Staudter, Georg (2022)
Berücksichtigung von Toleranzen und Oberflächenangaben zur Pre-Prozesssteuerung STEP-basierter Additiver Fertigung.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00020498
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Einsatzgebiete additiver Fertigungsverfahren erstrecken sich heute über weite Bereiche der industriellen Landschaft. Ungeachtet der letztendlichen Stückzahl eines additiv herzustellenden Bauteils, bleiben die initialen Prozessschritte zur Datenvorbereitung im Pre-Prozess dieselben. Dieser Prozessschritt beeinflusst die Ausprägung der aus dem schichtweisen Aufbau resultierenden verfahrensbedingten Gestaltabweichungen maßgeblich. Eine große Herausforderung besteht darin, die Daten derart vorzubereiten, dass die Fertigung innerhalb der geforderten Toleranzen und Oberflächenangaben sichergestellt ist. Diese Dissertation liefert ein Konzept, um im Prozessschritt der Datenvorbereitung konstruktionsseitig festgelegte Maß-, Form- und Lagetoleranzen sowie Oberflächenangaben automatisiert zu identifizieren, verfahrensbedingte Gestaltabweichungen flächenindividuell zu berechnen, die Bauteilorientierung anzupassen, Nachbearbeitungszugaben vorzusehen und damit die Einhaltung von Toleranzen und Oberflächenangaben zu gewährleisten. Das Vorhaben setzt voraus, dass Toleranzen und Oberflächenangaben rechnerverarbeitbar im Pre-Prozess zur Verfügung stehen. Diese können konstruktionsseitig als Product Manufacturing Information (PMI) dem Geometriemodell angehängt werden, aber gehen bereits bei der Transformation in den de-facto Industriestandard zum Datenaustauschs verloren. Die vorliegende Dissertation stützt sich daher auf den Ansatz einer durchgängigen Prozesskette mit dem Datenformat STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data). Sie liefert ein Konzept, um auf Basis der Repräsentation von PMI die Steuerung der Pre-Prozessschritte Bauteilprüfung und -orientierung zu ermöglichen und nachgelagerte Bearbeitungsschritte durch die automatisierte Beaufschlagung von Aufmaßen in die digitale Prozesskette der Additiven Fertigung zu integrieren. Die Methode zur Berücksichtigung von Toleranzen und Oberflächenangaben bildet den Kern der Dissertation und gliedert sich in die zwei wesentlichen Bestandteile der Identifikation und Integration. Ausgehend von einer nach STEP modellierten geometrischen Repräsentation eines additiv herzustellenden Bauteils werden durch die Identifikationsmethode die in Form von PMI definierten zulässigen Toleranzen und Oberflächenangaben sowie die für eine Fertigbarkeitsanalyse notwendigen Eingangsgrößen bereitgestellt. Die Integrationsmethode sucht und definiert gegebenenfalls das Koordinatensystem für den Druckvorgang in der STEP-Datenstruktur, transformiert es hinsichtlich eines Optimums und beaufschlagt die geometrische Repräsentation einzelner Flächen bedarfsorientiert mit Bearbeitungszugaben. Zur Umsetzung der Methode werden Maß-, Form- und Lagetoleranzen sowie Oberflächenangaben bezüglich ihrer Repräsentation im STEP-Datenmodell analysiert, Möglichkeiten zur Identifikation erarbeitet und die Verknüpfung zu Elementen der geometrisch-topologischen Repräsentation dargelegt. Darauf aufbauend erfolgt die Entwicklung von Algorithmen, die die Anwendung der Methode auf die STEP-Datenstruktur einheitlich umsetzten. Diese werden mit bereits bestehenden Lösungsansätzen zum Gesamtkonzept aggregiert und bilden die Basis für die prototypische Implementierung des Anwendungssystems Additive STEP-PREP (STEP-based PRocEssing of PMI). Additive STEP-PREP unterstützt den Mitarbeiter im Pre-Prozess bei der Berücksichtigung von Toleranzen und Oberflächenangaben und ermöglicht es, anhand der Repräsentation von PMI und geometrischer Elemente im STEP-Datenmodell, deren Herstellbarkeit in der um die Nachbearbeitung erweiterten Prozesskette der Additiven Fertigung zu gewährleisten. Die Implementierung des Konzepts erfolgt in der Programmiersprache MATLAB und wird anhand eines repräsentativen Beispielbauteils aus dem Maschinenbau validiert.

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