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Rechnerunterstützte Auslegung von reversiblen

1. Fr Angrenzendes Bauteil d N O Ne d O cl ep l gt Aufnahme der mech F s 1 Belastungen bis auf Fn Stufe 2 Funktionsprototyp ay AAA Q kontextunabh ngige kontextabh ngige Betrachtunc Betrachtunc Reversibel F gen Abbildung 5 2 MLJ F gekonzept Diese Umwandlung ist umkehrbar so dass der Prototyp durch Austausch einzelner Bauteilschichten modifiziert werden kann Die innere Hilfsgeometrie sorgt in dieser Stufe neben dem Entzug der Freiheitsgrade auch f r die Aufnahme der mechanischen Belastungen mit Ausnahme der Normalkraft Fy Diese kann sowohl kontextunabh ngig als auch kontextabh ngig aufgebracht werden Beim kontextabh ngigen F gen der Bauteilschichten vereinfacht sich der F ge sowie Trennprozess der Bauteilschichten erheblich vgl Abbildung 5 2 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 47 Die Nutzung der inneren Hilfsgeometrie sowohl als F ge als auch als Spanntechnik w hrend der Herstellung der Bauteilschichten stellt eine Schnittstelle zwischen beiden Techniken dar Dieser Umstand f hrt dazu dass bei der Entwicklung des reversiblen F gekonzeptes die sp tere Nutzung als Spanntechnik ber cksichtigt werden
2. positive innere Hilfsgeometrie MLJ Vorrichtungskonzept Aufnahme de Bearbeitungskr fte bis auf Fr Spannen Abbildung 5 3 MLJ Vorrichtungskonzept Mittelpunkt des Vorrichtungskonzeptes ist auch hier die innere Hilfsgeometrie Die Vorrichtung erf llt die Funktion zur Aufnahme der Bauteilschicht und das Festhalten der Schichten w hrend der Bearbeitung In Anlehnung an den Vorrichtungsbau wird das Aufnehmen des Bauteils als Bestimmen bezeichnet bei welchem dem Werkst ck alle sechs Freiheitsgrade f r ein reproduzierbares Aufnehmen in die Vorrichtung entzogen werden m ssen Das nachfolgende Festhalten der Bauteilschicht w hrend der Bearbeitung wird als Spannen bezeichnet Beim Spannen wird die definierte Lage der Bauteilschicht fixiert so dass eine Bearbeitung ohne 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 49 Verrutschen m glich ist Durch das Aufheben der Spannkraft kann nach der Bearbeitung der Bauteilschicht diese durch eine noch unbearbeitete Schicht ausgetauscht werden Wird die innere Hilfsgeometrie ausreichend dimensioniert kann diese die Bearbeitungskr fte aufnehmen und die Spannkraft wird lediglich auf das Aufnehmen der Normalkraft Fy reduziert Die r umliche und funktionale Trennung des Bestimmens und Spannens unter dem Gesichtspunkt der Entwicklung eines
3. Fr ser En bis Schicht n De positive innere Hilfsgeometrie Entzug der 6 Freiheitsgrade positive innere Hilfsgeometrie Aufnahme der Bearbeitungskr fte auf Fn Spannen 50 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 51 Betrachtet man einen Prototypen bereits vor seiner Fertigung im Gesamtkontext des sp teren Einsatzumfeldes so ist es m glich die ohnehin eingesetzte F getechnik f r die Verbindung mit einem angrenzenden Bauteil auch zum F gen des Prototyps bzw zur Aufnahme der Normalkraft Fy zu nutzen Diese Vorgehensweise wird im Folgenden als kontextabh ngiges F gen bezeichnet Die Abbildung 5 5 verdeutlicht das Prinzip beider Betrachtungsweisen in Abh ngigkeit von der Systemgrenze Systemgrenze Bauteilschichten des Prototyps a Systemgrenze bei kontextunabh ngiger Betrachtung Gewinde b Systemgrenze bei kontextabh ngiger Betrachtung Abbildung 5 5 kontextunabh ngige und abh ngige Betrachtungsweise Das entwickelte MLJ F gekonzept wird im weiteren Verlauf der Arbeit zum einen an der in Kapitel 2 vorgestellten Bohrung Zapfen Kombination und zum anderen an einer neuen F getechnik vorgef hrt welche in ihrer Gestalt der Hirth Stirnverzahnung hnelt Die erw hnte Abh ngigkeit zwischen F getechnik und Vorrichtung
4. Bauteilschichten verbinder Fertigungsmittelauswah Fertigungskontrolle reversibe ER RT GE 7 7 2 7 52 non 5 A 7 g G 7 Z S i i j y GG 5 L z A E A e o E Fr sen Dreher en NC Programmierung Schnittstelle en Datentechnische Ausf hrung A L Bauteilzerlegung F getechnik 1 CAC Model MLJ F gekonzept Ni 1 F getechnik Anwendung bereich Festigkeits nachweis Festigkeits nachweis MLJ F Festigkeits nachweis bereict F Th F getechnik CAL Model konzept Nr 2 F getechnil Erzeugung der inneren Hilfsgeometrie Erzeugung des Rohmaterials j N Festigkeits nachweis Festigkeits nachweis Anwendungs Datenfluss Informationsfluss Abbildung 5 1 Architektur des Gesamtkonzeptes CAL Modell F getechnik X N Festigkeits nachweis MLJ F gekonzept Nr X F getechnik S Festigkeits nachweis EES Anwendung bereich Prozessfluss Die Erzeugung der inneren Hilfsgeometrie der datentechnischen Ausf hrung wird um die rechnerunterst tzte Auslegung erg nzt Die Nutzung der rechnerunterst tzten Auslegung erfolgt unmittelbar in der CAD Umgebung F r die Auslegung ist es erforderlich die Geometrie und den Festigkeitsnachweis der jeweiligen
5. Bauteilschicht A zentraler Pressverband mittels berma h lse Bauteilschicht B Abbildung 5 6 Zentraler Pressverband zum kontextunabh ngigen F gen Eine andere M glichkeit des F gens besteht darin die Normalkraft F kontextabh ngig aufzubringen Bauteilschicht A Wellenende angrenzendes Bautei Schraubverbindung Bauteilschicht E Abbildung 5 7 Schraubverbindung zum kontextabh ngigen F gen 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 59 Die Abbildung 5 7 zeigt eine im Maschinenbau oft vorkommende Schraubverbindung zum Verbinden von Bauteilen Der Vorteil besteht darin dass eine ohnehin vorhandene F getechnik zum Verbinden des Prototyps mit einem angrenzenden Bauteil auch zum Aufbringen der Normalkraft F verwendet werden kann Eine separate F getechnik wie beim kontext n unabh ngigen F gen ist nicht notwendig Da es sich bei der verwendeten Schraubverbindung um eine reversible F getechnik handelt kann der Prototyp durch L sen der Verbindung getrennt werden Dies erm glicht ein problemloses Modifizieren des Prototyps durch Austausch einzelner Bauteilschichten 5 2 1 2 Festigkeitsbetrachtung Die Bohrung Zapfen Kombination ist in der Lage Querkraft und Torsionsbelastungen in der Trennebene zu bertragen Der Zusammenhalt der einzelnen Bauteilschichten wird durch eine kontextunabh ngige bzw abh ngige F
6. Age ih iin et a Lara l Deep SA CHA RE Ze RU GKRSC Ha dad ame Vi Ba Vi fe es a B A L ih Kl kl gx dl K Mirm Gem Uras lre Af Esee keri Ahaa Fenr Fam ez Sgchre Forms Bohrung iera Erme epi Bee 5 tem z e Frei sperei Hi OETA ELEA OUR E Boa ame E 8 A AB DS AA SS RE 8 Fee da hin rl pe an vr ben ie si me dm eg gtt samiem ES SG Ee zbat ter perre e sehr E Meigas Bahia Schicht A To ha i kr SolidWorks ebe Fditae Hur f r Lehrzweecke Baugzuppei OR Ge Bricim Anm Dr ien bre Peame Hie beat 235 r DEE aA tt van da de dad ade i gp ss e HU 4 e E pe U A G 0 Fang Seen Coen Kongoi Geen dei eer Yerini Lano Keen fr teboerdg Extpkaaie k eier fesre Gem en amii ner Lri echka Festeten verbe heien vabedu Schicht Probsek rsems _ F E EESTE D eure Schicht E Trennlinie Abbildung 6 21 Anwendungsvariante Prismen Verzahnung mit Fr serauslauf 6 Exemplarische Verifikation 146 F r das kontextunabh ngige F gen mittels einer zentralen Schraubverbindung wird die Schicht A mit einer Gewindebohrung und die Schicht B mit einer Durchgangsbohrung versehen Hierf r wird wie im ersten Beispiel der Bohrungsassistent von SobdWorks verwendet F r die fertigungstechnische Ausf hrung werden aus den CAD Modellen beider Schichten die NC Codes mittels CAM Works ab
7. Herstellern zur ckzugreifen und fertige Exzenter Spannsysteme zu verwenden Diese verf gen neben hochfesten Materialen ber geh rtete Kontaktfl chen zur Minimierung des Verschlei es F r die Vorrichtung wird das Exzenter Spannsystem Aluf x der Firma Witte verwendet Nachteilig bei einem solchen System sind der geringe Schwenkwinkel des Exzenters und die geringe Hubh he Es ist darauf zu achten dass der Exzenter selbsthemmend ist und bei der geringen Hubh he der Schwenkwinkel voll ausgenutzt wird Dadurch wird sichergestellt dass die maximale Vorspannkraft F erreicht und aufrechterhalten wird 17 Da seitens des Herstellers keine Angaben zur maximalen Spannkraft des Exzenter Spannsystems vorliegen wurde f r das verwendete System 16 mit Hilfe eines Kraftaufnehmers vom Typ Hottinger U 9A und einem Messverst rker vom Typ Hottinger KWS 3082 eine Exzenterspannkraft von 3200N ermittelt Die Forderung von der Lage der Vorrichtung auf die Lage der Bauteilschicht zu schlie en wird durch die Verwendung eines Referenzk rpers mit Prismenverzahnung realisiert Zur Positionsbestimmung wird dieser auf die Vorrichtung gesetzt und die Lage mit Hilfe eines 3D Tasters der Fr smaschine bestimmt Dazu wird die umlaufende Kante des Referenzk rpers entlang der x und der z Achse angefahren Dabei werden jeweils zwei Messpunkte x x und Su g aufgenommen und daraus je eine Mittellinie errechnet Der Schnittpunkt beider Mittelli
