz der neusten Entwicklungen nicht zu erwarten, da die Konstruktionslogik eines Konstrukteurs sehr schwer in mathematisch beschreibbare Regeln zu transformieren ist. Das nächste Ziel muß es daher sein, ein interaktives System zu entwickeln, das dem Konstrukteur Alternativlösungen anbietet, die dieser gemäß seiner Anforderungen verändert und somit den letzten Feinschliff anbringt.