Informationstechnik, Messen und reverse Engineering zur Prozesskettenoptimierung (SFB 708 – TP C4)

Innerhalb des von der DFG geförderten Sonderforschungsbereichs „3D-Surface Engineering für Werkzeugsysteme der Blechteilefertigung – Erzeugung, Modellierung, Bearbeitung“ SFB 708 werden in enger Kooperation mit mehreren Instituten und Lehrstühlen der Technischen Universität Dortmund die komplexen technologischen Vorgänge bei der Herstellung von Blechformteilen untersucht. Hierbei steht im Besonderen die Simulation der hierfür benötigten Verfahren vom Herstellen der Umformwerkzeuge bis hin zur Kompensation der Rückfederung bei der Blechumformung im Vordergrund.

Im Hinblick auf die übergeordnete Aufgabenstellung des SFB, innerhalb derer die Prozesskette zur Herstellung thermisch beschichteter freigeformter Tiefziehwerkzeuge möglichst kurz und effizient gestaltet werden soll, ist es notwendig, prozessbedingte Formabweichungen des Werkstücks möglichst früh in der Prozesskette durch Anpassung der zu Grunde liegenden CAD/CAM-Daten zu kompensieren. Dabei sollen zur Ermöglichung der rückführungsfreien Fertigung bereits unmittelbar nach der CAD-Modellierung die aus den einzelnen Gliedern der Prozesskette summierenden Formfehler berücksichtigt werden, um die Werkstückoberfläche so zu verändern, dass gerade durch die eingebrachten, gezielten Abweichungen die gewünschte Form entsteht. Eine der großen Herausforderungen dieser Aufgabenstellung besteht darin, ein durch Simulation berechnetes oder tatsächlich hergestelltes Werkstück mit der geforderten Idealform zu vergleichen, dabei Fehler und Abweichungen aufzudecken und aus diesen Erkenntnissen Rückschlüsse auf die notwendigen Korrekturen des CAD-Modells bzw. der CAM-Daten zu ziehen.

Abbildung 1 verdeutlicht das System zur Rückfederungskompensation. Im ersten Schritt werden die gefertigten Werkstücke digitalisiert und in das Koordinatensystem des CAD-Modells überführt, wobei die Digitalisierdaten möglichst gut in die Soll-Form eingepasst werden. Dieser Prozess wird auch Registrierung oder Bestfit genannt. Die Bestfit-Positionierung ist eine starre Transformation (Rotation und Translation), die den Abstand zwischen den Digitalisierpunkten und der Objektoberfläche minimiert und einen Vergleich der beiden Datensätze ermöglicht. Viele Bestfit-Algorithmen wie ICP (Iterative Closest Point) [1] bestimmen zuerst eine Menge von korrespondierenden Punktepaaren, indem jedem Punkt der Ist-Form ein Punkt der Soll-Form zugeordnet wird. In der Regel wird dieses Zuordnungsproblem, auch Matching genannt, durch die Nächster-Nachbar-Suche gelöst. Die eigentliche Registrierung erfolgt anschließend durch die Minimierung der Abstände zwischen korrespondierenden Punkten mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate. Die bei der Registrierung berechneten Punktepaare bilden dabei ein Deformationsfeld, was für die Beschreibung und die Visualisierung von Formfehlern verwendet wird.

Abb. 1: System zur Rückfederungsanalyse und -kompensation.