8. bergangs von Bauteilschicht zu Bauteilschicht ist nicht durchf hrbar Ist der Prototyp einmal gef gt so ist ein Trennen oft nicht m glich So ist es z B denkbar dass aufgrund von Freiformfl chen keine u eren Zugkr fte am Prototyp aufgebracht werden k nnen Eine andere M glichkeit besteht darin dass ein Trennen zur Zerst rung des Prototyps bzw einzelner Bauteilschichten f hren k nnte Auch ein Durchdr cken des Pressverbandes ist nicht m glich da dieser im inneren des Prototyps angeordnet und daher von au en nicht zug nglich ist Unter der Voraussetzung der beschriebenen Umst nden ist das F gen mittels Bohrung Zapfen 2 Stand der Technik 32 Kombination als irreversibel einzustufen Im Falle eines unerkannten Grates in der Schnittebene h tte dies die Erstellung eines neuen Prototyps zur Folge was mit Zeit und Kosten verbunden w re Ferner verhindert die Irreversibilit t eine Modifizierung des Prototyps durch Austauschen einzelner Bauteilschichten nderungen an einem Prototyp haben meistens eine Neuerstellung zur Folge In der Praxis hat sich daher die Nutzung der Bohrung Zapfen Kombination zum F gen der Bauteilschichten als problematisch erwiesen 2 5 Fazit Grunds tzlich ist die Prototypenherstellung mittels des MLJ Verfahrens m glich Jedoch ergeben sich bei einer genauen Analyse des gesamten Herstellungsprozesses Schwachstellen welche ein erhebliches Verbesserungspotenzial aufweisen Im Folg
9. Prismenverzahnung die Bohrung f r die zentrale Spannschraube vorgesehen ist Eine einfache Zahngeometrie erm glicht die Herstellung der Zahnflanken mittels eines Trapez Fr sers Das hat den Vorteil dass die Geometrie des Fr sers zur Flankenausbildung der Prismenverzahnung genutzt werden kann was zu einer Erh hung des Fl chentraganteils f hrt 9 2 2 2 Festigkeitsbetrachtung Da die Prismenverzahnung der Hirth Stirnverzahnung hnelt k nnen f r einen berschl gigen Festigkeitsnachweis die Grund berlegungen zur Auslegung der Hirth Stirnverzahnung nach Bunge 20 herangezogen werden Diese besch ftigten sich im Wesentlichen mit dem Tragfestigkeitsnachweis gegen Erm dungsbruch im Zahnfu Der Grund daf r ist dass bedingt durch die hohe Z hnezahl zum einen die Zahnfu fl che kleiner als die Zahnflankenfl che ist weswegen diese den gef hrdeten Querschnitt darstellt und weil zum anderen die Z hne auf 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen ZA Biegung beansprucht werden F r den berschl gigen Festigkeitsnachweis werden im Wesentlichen nur die mechanischen Grund berlegungen herangezogen Zur bertragung von mechanischen Belastungen ist die F getechnik vorzuspannen Das Vorspannen verhindert das Abheben von unbelasteten Zahnflanken und somit ein Auseinander gleiten der Verzahnung Weiterhin tr gt das Vorspannen zu einer Erh hung des Traganteils be
10. Aus diesem Grund sieht das entwickelte MLJ Vorrichtungskonzept grunds tzlich die M glichkeit vor von der Position der Vorrichtung auf die Position der Schicht schlie en zu k nnen Unter Ber cksichtigung der in Kapitel 5 2 1 3 beschriebenen geometrischen Eigenschaften der 6 Exemplarische Verifikation 132 Teilspannbuchsen kann die Position des fixen Spannbuchsenpaares mittels des 3D Tasters bestimmt werden Die Abbildung 6 8 zeigt die entwickelte Vorrichtung mit dem beweglichen und dem fixen Spannbuchsenpaar Werden die Spannbuchsenpaare f r die Fertigung neu hergestellt so er brigt sich die Positionsbestimmung des fixen Spannbuchsenpaares f r den nachfolgenden Bearbeitungsschtritt da beim Einbringen der Bohrungen die Koordinaten gespeichert und wieder verwendet werden k nnen Erst wenn die Position des Schraubstocks oder des fixen Spannbuchsenpaares ver ndert wird ist eine neue Lagebestimmung mittels des 3D Tasters notwendig ke mg oa 3LC Taster E bewegliches Spannbuchsenpaar Vorrichtunc Spannbuchsenp on et Ki D E TTT sii k Ta D TEE a e A Befestigungsschraube Abbildung 6 8 Einmessen der Vorrichtung zur Aufnahme der Schicht Beim Einbringen der Bohrungen in die Spannbuchsenpaare ist darauf zu achten dass ein Spalt von 0 1mm 0 2mm f r den Spannbereich ber cksichtigt wird vgl Kapitel 5 2 1 3 Das Einstellen des Spaltes kann mit Hilfe einer Lehre vorgenommen werden In der
11. Gerade die Funktionsprototypen werden mittels Tests auf ihre Tauglichkeit hin berpr ft Die Auswertung der Testergebnisse kann mitunter zu nderungen am Funktionsprototyp f hren Um eine vollst ndige Neuerstellung eines Prototyps zu vermeiden und damit Zeit und Kosten einzusparen ist es sinnvoll einzelne Bauteilschichten auszuwechseln und damit den Prototyp zu modifizieren und an die neuen Gegebenheiten anzupassen Durch die Verwendung der Bohrung Zapfen Kombination als F getechnik ist dies jedoch aufgrund der meist vorliegenden Irreversibilit t nicht m glich und deshalb ist h ufig eine zeit und kostenintensive Neuerstellung des Prototyps erforderlich F r die Modifizierbarkeit von Prototypen durch den Austausch einzelner Bauteilschichten ist unbedingt eine reversible F getechnik notwendig Ein weiterer Aspekt die F getechnik reversibel zu gestalten liegt in der Herstellungs charakteristik des MLJ Verfahrens selbst begr ndet Das Verfahren ist durch das Herstellen einzelner Bauteilschichten sowie das anschlie ende F gen dieser Schichten gekennzeichnet Der separate F geprozess sowie die Nutzung der F getechnik zum Spannen der Bauteilschichten w hrend der Bearbeitung stellt das Verfahren in diesem Bereich vor Probleme vgl Kapitel 2 3 2 2 4 1 und 2 4 2 Diese Schwierigkeiten in der Herstellungscharakteristik k nnen aber auch zum Vorteil genutzt werden da der aus diskreten einzelnen Bauteilschi
12. Um den Grad der Flexibilit t zu erh hen kann die Orientierung der Prismenverzahnung um die Referenzachse durch Angabe eines Drehwinkels vorgegeben werden Dazu wird eine Offset Parallel im Abstand x zu einem bereits bestehenden Element z B Fl che Ebene 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 93 Verzahnungs Bezugsebene definiert welche die Position eines Prismenzahnes auf der TIrennebene angibt und senkrecht darauf steht Durch die Eingabe eines Winkels wird die Verzahnungs Bezugsebene um die Referenzachse gedreht Die Abbildung 5 38 verdeutlich den beschriebenen Sachverhalt an einem einfachen Beispiel eines kreiszylindrischen K rpers mit einer Trennebene Verzahnungs Bezugsebene Drehwinke Position eines Prismenzahnes Orientierung der Prismenverzahnunc DT um die Referenzachse Referenzfl che ke sl CG B Bauteilfl che A e Prismenzahn CR E C Trennebene H Se Offset der Referenzfl che y Referenzachse Schniti bzw Positionspunki Position der Prismenverzahnung auf de Trennebene Abbildung 5 38 Positionierung der Prismenverzahnung Zu erkennen ist die Trennebene welche in einem definierten Abstand der angegebenen Schnitttiefe parallel Offset zur Referenzfl che liegt Der Schnittpunkt zwischen Referenzachse und Trennebene ergibt die Position der Prismenverzahnung auf der
13. bungsbuch 1 Auflage 2000 Vieweg Verlag 2000 Tabellenwerk Verlag Stahleisen 1982 Skriptum Universit t Duisburg Essen 2003 Skriptum Universit t Duisburg Essen 2003 2004 Bedienungs und Wartungsanleitung Ausgabe 1 77 LEBENSLAUF Name Geboren Familienstand Staatsangeh rigkeit Schulausbildung 08 1985 07 1991 Berufsausbildung 09 1991 06 1994 Zivildienst 08 1994 08 1995 Schulausbildung 08 1995 06 1996 Studium 08 1996 02 2000 02 2000 06 2003 Nebent tigkeit 10 2005 08 2007 Berufst tigkeit 07 2003 09 2007 10 2007 heute Jens Standke 16 09 1974 in Mettmann ledig deutsch St dtische Realschule Mettmann Ausbildung zum Automobilmechaniker bei der Mercedes Benz AG D sseldorf 3 Hausmeistert tigkeit im Caritas Altenstift Mettmann St dtische Franz J rgens Kollegschule D sseldorf Schulabschluss Fachhochschulreife Fachhochschule D sseldorf Maschinenbau mit Studienrichtung Fertigungstechnik Studienabschluss Dipl Ing FH Universit t Duisburg Essen Maschinenbau mit Studienrichtung Allgemeiner Maschinenbau Studienabschluss Dipl Ing Fachhochschule Dortmund Lehrbeauftragter f r CAD Universit t Duisburg Essen Lehrstuhl f r Produktionstechnologie und Produktentwicklung Duisburg Wissenschaftlicher Mitarbeiter Siemens Product Lifecycle Management Software GmbH K ln Implementation Consultant
14. erweitert sich die Funktionalit t der Bohrung Zapfen Kombination dahingehend dass sie mechanische Belastungen aufnehmen kann Durch diese F higkeit ist sie in der Lage einen Gro teil der Aufgaben einer F getechnik wahrzunehmen wodurch die Positioniertechnik den Charakter einer F getechnik erh lt funktionale Trennung Lediglich die Aufnahme der Normalkraft F w hrend der Bauteilbearbeitung wird durch die Vorrichtung realisiert welche speziell auf die Bohrung Zapfen Kombination unter Ber cksichtigung der Anforderungen aus Kapitel 3 abzustimmen ist Das kontextunabh ngige und abh ngige F gen dient zum gezielten Aufbringen der Normalkraft F welche den Zusammenhalt der einzelnen Bauteilschichten untereinander gew hrleistet W hrend beim kontextabh ngigen F gen die F getechnik bereits vorliegt so kann sie bei der kontextunabh ngigen Betrachtungsweise praktisch frei gew hlt werden Um der Forderung nach einer Modifizierbarkeit des Prototyps durch Austausch einzelner Schichten gerecht zu werden muss diese von au en zug nglich und grunds tzlich reversibel sein was die freie Auswahl wiederum einschr nkt Als Beispiel hierf r sei ein zentraler Pressverband genannt 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 54 der in der gezeigten Abbildung 5 6 von au en zug nglich und durch Ausbohren oder Durchdr cken der berma h lse grunds tzlich reversibel ist
15. gedachte Rotationsachse Abbildung 2 4 a Bauteil in Rahmenstruktur b Maschinentisch mit Spannstiften 4 Das Herausl sen der Schichten aus der Rahmenstruktur ist mit den gleichen Problemen verbunden wie bei dem Konzept von Stratoconception Mallt bietet hingegen eine Reihe von Fr sstrategien sowie die Nutzung verschiedener Fr sertypen an wodurch grunds tzlich bessere Oberfl chenqualit ten erreichbar sind Darauf aufbauend wurde von Assmann 4 ein neues Konzept f r die Prototypenfertigung mittels Fr sen entwickelt welches ebenfalls auf der Schichtfr stechnologie basiert Es unterscheidet sich im Wesentlichen durch zwei Eigenschaften 1 innere statt u ere Hilfsgeometrien 2 innere Hilfsgeometrie ist zugleich F ge als auch Spanntechnik 2 Stand der Technik 10 Die u ere Hilfsgeometrie Stege wurde nach innen auf die Schnittfl che der Schichten verlegt Dadurch entf llt zum einen ein aufwendiges manuelles Nacharbeiten Finishing der Schichtgeometrie und zum anderen wird der Materialverbrauch deutlich gesenkt Neben der Nutzung der inneren Hilfsgeometrie als Spanntechnik zum Fixieren der Bauteilschicht w hrend der Fr sbearbeitung wird diese zudem als F getechnik zum Verbinden der Schichten genutzt Diese Vorgehensweise erfordert eine Auslegung der inneren Hilfsgeometrie sowohl anhand der auftretenden Zerspan als auch der auftretenden Betriebskr fte In einer weiterf hrenden Arbeit von Lobeck 3 wurde ein
16. zwingend erforderlich sind kann dies zu Bohrung Zapfen Kombinationen f hren welche nicht zusammen geschoben werden k nnen Diesem Sachverhalt kann nur durch die Wahl einer gr eren Spielpassung zur Kompensation der Positioniergenauigkeit Al entgegen gewirkt werden wodurch die Positionierung mittels Bohrung Zapfen Kombinationen als suboptimal einzustufen ist 2 Stand der Technik 30 2 4 2 Bauteilschichten f gen Soll ein F geprozess durch die Nutzung der Bohrung Zapfen Kombination realisiert werden so ist dies bereits in der datentechnischen Ausf hrung zu ber cksichtigen Die Bohrung Zapfen Kombination ist dann im Gegensatz zu den Ausf hrungen in Kapitel 2 4 1 als Pressverband zu gestalten vgl Abbildung 2 21 indem die Zapfen mit einem U berma gegen ber den Bohrungen versehen werden Bauteilschicht 1 mit negativ ausgepr gter Hilfsgeometrie _ Druckkr fte Fressverbanc Bauteilschich 2 mit positi ausgepr gter Hilfsgeometrie Abbildung 2 21 a Bohrung Zapfen Kombination als Pressverband b gef gter Zustand Damit die Luft aus dem Pressverband w hrend des F gevorganges entweichen und die Bauteilschichten ganz zusammengedr ckt werden k nnen sind die Zapfen mit gegen ber liegenden Fasen zu versehen vgl Abbildung 2 22 Dadurch kommt es zu einer Minimierung der Kontaktfl che und damit zu einer verminderten bertragbaren Betriebskraft Fase Kontaktfl che Kontaktfl che Fase Abbildung 2 22 Z
17. Alternativ dazu besteht die M glichkeit mittels einer Vakuumspanntechnik die Platte auf dem Maschinentisch zu fixieren F r eine ausreichend gro e Spannwirkung m ssen die Schichten jedoch einen Mindestdurchmesser aufweisen 4 Je nach den verwendeten Materialen werden einzelne Schichten mittels kleiner Stege u ere Hilfsgeometrien mit der Platte verbunden Diese dienen der besseren Fixierung und es kann mit h heren Zerspankr ften gearbeitet werden Die Stege werden zusammen mit der Schicht aus der Platte herausgearbeitet Nach der Herstellung m ssen die Schichten jedoch aus der Platte herausgel st werden was mit einem erheblichen manuellen Aufwand verbunden ist 1 Hinzu kommt dass die Stege mit der Schichtgeometrie eine Einheit bilden so dass ein manuelles Entfernen zu nicht reproduzierbaren Ergebnissen in der Bauteilgeometrie und in der Oberfl chenqualit t f hrt Dieser Umstand wird gerade im Hinblick auf das Entfernen von Stegen an Freiformfl chen deutlich 4 2 Stand der Technik 8 Zum F gen der Schichten werden diese ber die Bohrungen mittels der F hrungsstangen positioniert verklebt und verpresst 1 Die Verwendung eines Klebstoffes zum F gen der Schichten zieht automatisch Nachteile in der mechanischen Belastbarkeit mit sich Klebstoffe gelten allgemeinhin f r die Aufnahme von Biege und Sch lkr ften als weniger geeignet 6 Gerade im Hinblick auf die Erstellung von Funktionsprototypen kann dies zu Problemen
18. Bearbeitungsrichtung sichergestellt ohne dass das Fr swerkzeug mit dem Maschinenschraubstock kollidiert Die Abbildung 6 35 zeigt zwei Herstellungsstadien des Segmentes 4 Im Endstadium sind deutlich die Prismen Verzahnung die Durchgangsbohrung und die Gewindebohrung zu erkennen Die Durchgangsbohrung wird ben tigt f r das sp tere F gen mit dem Segment 5 Grundzapfen mit Passfedernut und die Gewindebohrung f r das F gen mit dem Segment 3 Hubzapfen und Segment 2 Kurbelwange 1 Maschinenschra bsteck Durchgangsbohrunc Segment 4 Abbildung 6 35 1 Fertigungsschritt Herstellung des Segmentes 4 mittels Fr sen Nach der Beendigung des ersten Fertigungsschrittes wird das Umspannen des Segmentes und die Bearbeitung aus der Richtung der bisher zum Maschinentisch zugewanden Seite vorgenommen Das Aufspannen geschieht mittels der Prismenverzahnung und der daf r speziell entwickelten Vorrichtung vgl Kapitel 6 2 Demnach ist auch hier eine Positionsbestimmung der Vorrichtung mittels Referenzk rper und 3D Taster f r die CNC Steuerung der Fr smaschine erforderlich vgl Abbildung 5 36 Die Abbildung 6 36 zeigt das Anfangs und Endstadium des zweiten und letzten Fertigungsschrittes Im Gegensatz zu dem in Kapitel 6 2 gezeigten komplexen Probek rper Schicht A besitzt das Segment 4 eine Durchgangsbohrung f r die Prismen Verzahnung Deshalb ist es m glich das Segment direkt von oben mit der Vorrichtung zu verschrauben 6
19. Beispiel auf der Verifizierung der fertigungstechnischen Ausf hrung 6 Exemplarische Verifikation 126 6 1 1 Datentechnische Ausf hrung F r die fr stechnische Fertigung von Bauteilen ist es notwendig dass der Fr ser jeden Punkt auf der herzustellenden Kontur erreichen kann vgl Kapitel 2 2 1 Am Beispiel des komplexen Probek rpers ist dies nicht gegeben Der Grund daf r liegt in einer Kollision zwischen Fr ser und Probek rper bzw der Fl gelgeometrie Die Abbildung 6 2 verdeutlicht diesen Sachverhalt anhand einer Kollisionspr fung wie sie innerhalb einer CAD Baugruppe mittels der Interferenzpr fung manuell oder auch automatisiert durchgef hrt werden kann vgl Kapitel 2 2 1 Fr ser mavimale Bearbeitunastiefe Abbildung 6 2 Kollisionspr fung zwischen Fr ser und komplexen Probek rper Das Ergebnis der Kollisionspr fung ist die maximale Bearbeitungstiefe in der der Probek rper durchgeschnitten wird Dabei ist zu ber cksichtigen dass diese von der Geometrie des gew hlten Bearbeitungswerkzeugs wie z B dem Durchmesser und der Bearbeitungsl nge abh ngt vgl Kapitel 2 2 1 Der in Abbildung 6 2 gezeigte Fr ser besitzt einen Durchmesser von Amm und eine Bearbeitungsl nge von 50mm Bei einer Minimierung des Durchmessers w rde die maximale Bearbeitungstiefe zwar zunehmen eine Kollision w re jedoch auch dann nicht vermeidbar Weiterhin ist zu beachten dass eine gr ere Bearbeitungstiefe meist eine
20. Exemplarische Verifikation 159 Q K hlmittelzufuhr N Innensechskantschraube Fr ser i erame ooo R i T Gei e u E WW Pk P i Se Zee ege BE ETA E Segmeni 4 Vorrichtung Abbildung 6 36 2 Fertigungsschritt Herstellung des Segmentes 4 mittels Fr sen Die Herstellung von Segment 5 gliedert sich wie Segment 4 in zwei Fertigungsschritte Im Falle der vorliegenden Geometrie dient der erste Fertigungsschritt lediglich zum Herausarbeiten der Prismen Verzahnung welche zur sp teren Aufnahme in die Drehmaschine und als F getechnik mit Segment 4 dient F r die Herstellung von Segment 5 wird Rundmaterial verwendet welches in den Maschinenschraubstock ber eine prismatische und eine Standardspannbacke aufgenommen wird vgl Abbildung 6 37 Eb A Trapezfr ser Prismen Elankermwipnke GC Verzahnung i Flankenwinke GC Abbildung 6 37 1 Fertigungsschritt Herstellung der Prismen Verzahnung Die Nutzung einer prismatischen Spannbacke ist erforderlich um einen sicheren Halt im Maschinenschraubstock zu gew hrleisteten Die Abbildung 6 37 zeigt weiterhin die fertiggestellte 6 Exemplarische Verifikation 160 Prismen Verzahnung Zur dessen fr stechnischen Herstellung wurde ein Trapezfr ser Formfr ser verwendet Der Flankenwinkel des Fr sers von 60 entspricht dabei dem Flankenwinkel der Prismen Verzahnung Dadurch kann weitestgehend ein Treppenstufeneffekt verhindert werden wie er beispielsweise bei der Verwen