Der Soll-Ist-Vergleich über die üblichen, starren Registrierungsmethoden stellt keineswegs die einzige und insbesondere nicht notwendig die beste Möglichkeit dar. Durch starke, rückfederungsbedingte Deformation des Bauteils kann es bei der Berechnung des Matchings zu fehlerhaften Zuordnungen kommen. In extremen Fällen entsteht oft der Eindruck, dass große Teile oder sogar das gesamte Werkstück einem Fehler unterliegen. Im Rahmen dieses Projektes wurden andere und besser geeignete Verfahren entwickelt, z. B. Maximum Weighted Bipartite Matching, die für Datensätze mit ähnlicher und gleichmäßiger Punkteverteilung ein präzises Deformationsfeld berechnen. Des Weiteren können charakteristische Teilbereiche des Werkstücks mit Hilfe von lokalen Bestfits [2] genauer eingepasst und auf die lokalen Verformungen untersucht werden. Im weiteren Verlauf des Projektes soll der Schwerpunkt der Forschung auf nicht starre und isometrische Registrierungsmethoden gelegt werden, mit deren Hilfe eine präzisere Deformationsanalyse möglich sein soll [3].

Die Einbringung der analysierten Korrekturen in den Fräsprozess geschieht in einem folgenden Prozessabschnitt durch geometrische Manipulation der grundlegenden CAD-Flächen bzw. der NC-Programme, die ebenfalls eine Art der Flächenbeschreibung darstellen. Mit Hilfe einer kontinuierlichen Raumverzerrung (Freiform-Deformation) werden die gewünschten Modifikationen, die durch das vorher berechnete Deformationsfeld definiert sind, auf die CAD/CAM-Daten der Tiefziehwerkzeuge übertragen. Ein großer Vorteil dieser Methode ist, dass die originalen NC-Bahnen direkt verzerrt werden und kein neues CAD-Model generiert werden muss. Dies ermöglicht eine effiziente Fertigung der Werkzeuge ohne den aufwendigen und fehleranfälligen Prozess der Flächenrückführung [4, 5]. Zur Steigerung der Genauigkeit und der Effizienz bei der Berechnung der Freiform-Deformation wurde ein adaptives Verfahren entwickelt, welches den Verzerrungsraum in Abhängigkeit der Approximationsfehler erweitert und reoptimiert [6].

Weiterhin ist es möglich, anhand der generierten Formfehlerbeschreibungen für das Umformen relevante Prozessparameter, wie Niederhaltekraft, Ziehradius oder Tiefziehgeschwindigkeit, zu optimieren. Hierbei dienen die aus den anderen Teilprojekten gewonnen Erkenntnisse über das Verhalten der speziellen Produktionsprozesse als technologische Basis zur Ermittlung der erforderlichen Korrekturen.

Literatur

[1]
Besl, P. J.; McKay, N. D.: A Method for Registration of 3-D Shapes. IEEE Trans. Pattern Analysis and Machine Intelligence 14 (2) (1992) pp. 239-256.
[2]
Biermann, D.; Surmann, T.; Sacharow, A.; Skutella, M.; Theile, M.: Automated analysis of the form error caused by springback in metal sheet forming. In: Proceedings of the 3rd International Conference on Manufacturing Engineering, 1.-3. October 2008, Kallithea of Chalkidiki, Greece, pp. 737-746.
[3]
Sacharow A.; Balzer J.; Biermann D.; Surmann T.: Non-rigid isometric ICP: A practical registration method for the analysis and compensation of form errors in production engineering. Computer-Aided Design, 2011, 43(12), S. 1758-1768.
[4]
Biermann, D.; Sacharow, A.; Surmann, T.: Kompensation von Formfehlern durch Raumverzerrung. In: Tillmann, W. (Hg.): SFB 708 - 3. öffentliches Kolloquium. Dortmund: Praxiswissen (3D-Surface Engineering für Werkzeugsysteme der Blechformteilefertigung), (2009) S. 171–179.
[5]
Biermann, D.; Sacharow, A.; Surmann, T.; Wagner, T.: Direct free-form deformation of NC programs for surface reconstruction and form-error compensation. Production Engineering. Research and Development, 4 (2010) 5, S. 501-507.
[6]
Sacharow, A.; Surmann, T.; Biermann, D.: Adaptive Free-form Deformation for the Modification of CAD/CAM Data. In: ADVCOMP 2011, S. 27-31.

Ansprechpartner