21. F getechnik zu kennen Dazu werden die in der wissenschaftlichen Ausf hrung hinterlegten Informationen in eine Knowledge Base berf hrt 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 45 Die berf hrung beinhaltet die datentechnische Umsetzung der F getechnikgeometrie in ein CAD Modell und die des Festigkeitsnachweises in Form eines Berechnungsalgorithmus Bei der Auswahl einer F getechnik aus der Knowledge Base wird auf den dazugeh rigen Festigkeits nachweis und auf das dazugeh rige CAD Modell zugegriffen Eine Kopplung zwischen beiden erm glicht einen Informationsaustausch bei dem Geometriedaten ausgetauscht werden Das hat zur Folge dass zus tzlich zur rechnerunterst tzten Auslegung die Ergebnisse des Festigkeitsnachweises automatisch auf das CAD Modell referenziert werden k nnen wodurch der Grad der Automatisierung nochmals gesteigert wird Die fertigungstechnische Ausf hrung wird in den Bereichen zweiscitige Bauteilbearbeitung Bauteilschichten positionieren und Bauteilschichten verbinden modifiziert bzw erweitert Dabei sollen die Bereiche Bauteilschichten positionieren und Bauteilschichten verbinden f r jede MLJ F geteschnik den neuen Anforderungen einer Fertigsungskontrolle sowie dem reversiblen Verbinden von Bauteilschichten gerecht werden Der Bereich der zweiseitigen Bauteilbearbeitung wird dagegen nur f r speziell erarbeitete
22. GEN MSS ET feste Teilspannbuchse Zapfer K rperkante Symmetrielinie Abbildung 5 16 Spannbuchse Draufsicht a Bohrungspositionierung b Spannprinzip 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 64 Dieser Spalt stellt beim Aufnehmen des Zapfens in die Spannbuchse den sp teren Spannbereich dar In der Praxis hat sich ein Spalt bzw Spannbereich von 0 1mm 0 2mm als ausreichend erwiesen vgl Abbildung 5 16b F r eine eindeutige Lagebestimmung des Zapfens der Bauteilschicht in der Vorrichtung ist es zweckm ig den Bohrungsmittelpunkt bzw die Symmetrielinie der Bohrung auf die K rperkante der festen Teilspannbuchse zu legen Dadurch kann zum einen die Position der Bohrung beim Einmessen der Vorrichtung in der Fr smaschine wieder gefunden und als Referenzpunkt f r die Bauteilbearbeitung genutzt werden Zum anderen fallen bei gleich gro en Bohrungs und Zapfendurchmessern die Symmetrielinien beider Elemente zusammen wodurch die Position des Zapfens eindeutig bestimmt wird F r eine vollst ndige Lagebestimmung der gesamten Bauteilschicht sind jedoch in der Summe sechs Freiheitsgrade zu entziehen Dazu ist es notwendig dass die Vorrichtung ber Bestimmfl chen verf gt Die Abbildung 5 17 zeigt die f r eine eindeutige Lagebestimmung notwendigen Vorrichtungsbestimmfl chen Vorrichtungsbestimmfl che K rperkante Symmettr
23. Praxis hat sich auch die Verwendung eines Blatt Papiers als ausreichend genau herausgestellt Der Spalt sollte nicht zu gro gew hlt werden da dies zu plastischen Verformungen an den Zapfen f hren kann Bei dem in der datentechnischen Ausf hrung gew hlten Spiel von 0 1mm zwischen Zapfen und Bohrungen k nnte dies dazu f hren dass die Schichten im Anschluss an die Fertigung nicht mehr gef gt werden k nnen Zudem sollten plastische Verformungen grunds tzlich vermieden werden 6 Exemplarische Verifikation 133 Im Anschluss daran wird die letzte Bearbeitung der Schicht A aus der Richtung der Oberseite durchgef hrt Die Abbildung 6 9 zeigt dazu das Anfangs und Endstadium des zweiten Fertigungsschrittes Deutlich zu erkennen sind die im Vorfeld f r den ersten Fertigungsschritt hergestellten parallelen Spannfl chen 1 Schicht A Maschinen e ler Befestigungsschraube f r Teilspannbuchse Vorrichtung Abbildung 6 9 2 Fertigungsschritt Herstellung von Schicht A aus der Richtung der Oberseite Die Abbildung 6 10 zeigt die fertig hergestellten Schichten des komplexen Probek rpers Neben den Bohrungen und Zapfen ist die Durchgangsbohrung an Schicht B zum kontextunabh ngigen F gen vgl Kapitel 5 2 zu erkennen Im Gegenzug dazu besitzt die Schicht A passend die Gewindebohrung vgl Abbildung 6 7 Schicht A Schicht E Er en ces ba gt k Gd Eat e ze Zeie K ki Ze d d gt Le o H sw Zeen e e r e D
24. Referenzachse mit der Methode FeatureCirPattern ausgef hrt vgl Abbildung 5 59 Referenzachse Zahnl cke gemustert Zahnl cke gemustert Zahnl cke Abbildung 5 59 Muster der Zahnl cke um die Referenzachse 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 120 Die Abbildung 5 60 zeigt den dazugeh rigen Quelltextausschnitt Neben der bereits mehrfach verwendeten Methode zur Selektion von Elementen ist auch der Zugriff auf das MSFFelxGird MSFTabelle dargestellt in der die Referenzachse f r die Selektion hinterlegt ist blau gekennzeichnet Mustern boolstatus Part Extension SelectByID Zahnl cke_spiegelr amp Schnitl Nr amp Akt_col BODYFEATURE 0 0 0 False 4 _ Nothing boolstatus Part Extension SelectBylD Steuermenue MSF Tabelle TextMatrix Z Akt_col AXIS 0 0 0 True 1 Nothing boolstatus Part Extension SelectByID Zahnl cke halb amp Schniti Nr _ amp Akt_col BODYFEATURE 0 0 0 True 4 Nothing Part FeatureCirPattern CInt Steuermenue MSFTabelle TextMatrix d Ak Col 2 Pi Cint Steuermenue MSFTabelle TextMatrix 4 Akt_col False NULL Set FaceZ Part FeatureByPositionReverse 0 namen_doppel_suchen die anderen Z hne amp Schniti Nr amp Akl_col FaceZ name die anderen Z hne amp Schniti Nr amp Ak co Abbildung 5 60 Quelltextausschnitt zum Mustern Im zweiten S
25. Verlag 1998 Handbuch Auflage 2005 2006 Carl Hanser Verlag 2005 Betriebsanleitung 2000 Handbuch 3 ver nderte Auflage Herdt Verlags 2001 Fachbuch 13 Auflage Springer Verlag 2005 9 Literaturverzeichnis 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Dumke R VDI Gesellschaft Werkstofftechnik Muhs D Wittel H Jannasch D Vo iek J Sauer B Wissussek D Mauri H Fronober M Hennig W Thiel H Wiebach H Niemann G Hartmann T Bunge T Stracke H J SolidWorks Corp Software Engineering F getechniken im Vergleich Werkstoff Konstruktion Fertigung Roloff Matek Maschinenelemente Steinhilper R per Maschinen und Konstruktionselemente 2 Konstruktionslehre IV Grundlagen des Methodischen Konstruierens Fertigung und Betrieb Vorrichtungen I Vorrichtungen Gestalten Bemessen Bewerten Maschinenelemente I Entwicklung und Anwendung einer modifizierten Stirn Hirth Verzahnung f r den Einsatz im Prototypenbau Tragf higkeit von Plankerbverzahnungen CADH SolidWorks 2001 User s Guide 172 Fachbuch 3 berarbeitete Auflage Vieweg Verlag 2001 Tagung Baden Baden VDI Verlag 1991 Fachbuch 16 berarbeitete Auflage Vieweg Verlag 2003 Fachbuch 4 Auflage Springer Verlag 2000 Skriptum Universit t Duisburg Essen 2003 Fachbuc
26. Vorrichtungskonzeptes erf llt bei genauerer Analyse den Charakter eines tempor ren reversiblen F geprozesses Durch die enge Verzahnung zwischen F ge und Vorrichtungskonzept ist es daher m glich von einem Konzept auf das andere und umgekehrt zu schlie en So kann z B der gesamte Erfahrungsschatz im Vorrichtungsbau bei der Konstruktion der inneren Hilfsgeometrie dahingehend helfen dass bereits bekannte Bestimm elemente wie z B Prismen f r den systematischen und reproduzierbaren Entzug von Freiheitsgraden verwendet werden Die entwickelte Hilfsgeometrie im Vorrichtungskonzept bildet dann im F gekonzept automatisch die Positioniertechnik Die Abbildung 5 4 verdeutlich durch eine Gegen berstellung beider Konzepte die vorhandenen Analogien Das Aufbringen der Normalkraft Fy zum Verbinden der Bauteilschichten kann sowohl kontextunabh ngig als auch abh ngig erfolgen Diese M glichkeit ist vor allem dann von gro em Nutzen wenn das Einsatzumfeld des Funktionsprototyps ber cksichtigt wird Bei der Betrachtung der Bohrung Zapfen Kombination wird deutlich dass sie sich nur auf den zu f genden Prototyp bezieht und das sp tere Einsatzumfeld dabei v llig unber cksichtigt bleibt Die Bohrung Zapfen Kombination ist in diesem Zusammenhang als kontextunabh ngige F getechnik anzusehen Dies f hrt dazu dass bei dieser Art der Betrachtung die Prototypen grunds tzlich ber eine eigene F getechnik zum Verbinden
27. Z hnezahl kompensiert wodurch die Hirth Verzahnung h here mechanische Belastungen aufnehmen kann bliche Z hnezahlen sind 12 24 36 48 72 96 etc 18 Damit geht jedoch eine berbestimmung der Verzahnung einher welcher nur durch eine hohe Fertigungsgenauigkeit der einzelnen Z hne entgegen gewirkt werden kann Die Firma Tedisa stellt deshalb die Verzahnung nur durch Schleifen her w hrend die Firma Lomp Turbo die Verfahren Fr sen und Schleifen kombiniert 19 Bei der Betrachtung der Prismenverzahnung wird deutlich dass dort nur die Mittellinien der Flankenfl chen auf den Mittelpunkt zulaufen Das hat den Vorteil dass Zahnf e und Zahnk pfe auf dem gleichen Niveau gehalten werden k nnen was eine konstante Zahnflankenfl che zur Folge hat vgl Abbildung 5 24 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 13 Mittellinie der Flankenfl che Zahnflanke Bohrung f r zentrale EEE P P o S gt Spannschraube ahnkopi A li rj r J li T r Abbildung 5 24 Draufsicht Prismenverzahnung F r eine bertragung von mechanischen Belastungen steht somit eine gr ere Zahnflankenfl che pro Zahn zur Verf gung hnlich wie bei der Hirth Stirnverzahnung kommt es zum Mittelpunkt hin zu einer berschneidung der Z hne so dass diese nicht bis dorthin ausgef hrt werden k nnen Dies ist jedoch nicht weiter von Bedeutung da im Zentrum der
28. Zahnflanken in Folge der zu bertragenen Belastung entlastet werden so muss die folgende Ungleichung bez glich der Vorspannkraft F erf llt sein F gt 6 A P 7 Cc0Ss Gl 5 8 Die so ermittelte Vorspannkraft F stellt die Eingansgr e f r die Auslegung der Schraubverbindung dar An dieser Stelle sei auf die Standard Literatur verwiesen welche sich eingehend mit der Thematik von Schraubenverbindungen besch ftigt 10 13 14 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 11 Die Abbildung 5 27 zeigt die F getechnik unter Vorspannung F und Torsionsbelastung M Abbildung 5 27 F getechnik unter Vorspannung F und Torsionsbelastung M Das Torsionsmoment M f hrt zu einer Tangentialkraft F welche auf die Vorder und R ckflanken der Z hne wirkt vgl Abbildung 5 28 Dabei f hrt die Tangentialkraft F in Wirkrichtung des Torsionsmomentes M zu einer Belastung der Vorderflanken w hrend die R ckflanken der Z hne im gleichen Ma e entlastet werden R ckflanke Abbildung 5 28 Aus der Torsionsbelastung M resultierende Tangentialkraft F 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 78 Abgeleitet aus der Torsionsbelastung M l sst sich nach folgender Beziehung die auf einen Zahn wirkende Tangentialkraft F berechnen Fal Gl 5 9 mit d d
29. Zahnl cke Dem dabei entstehenden halben Zahnl ckenvolumen wird der Name Zahnl cke_halb zugeordnet und an der Verzahnungs Bezugsebene gespiegelt vgl Abbildung 5 57 Gs Ki m halbe Zahnl cke AN halbe Zahnl cke gespiegeli Bal EN La Verzahnungs S Bezugsebene I u E Abbildung 5 57 Spiegeln der halben Zahnl cke an der Verzahnungs Bezugsebene 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 119 Das Spiegeln geschieht mittels der Methode InsertMirrorFeature F r die Ausf hrung der Methode werden zuvor das halbe Zahnl ckenvolumen sowie die Verzahnungs Bezugsebene selektiert SelectByID Die Abbildung 5 58 zeigt den dazugeh rigen Quelltextausschnitt kkk Spiegelr ee boolstatus Part Extension SelectByID Zahnl cke halb amp Schniti Nr _ amp Aki_col BODYFEATURE 0 0 0 False 1 Nothing boolstatus Part Extension SelectByID Verzahnungs_Bezugsebene amp Schniti Nr amp Ak Col PLANE 0 0 O0 True 2 Nothing Set Face2 Part FeatureManager InsertMirrorFeature False False False False namen_doppel_suchen Zahnl cke _spiegelr amp Schniti Nr amp Akt_col Face name Zahnl cke_spiegelr amp Schniti Nr amp Akt_col Part ClearSelection2 True Abbildung 5 58 Quelltextausschnitt zum Spiegeln Gem der Anzahl der Z hne wird anschlie end ein zirkulares Mustern der Zahnl cke um die festgelegte
30. an eine F getechnik f r den Prototypenbau mittels MLJ Verfahren gehen ber die M glichkeiten herk mmlicher F getechniken weit hinaus Dies liegt darin begr ndet dass die F getechnik zus tzlich als Spanntechnik w hrend der zweitseitigen Bauteilbearbeitung genutzt werden soll Daher muss das F gekonzept neben den Anforderungen an eine F getechnik auch die Notwendigkeiten einer Spanntechnik erf llen Die im Folgenden beschriebenen Bed rfnisse ber cksichtigen diese zus tzlichen Anspr che Hierbei wird bereits die Grundeigenschaft jeder F getechnik das bertragen von mechanischen Belastungen als Grundanforderung vorausgesetzt und nicht explizit aufgef hrt Bei der Betrachtung der vielf ltigen M glichkeiten der herk mmlichen F getechniken liegt die Vermutung nahe dass es auch f r das MLJ Verfahren nicht nur eine F getechnik geben kann welche alle Anforderungen an die jeweilige Anwendung erf llt Deshalb wird die Bohrung Zapfen Kombination nicht verworfen sondern optimiert Je nach Anwendung gerade im Hinblick auf die angestrebte nicht alleinige Nutzung der Fr stechnolgie kann dies dazu f hren dass die F getechnik an ihre Grenzen st t was wie Entwicklung einer neuen F getechnik notwendig macht 3 1 Mechanische Bestimmtheit F r eine einwandfreie Funktion der F getechnik ist es unerl sslich dass diese in der Auspr gung ihrer Geometrie mechanisch bestimmt ist Ist dies nicht der Fall so kommt es bei d
31. dem die zweite Bauteilschicht mit der Prismenverzahnung erzeugt wird und vom Modell des Prototyps getrennt wird Das Programm Modul durchl uft hierbei eine Schleife die in Abh ngigkeit von der Anzahl an einzuf genden Prismenverzahnungen unterschiedlich oft ausgef hrt wird 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 123 Function Datei_speichern postfix As String Number As Integer As Boolean On Error GoTo Datei_speichern_Err Static partname As String Dim swApp As Object Dim Part As Object Dim X As Integer Dim Y As Integer Dim file_saveas_name As String Dim strgefunden As Boolean Dim nErrors As Long Dim nWarnings As Long Set swApp CreateObject SIdWorks Application Set Part swApp ActiveDoc If Len partname lt 1 Then partname Part GetTitle X InStr 1 partname vbBinaryCompare If X gt 0 Then partname Left partname X 1 End If Y InStr 1 partname postfix voBinaryCompare If Y gt 1 Then partname Left partname Y 2 End If strgefunden True Do While strgefunden file_saveas_name CStr partname amp _ amp postfix amp _ amp Number amp SLDPRT strgefunden Dir Left Part GetPathName InStr Part GetPathName partname _ 1 amp file_saveas_name lt gt If strgefunden Then Number Number 1 End If Loop Datei_speichern Part SaveAs4 fille_saveas_name swSaveAsCurrentVersion _ swSave
32. der Bauteilschichten verf gen m ssen Funktionsprototypen werden jedoch in den seltensten F llen in der Erprobung allein stehend untersucht Sie sind vielmehr Teil eines ganzen Systems in welchem sie mittels F getechniken mit anderen angrenzenden Bauteilen verbunden sind 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen MLJ F gekonzept Positionieren Schicht innere Modifizierung durch SES Austausch von Schichten 4m SY SN Kontrolle des Sitzes Entzug der 6 Freiheitsgrade Kontrolle des Kontur bergangs MLJ Vorrichtungskonzept Abbildung 5 4 Bestehende Analogien zwischen dem F ge und Vorrichtungskonzept Fn Angrenzendes Bauteil Aufnahme der mech F Ce 1 Belastungen bis auf Fyn l OR bb Z T L S x SS l Fn Ni E E EE i kontextunabh ngige kontextabh ngige Betrachtung Betrachtung Reversibel F gen Bestimmen Austausch der Bearbeitung Schicht nach der positive innere Hilfsgeometrie Vorrichtung
33. die Position der Bauteilschicht geschlossen werden kann Dazu muss die Vorrichtung mit Referenzgeometrien ausgestattet werden welche von dem Messtaster der Fr smaschine angefahren werden kann 3 Anforderungen an eine reversible F getechnik f r Funktionsprototypen 35 Im Gegensatz dazu kann ber das Spannen mittels Opferblock auf die Position der Bauteilschicht geschlossen werden Durch Einmessen der Zapfen des Operblockes kann ein Referenznullpunkt f r die Bearbeitung bestimmt werden Jedoch f hrt das Spannen mittels Opferblock zu einer mechanischen berbestimmung An dieser Stelle sei darauf hingewiesen dass diese Problematik der berbestimmung beim Spannen von Bauteilschichten mit Zapfen mittels eines Maschinenschraubstockes nicht eintritt und daher ohne Schwierigkeiten anwendbar ist Der Grund daf r ist in der Kombination von F getechnik und Vorrichtung zu finden Zur Vermeidung dieser Problematik sind F getechnik und Vorrichtung so aufeinander abzustimmen dass eine mechanische berbestimmung nicht auftritt Zudem ist der Verzicht eines Opferblocks anzustreben da die individuelle Anfertigung des Opferblockes mit Zeit und Kosten verbunden ist Die Vorrichtung muss so konzipiert sein dass sie sich individuell an die zu spannende Bauteilschicht anpassen l sst 3 3 Fertigungskontrolle Der Zerspanprozess ist mit dem Vorhandensein von Graten verbunden Schon ein einzelner unerkannter Grat in der Trennebene kann dazu f hr
34. eine Vielzahl von unterschiedlichen F geverfahren kennen und beherrschen muss Neben den fachlichen Kenntnissen sind zudem in Abh ngigkeit von der F getechnik zus tzliche Ger tschaften erforderlich welche einen erheblichen Investitions aufwand darstellen Eine M glichkeit zur L sung dieser Problematik besteht darin weitgehend werkstoffunabh ngige F getechniken zu verwenden welche speziell auf die Bed rfnisse der Prototypenfertigung mittels Fr sen abgestimmt sind In Betracht kommen daf r kraft und formschl ssige F getechniken Diese ben jedoch meist einen Einfluss auf die Geometrie der zu f genden Bauteile aus Dieser Umstand wird gerade im Hinblick auf eine m gliche Kombination einer form und kraftschl ssigen Verbindung deutlich Das hat zur Folge dass vor Beginn der Fertigung des Prototyps bzw dessen Schichten eine datentechnische Integration der F getechnik zu den Bauteilschichten erfolgen muss Ein erster Ansatz f r eine solche F getechnik ist die Verwendung einer Bohrung Zapfen Kombination welche als Pressverband ausgelegt wird 4 Neben der Verwendung als 1 Einleitung 4 F getechnik wird diese zudem als Spanntechnik w hrend der fr stechnischen Herstellung der Schichten verwendet Eine Analyse der Bohrung Zapfen Kombinationen ergab dass das Grundprinzip zur Nutzung als F ge und Spanntechnik gro es Potenzial besitzt jedoch bereitet die Anwendung in der Praxis aufgrund von unvermeid
35. getechnik erbracht Wird f r das kontextabh ngige F gen eine Schraubverbindung genutzt so bewirkt diese zwischen den Bauteilschichten einen Reibschluss Durch diesen Reibschluss k nnen ebenfalls Querkraft und Torsionsbelastungen in der Trennebene bertragen werden Dieser Umstand f hrt zusammen mit der Bohrung Zapfen Kombination zu einer kombinierten F getechnik F r die Auslegung ist zu beachten dass nur eine der beiden F getechniken Belastungen in der Trennebene aufnehmen kann Der Grund daf r liest in der mit Schlupf behafteten Bohrung Zapfen Kombination welche zur Kompensierung der mechanischen berbestimmung mit einer engen Spielpassung ausgelegt worden ist Zur Verdeutlichung wird der Sachverhalt einer weiteren kombinierten F getechnik bestehend aus einer Schmelzschwei verbindung und einer Schraubverbindung erl utert Abbildung 5 8 F getechnik F getechnik Schmelzschwei verbindung Schraubenverbindung Funktion Festigkeit Funktion Festigkeit BER En F Grundplatte Lasche Abbildung 5 8 Kombinierte F getechniken 12 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 56 Beide F getechniken sind in der Kraftangriffsrichtung in Form einer Parallelschaltung nebeneinander angeordnet und haben die Funktion die auf die Lasche wirkende Kraft F auf die Grundplatte zu bertragen Die Schraubverbindung ist im G
36. ist neben der Vollzentrierung bekannt f r eine hohe Plan und Rundlaufgenauigkeit der bertragung hoher Drehmomente sowie f r eine gute Verschlei festigkeit 13 Die Unterschiede zur Hirth Stirnverzahnung liegen in der Ausbildung der Zahngeometrie sowie in der Anzahl der Z hne Die Abbildung 5 23 zeigt die Vorderansicht und Draufsicht der Hirth Stirnverzahnung Zu erkennen ist dass die Zahnflanken der Z hne strahlenf rmig zum Mittelpunkt hin zulaufen wodurch eine Abnahme der Zahnflankenfl che hervorgerufen wird Die Abnahme der Zahnflankenfl che bewirkt dass die Z hne zum Mittelpunkt ineinander bergehen 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 12 Unter Beibehaltung dieser Zahngeometrie sind zwei unterschiedliche Zahnformen in der Praxis bekannt Abbildung 5 23 a Hirth Stirnverzahnung b symmetrische Form c asymmetrische Form 18 Bei der symmetrischen Form vgl Abbildung 5 23b ist der Winkel ox mit dem der Zahnfu zur Mittelachse hin ansteigt gleich dem Winkel mit dem der Zahnkopf zu Mitte hin abf llt Im Gegensatz dazu besitzt bei der asymmetrischen Form vgl Abbildung 5 23c eine Verzahnungs h lfte fallende Zahnk pfe bei auf gleichem Niveau bleibenden Zahnf en w hrend das Gegenst ck passend dazu ansteigende Zahnf e bei auf gleichem Niveau bleibenden Zahnk pfe besitzt Die Abnahme der Zahnflankenfl che wird durch eine h here
37. modifizieren Dazu wird nach dem Einf gen der ersten Prismenverzahnungsh lfte in die aktuelle Trennebene die Ausf hrung des Programm Moduls angehalten An dieser Stelle kann der Benutzer durch eine Variation der Geometriemerkmale die Prismenverzahnung seinen Bed rfnissen anpassen Anderungen f hren zu einer automatischen Aktualisierung der Prismenverzahnungsgeometrie in der aktuellen Trennebene Der Benutzer hat hier die M glichkeit eine optische Kontrolle der von ihm definierten Prismenverzahnung durchzuf hren Durch Best tigen des Buttons Weiterzeichnen wird im Programm Modul fortgefahren und die aktuellen Geometriemerkmale f r die zweite Prismenverzahnungsh lfte werden bernommen Zudem besteht die M glichkeit den gesamten Teilprozess abzubrechen Im Gegensatz zur der in Kapitel 2 2 2 beschriebenen Verfahrensweise bei der vollautomatisiert der Prototyp zuerst in einzelne Bauteilschichten getrennt wird und diese dann um die Bohrung Zapfen Kombinationen erg nzt werden sind bei der Nutzung der Prismenverzahnung die Teilschritte Trennen und Einf gen zu vertauschen Das muss deshalb so sein weil die Prismenverzahnung aufgrund ihrer Geometrie keine ebene Schnittfl che aufweist Der Sachverhalt wird im Folgenden an einem einfachen Beispiel verdeutlicht Die Abbildung 5 44 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 99 zeigt einen
38. muss Wie sich sp ter zeigen wird beinhaltet die enge Verzahnung zwischen der F ge und der Spanntechnik welche im weiteren Verlauf auf eine Vorrichtung ausgedehnt wird die M glichkeit vorhandene Querbeziehungen f r die Entwicklung eines F gekonzeptes zu nutzen Unter Ber cksichtigung dieser Merkmale st tzt sich die Herleitung des F gekonzeptes auf die r umliche Trennung von F ge und Positioniertechnik die Aufhebung der funktionalen Trennung zwischen F ge und Positioniertechnik und das kontextunabh ngige und abh ngige F gen welche im Folgenden zur Erl uterung dienen werden Bei der in Kapitel 2 vorgestellten Bohrung Zapfen Kombination stellt sich vor allem die geforderte Reversibilit t der Verbindung als problematisch dar Grund daf r ist dass es sich dabei um eine kombinierte Positionier und F getechnik handelt welche im Inneren des Prototyps bzw zwischen den Bauteilschichten angeordnet und nach dem F gevorgang von au en nicht mehr zug nglich bzw l sbar ist weshalb sie als irreversibel einzustufen ist Die M glichkeit des reversiblen F gens hat jedoch direkten Einfluss auf die Forderungen nach einer Fertigungskontrolle und der Austauschbarkeit von Bauteilschichten modularer Aufbau Zur L sung des Problems wird eine r umliche Trennung der kombinierten Positionier und F getechnik angestrebt Die r umliche Trennung bietet die M glichkeit dass die Anordnung der F getechnik so v
39. sers die Herstellungszeit des Prototyps Grunds tzlich sollte daher der ausgew hlte fr seridentische K rper so klein wie n tig und so gro wie m glich sein 2 4 Die virtuelle Bauteilzerlegung kann manuell nach dem beschriebenen Verfahren oder automatisch mittels einer Softwarel sung durchgef hrt werden In einer weiterf hrenden Arbeit von Lobeck 3 wurde f r die Bauteilzerlegung in Abh ngigkeit der Werkzeugparameter ein Konzept erstellt und exemplarisch umgesetzt Hierbei wurde auf der Basis eines kommerziellen CAD Systems gezeigt dass die im System bereits vorhandenen Funktionen zur Nutzung einer Bauteilzerlegung herangezogen werden k nnen Dies ist nur deshalb m glich da mit Hilfe einer offenen Programmierschnittstelle eines CAD Systems eigenst ndige Softwarel sungen entwickelt werden k nnen welche auf die Funktionsbibliotheken des CAD Systems zugreifen k nnen Amar Team Documents Tools E Fie Edit Actions Tools View Tree SmelFlow Window Help j x tt SE OI 515 2 ei gan 3 Jar PDS I Documents Tree Profile Card Links Notes Revision Viewer EES Template Hi Tool 5 Parameter UG Toch Dt TAGA ool EE OUER ECO CL ALEN a Eci tool pt UG T oc 0000000002 v 19 Maschinen Fokl gE Type j OG SimFrseser Fold 0060 J Fraerer Fold 0058 A Ange Mumber Of Flutes f2 2 Tool Parameters Customer Info User log n joe Abbildung 2 9 Kenngr en zur Beschreibung von We
40. smaschine vordefiniert Die Vorrichtung besitzt dazu auf der dem Maschinentisch zugewandten Seite zwei auf die Passsteine abgestimmte Passschlitze Befestigungsschrauber Nutensteine Passsteine Unterlegscheiber a Vorrichtunc Sechskantschl sse Exzenter Spannbolzen Abbildung 5 34 Vorrichtung mit Befestigungs und Spannmittel f r die Fr sbearbeitung 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 87 Mit Hilfe der Nutensteine und der dazugeh rigen Befestigungsschrauben wird die Lage der Vorrichtung fixiert so dass ein Verrutschen in Folge der auftretenden Bearbeitungskr fte verhindert wird Die Prismenverzahnungsdurchmesser d und d der Vorrichtung wird so gestaltet dass sie einen Spannbereich von d 36mm bis d 115mm abdecken damit k nnen Bauteilsichten mit unterschiedlichen Gr en bzw Prismendurchmessern aufgenommen werden F r die eigentliche fr stechnische Bearbeitung der Bauteilschicht ist es erforderlich dass die Zug nglichkeit des Fr sers nicht durch u ere angreifende Spannmittel wie z B Spannpratzen behindert wird Daher muss das Aufbringen der Vorspannkraft F von unten aus Richtung der Vorrichtung erfolgen Das Verspannen kann grunds tzlich ber eine konventionelle Schraubverbindung realisiert werden Jedoch sind damit Probleme in Bezug auf die Zug nglichkeit der Schraube verbunden Um diese zu l sen muss die Vorrichtung entweder
41. von Bohrungen und Zapfen erweitert Im weiteren Verlauf der Prototypenherstellung werden die Kugelh lften als eigenst ndige Bauteile angesehen Nach Beendigung der datentechnischen Ausf hrung erfolgt mittels einer NC Software die Erstellung von Maschinen Codes zur Steuerung der CNC Fr smaschine Die NC Software ist die Schnittstelle zwischen der datentechnischen und der nachfolgenden fertigungstechnischen Ausf hrung In der fertigungstechnischen Ausf hrung wird neben dem Erzeugen der eigentlichen Bauteilkontur auch die in der datentechnischen Ausf hrung zus tzlich eingef gte Hilfsgeometrie herausgearbeitet Die Aufspannung des Rohmaterials kann dabei ber konventionelle Spanntechniken erfolgen wie z B die Verwendung von Standard Spannbacken Nach Beendigung des ersten Fertigungsschrittes folgt abschlie end der zweite Fertigungsschritt aus der Richtung der Oberseite Dazu werden die Kugelh lften mit Hilfe der Hilfsgeometrie aufgespannt und die Kontur der Halbkugel herausgearbeitet Damit entf llt zum einen das problematische Spannen der Kugelfl chen und zum anderen ist durch die Anordnung der Hilfsgeometrie in der Schichtebene ein uneingeschr nkter Zugang des Fr sers zur Bauteilschicht gew hrleistet Das Spannen der Kugelh lfte mit Zapfen kann wie in der ersten Aufspannung mittels Spannbacken erfolgen F r das Spannen der Kugelh lfte mit Bohrungen ist ein so genannter Opferblock notwendig der ber entsprechend angepas
42. werden ber SohdWorks Makros aufgezeichnet und zu einem sp teren Zeitpunkt ausgef hrt werden Damit k nnen immer wiederkehrende Operationen automatisiert werden wodurch der manuelle Aufwand f r den Benutzer reduziert wird Da ein aufgezeichnetes SokdWorks Makro nur eine Abfolge von einzelnen Operationen beinhaltet ist die Erstellung von komplexeren Zusatz anwendungen damit nicht m glich 21 F r die Erstellung komplexer Zusatzanwendungen verf gt SohdWorks ber ein Application Programming Interface API Dabei handelt es sich um eine COM Programmieroberfl che die von Visual Basic VB Visual Basic for Applications VBA VB NET C C und SodWorks Makrodateien aus aufgerufen werden kann Die Nutzung der COM API erm glicht einen direkten Zugriff auf die CAD Datenstruktur des Systems 21 22 Die Auswahl der Programmiersprache richtet sich in der Regel nach den Anforderungen des zu entwickelnden Programms Da das zu entwickelnde Programm Modul als Zusatzanwendung in die Oberfl che von SobdWorks zu integrieren ist reduzieren sich die in Frage kommenden Programmiersprachen auf solche welche COM unterst tzen Von SohdWorks werden hierbei die Programmiersprachen Visual Basic und C besonders unterst tzt so dass f r die Realisierung des Konzeptes eine Auswahl aus diesen beiden Sprachen getroffen werden kann Ohne an dieser Stelle eine detaillierte Diskussion um die Vor und Nachteile dieser beid
43. werden die Kollisionen zwischen dem fr seridentischen K rper und dem Prototyp erkannt und daraus die Schichtendicken ermittelt vgl Abbildung 2 11 Als Ergebnis der Bauteilzerlegung liegt der herzustellende Prototyp in endlichen hinterschneidungsfreien Bauteilschichten vor Die erzeugten Bauteilschichten werden ebenfalls von dem PDM System verwaltet Dabei stellt das PDM System eine Verkn pfung her zwischen dem ungeschnittenen Prototyp und der Baugruppe bestehend aus den einzelnen Bauteilschichten PDM Product Data Management 2 Stand der Technik 18 d Unigraphies NX Modeling Ip ossl port Modified A Eile Edt Yaw Enge Format Toca Zosrgtkeg WEI k romagen Analysis Preferences Apgbeabion Zeu eam Rap d Prototyping EE Help RH e EES u RS HoH ET Mia ompi TT dancad ES d Abbildung 2 11 Baugruppe mit Bauteil und Fr ser 3 2 2 2 Erzeugung der inneren Hilfsgeometrie Bei der inneren Hilfsgeometrie handelt es sich um zwei Bohrung Zapfen Kombinationen welche den einzelnen Bauteilschichten hinzugef gt werden Dazu werden im CAD System die Trennebenen benachbarter Bauteilschichten um die Geometrie zweier Bohrungen bzw zweier Zapfen erweitert Hierbei erh lt eine Bauteilschicht die Bohrungen und die darauf folgende Bauteilschicht die Zapfen Damit es sp ter beim Positionieren oder F gen der einzelnen Bauteilschichten nicht zu Komplikationen kommt ist d
44. wird zuerst der Umgang mit dem Programm Modul beispielhaft anhand einer Torsionsbelastung erl utert und abschlie end die Prismen Verzahnung infolge der auftretenden mechanischen Belastungen durch den Fr sprozess nachgerechnet 6 Exemplarische Verifikation 138 Die Abbildung 6 14 zeigt innerhalb der SokdWorks Oberfl che den ge ffneten Festigkeits nachweis des Programm Moduls Die rechnerunterst tzte Auslegung bezieht sich auf folgende zuvor angegebene Verzahnungsparameter vgl Abbildung 6 13 Z hnezahl 3 Flankenwinkel 60 Zahnh he 5mm Spitzenr cknahme 0 1mm Innendurchmesser 23mm Au endurchmesser 45mm Es wird eine Torsionsbelastung M von 100 Nm angenommen welche auf die Prismen Verzahnung gem Abbildung 5 27 einwirkt Diese wird in das entsprechende Feld des Belastungs Kollektivs eingetragen Im Anschluss daran werden die Angaben zum Werkstoff und zur Sicherheit vgl Abbildung 6 15a get tigt Neben der zul ssigen Fl chenpressung von 230N mm des gew hlten Werkstoffs A Mg i 1 werden dort ein Sicherheitsfaktor von 1 3 sowie ein Fl chentraganteil f r gefr ste Oberfl chen von 65 angegeben 18 Das Programm Modul ermittelt aus der angegebenen Torsionsbelastung M die daraus resultierende Fl chenptessung vgl Gl 5 12 sowie die Mindestvorspannkraft die ein Auseinandergleiten der Prismen Verzahnung verhindert vgl G15 17 Im Eingabefeld der Vorspannkraft ist abschlie
45. womit dem Benutzer eine gro e Werkstoffvielfalt f r die Fertigung von Prototypen zur Verf gung steht Dadurch ist die Herstellung von Prototypen bereits im sp ter zum Einsatz kommenden Serienwerkstoff m glich so dass diese als Funktions prototyp genutzt und Tests unterzogen werden k nnen Da ein Gro teil der Produktion mittels konventioneller Fertigungsverfahren wie beispielsweise der CNC Fr stechnologie erfolgt 3 er ffnet dies vor allem klein und mittelst ndischen Unternehmen die M glichkeit zur eigenen Prototypenfertigung da diese Unternehmen h ufig nicht ber die finanziellen Mittel zum Einsatz spezieller RP Verfahren verf gen Neben der gro en nutzbaren Werkstoffvielfalt erm glicht das Fr sen gegen ber den generativen RP Verfahren die Herstellung von hochgenauen Prototypen bez glich der Ma Form und Oberfl chengenauigkeit 1 4 Der Nachteil des Fr sens liegt jedoch in der eingeschr nkten Fertigung von Geometrien So k nnen beispielsweise Prototypen welche Hinterschneidungen in ihrer Geometrie aufweisen fr stechnisch nicht oder nur sehr aufwendig hergestellt werden Zur L sung dieses Problems wird ein spezielles Verfahrensprinzip angewendet bei dem der herzustellende Prototyp zun chst schichtweise gefr st wird um dann anschlie end diese Schichten wieder zusammenzuf gen 5 Dadurch entsteht zum einen ein zus tzlicher Prozessschritt zum anderen liegt die Schwierigkeit in der Auswahl einer geeignete
46. 1 1 Datentechnische Austubrung nennen 126 6 1 2 Fertigungstechnische Austfubrung nennen 130 6 2 Beispiel 2 Komplexer Probek rper mit Prismen Verzahnung 135 6 2 1 Datentechnische Austubrung nennen 135 6 2 2 Fertigungstechnische Austfubrung nennen nennen 147 6 3 Beispiel 3 Kurbelwellengeometrie mit Hrismen Verzabmung 152 6 3 1 Datentechnische Austubrung nenne nen nne nennen 152 6 3 2 Fertigungstechnische Austfubrung nennen 158 6 4 Genauigkeitsanalyse der rsmen Verzabnung nen 164 7 Zusammenfassung u uu ee 167 8 AUSDHCK EE 169 9 EIHEFATUIVErZEICHNIS a ee 171 Lebenslauf 1 Einleitung In den letzten Jahren hat sich eine Vielzahl von generativen Rapid Prototyping Verfahren RP Verfahren auf dem Markt etabliert Der wesentliche Nachteil dieser Verfahren liegt in der eingeschr nkten Werkstoffauswahl Dies ist damit zu begr nden dass in der Regel nur Werkstoffe verwendet werden k nnen welche speziell auf das jeweilige RP Verfahren abgestimmt sind 1 Dieser Sachverhalt ist insbesondere f r die Prototypen von Bedeutung welche zur berpr fung von Funktionen oder seriennah eingesetzt werden und deshalb besondere Anspr che an die eingesetzten Werkstoffe stellen Eine L sung des Problems liest in der Nutzung der konventionellen CNC Fr stechnologie welche mittlerweile in der Literatur als RP Verfahren verstanden wird 2 Die Werkstoffauswahl umfasst alle spanbaren Materialien
47. 13 Diese k nnen jedoch zu einem sp teren Zeitpunkt nochmals berpr ft und gegebenenfalls variiert werden 136 6 Exemplarische Verifikation Steeuseg e PIIR gt pa Sy2LZuU I Y casag A i In BEE mag xl Ei 2 DD sgssbnzsg sbunuyezieA LH retereeu aa e Jerome CO 9119WI09S 1 X jdw0y 4 assaunpanpunng CH Wu JBdioy9goJd a PER sueupnuszui w DR enezi pg Here KI SbunpunusM aneuos is n D matze Bunpunugeusgen AA gauaqa 3 zausga amp wdysseg W zes s aus zunzeg A3 zauegg 1 Drzeg 23 Juegt nequa A3 yseyu a snpoyy ger S BunuyeziaA uU3WSUT Joen Re were wer Ce Bun alsny u z N sI uni uy npo auna 27 ANZ InPOW WWEABOAZ TE Osgen au ER d S Gungypnajeg DS gn yers Laafen EF bunzuupsag CE Ze LK edanyegdag EISE y A0 U q ZU 1 J Y j00 1 sBunuyezioy uoWwsug Sep Jeu d Jaen enebe Ups Jg Pegebsne enebe i g ypsumog Bunpuem et ased punua Ieamg U jaespe Japeqoy Jeep aun daug aen samea xy WD 3 GD DD v e a a AD 2 e us 09008 0 gt n Alaw NBEAN o Ne Saed an Ausg seg Uefnup Du uayaqeag aed Kl L ad eyago1g ay22mz1y37 any any Uap SHOM PHOS up KEE A a any a usa usbadg 7 SruI agoen R JI D P Tools am Beispiel eines Probek rpers Abbildung 6 13 Anwendungsszenario des Prismen Verzahnungs Im Anschluss daran folgt der rechnerunterst tzte Festigkeitsnachweis der Prismen Verzahnun
48. A 2 3 Ca ei F ee EN d CS j el kb d GG ba Ab j ES e Se Rz sch i 8 A Zb e Add en Lou GC hh s WA z D ATP wi n A ar Laf P Durchgangsboh runc S Bohrun Abbildung 6 10 fr stechnisch hergestellte Schichten des Probek rpers mit Bohrung Zapfen Kombination Zum F gen beider Schichten werden diese mittels einer Innensechskantschraube verbunden siehe Abbildung 6 11 Die Bohrung Zapfen Kombinationen positionieren dabei beide 6 Exemplarische Verifikation 134 Schichten untereinander Durch das erforderliche Spiel ist die Positioniereigenschaft jedoch nur suboptimal vgl Kapitel 2 4 1 D Schicht A Schicht B Innensechskant schraube Abbildung 6 11 gef gter Probek rper a Draufsicht b Unteransicht Charakteristisch f r das F gen mittels der Bohrung Zapfen Kombination sind die b ndig aufeinander aufliegenden Schichten des Prototyps vgl Abbildung 6 12 Schicht A kein F gespalt Ke i N r d Ta Schicht B Abbildung 6 12 Bohrung Zapfen Kombination kein F gespalt zwischen den Schichten 6 Exemplarische Verifikation 135 6 2 Beispiel 2 Komplexer Probek rper mit Prismen Verzahnung Im Folgenden wird der komplexe Probek rper unter Verwendung der Prismen Verzahnung als ML J F getechnik hergestellt Der aus Kapitel 6 1 ermittelte Wert f r die Schnitttiefe wird als Eingangsgr e f r das Programm Modul genutzt Das F gen der Schichten geschieht ebenfalls kontextunabh n
49. AMWorks CW Toaling Fenster Hife D3NSSs gbeEn Ban KH EP TRAAQAS R3 BAABIHR JS 2 2 Eee ee jeswsScamre s eiram Manager CAN Modul CAM Works Material Manager 1005 E Bi A3 Teile Setupi Gruppel e amp Erw 3D SchruppenS T15 20 sch H Schruppen3 T15 20 Schaftfr ser Schruppen2 T4 8 Schaftfr ser E A Schlichten2 T4 8 Schaftfr ser B t Erw 30 2 Ebene2 T9 9x30 Kon E Schlichten T15 20 Schaftfr ser m Erw 30 Schrittwete2 T7 10x3 E ai Zentrierbohrent T6 6 3 Zentriertf Zentrierbohren2 T6 6 3 Zentriertil 9 Bohreri T2 11x118 Bohrer Bohrer2 T1 6 8x118 Bohrer 92 Teile Setup2 Gruppe2 9 Schruppen22 T15 20 Schaftfr se H Schlichten17 T15 20 Schaftfr se E Schlichtent6 T4 8 Schaftfr ser m i Erw 3D Z Ebene7 T9 9x30 Kon Bearbeitungsschritte DEER B ei ei t G Gm Di EI E Beret Abbildung 6 34 Erstellen des NC Codes und Visualisierung der Fr swege mittels CAM Works 6 Exemplarische Verifikation 158 6 3 2 Fertigungstechnische Ausf hrung F r die Herstellung des Segmentes 4 Kurbelwange wird das Rohmaterial in Plattenform verwendet Im ersten Fertigungsschritt geschieht die Aufspannung in einem konventionellen Maschinenschraubstock vgl Kapitel 2 3 2 F r die Einspannung des Rohmaterials in den Maschinenschraubstock muss ein berma gem Kapitel 2 2 3 ber cksichtigt werden Dadurch wird eine umfassende Fertigung aus der ersten
50. AsOptions_Silent nErrors nWarnings Exit Function Datei_speichern_Err MsgBox Err Description amp vbCrLf amp in Hirth_projekt hilfsfunktionen Datei_speichern amp at line amp Erl Resume Next End Function Abbildung 5 63 Quelltext der Visual Basic Funktion Datei_speichern 124 6 Exemplarische Verifikation Im Folgenden wird die Wirksamkeit des entwickelten Gesamtkonzeptes anhand drei konkreter Beispiele verdeutlicht Die Verifikation umfasst dabei im Einzelnen das MLIJ F gekonzept am Beispiel der Bohrung Zapfen Kombination sowie der Prismen Verzahnung das MLJ Vorrichtungskonzept mit den speziell f r die Bohrung Zapfen Kombination und die Prismen Verzahnungen entwickelten Vorrichtungen und das Programm Modul zur rechnerunterst tzten Auslegung der Prismen Verzahnung In den ersten beiden Beispielen wird anhand eines komplexen Probek rpers sowohl die Bohrung Zapfen Kombination als auch die Prismen Verzahnung zur Nutzung als F ge und Spanntechnik verifiziert Dadurch wird im besonderen Ma e die Herstellung mit unterschiedlichen MLJ F getechniken und den dazugeh rigen Vorrichtungen deutlich Zus tzlich kommt das entwickelte Programm Modul zur rechnerunterst tzten Auslegung und fr stechnischen Aufbereitung des Prototyps am Beispiel der Prismen Verzahnung zum Einsatz Am dritten und letzten Beispiel wird mittels der Geometrie einer Einzylinderkurbelwelle die Notwendigke
51. Bauteilschicht mit positiv ausgepr gter Hilfsgeometrie Der Spannbereich h dient in der ersten Aufspannung zur Aufnahme in den Maschinen schraubstock und ist deshalb von der Bearbeitung ausgeschlossen Dadurch ist eine umfassende Bearbeitung der Kontur m glich ohne dass der Fr ser mit dem Maschinenschraubstock kollidiert Die H he des Spannbereiches h muss so bemessen sein dass das Rohmaterial sicher und verformungsfrei in den Spannbacken des Maschinenschraubstockes aufgenommen werden kann Zu beachten ist dass sich die Rohmaterialh he h f r eine Bauteilschicht mit negativ ausgepr gter Hilfsgeometrie Anfangs oder Endschicht um die H he h reduziert Verf gt die herzustellende DBauteilschicht ber positiv und negativ ausgepr gte Hilfsgeometrien Mittelschicht so entf llt der Spannbereich h Dieser kann durch die H he h der Zapfen ber cksichtig werden 2 Stand der Technik 21 2 3 Kontur erzeugen Die Eingangsgr en f r die Erzeugung der Kontur der einzelnen Bauteilschichten sind die aus der datentechnischen Ausf hrung f r die Fr sbearbeitung aufbereiteten CAD Daten Das Bindeglied zu der anschlie enden fertigungstechnischen Ausf hrung stellt die Erstellung der NC Codes dar Der NC Code beinhaltet die Geometriedaten der zu fertigenden Bauteilschicht in einem f r die CNC Fr smaschine lesbaren Datenformat Die fr stechnische Ausf hrung der einzelnen Bauteilschichten ist durch eine zweiseitige Bauteilbearbeit
52. Bauteilschicht zur Drehachse der Drehmaschine sichergestellt Ein Einmessen der Vorrichtung wie bei der Fr sbearbeitung ist nicht notwendig vgl Abbildung 5 37 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 90 Dreibackenfutter der Drehmaschine Befestigungsschraube 4 Zentrierachse Drehachse des Dreibackenfutters Aufnahme f r Zentrierachse Prismenverzahnunc Prismenverzahnunc Referenzk rper HH Vd HH H Hi Ih W e Bauteilschicht des Prototyps Abbildung 5 37 Drehbearbeitung zentrisches Spannen mittels Referenzk rper und Prismenverzahnung Bei genauerer Analyse der in Abbildung 5 37 gezeigten Bauteilschicht ergeben sich Probleme beim Aufnehmen in einer Drehmaschine mittels konventionellen Spannmitteln Bedingt durch die Geometrie der Bauteilschicht ist beispielsweise die Verwendung eines Dreibackenfutters nicht ohne weiteres m glich Dies verdeutlicht sich insbesondere im Hinblick auf die komplexe Form der Fl gel welche das Aufbringen von u eren Spannkr ften verhindern Auch das Spannen auf einem Innendurchmesser ist bei der gegebenen Geometrie nicht m glich In der Praxis werden zum Spannen solcher Geometrien so genannte Planscheiben benutzt Das Befestigen und zentrische Ausrichten der zu bearbeitenden Bauteile auf der Planscheibe ist jedoch mit einem hohen Zeitaufwand verbunden Die Verwendung einer Prismenverzahnung zum Spannen komplexer Geomet
53. Bolzen Druck p Druck p Nie Bolzen Abbildung 5 12 a wirklicher Verlauf der Pressung b vereinfachter Verlauf Pressung 14 Unter Annahme einer gleichm igen Pressungsverteilung wird in der Praxis die gew lbte Fl che des Zapfens sowie die der Bohrung ersetzt durch eine flache rechtwinklige Projektionsfl che A vgl Abbildung 5 10 14 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 60 Die Pressung p errechnet sich nach F Ps S Pu GI 5 3 mit p Fl chenpressung N mm P zul ssige Fl chenpressung N mm F Querkraft P IN A Projektionsfl che mm Die Projektionsfl che A ergibt sich zu A d h Gl 5 4 mit d Zapfen bzw Bohrungsdurchmesser mm h Z apfenh he bzw Bohrungstiefe mm 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 61 5 2 1 3 Vorrichtung Die Nutzung der Zapfen als Spanntechnik w hrend der Bearbeitung erfordert das Vorhandensein einer speziellen Vorrichtung Bei der Realisierung der Vorrichtung werden die in Kapitel 3 genannten Anforderungen ber cksichtigt Das Vorrichtungskonzept basiert auf der Nutzung eines herk mmlichen Universal Maschinenschraubstocks und ist daher auf andere Maschinenschraubst cke unterschiedlicher Hersteller bertragbar Die Abbildung 5 13a zeigt einen solchen Schraubstock der Firma Al matie mit Standard spannbacken Du
54. Deg Werkstoff Sicherheit zul ssige Flachenpressung 299 IN Jm S cherheitsfakltor DESCH Fl chenteagantel EC Vorspannk aft N 142 mindestens 3169 70 mindestens 3165 70 Abbildung 6 17 rechnerunterst tzte Auslegung der Prismenverzahnung anhand der Zerspankr fte Zum Schluss der datentechnischen Ausf hrung erfolgen das Einf gen der Prismen Verzahnung sowie das Trennen des CAD Modells in Schichten Da im Vorfeld dazu bereits alle notwendigen Informationen an das Programm Modul bermittelt worden sind vgl Abbildung 6 13 kann der Vorgang direkt ber die Best tigung des OK Button ausgel st werden Im ersten Schritt erfolgt das Erstellen von Schicht A Danach h lt das Programm Modul automatisch an und der Benutzer hat die M glichkeit zur Variation der Geometrieparameter Auf diese Weise kann z B eine individuelle Anpassung der Prismen Verzahnung an die Geometrie des Prototyps vorgenommen werden vgl Abbildung 6 18 Werden Geometrieparameter nachtr glich ge ndert so wird automatisch der Festigkeitsnachweis aktualisiert 6 Exemplarische Verifikation 143 SolidWorks Lehr Edition Hurt T r Lehrzwecke Probek r per Sicherungskopie_1 IO X Deko E r r BB E a T a ae e a a a a a E Bi RR Fe e G amp a R D R5 e u Features Skeperen Ligar Uea Gafsatz Po erter Gu satz Aufsatz Vemund Fase ei Wadung Fomsch oo D n Lyeaez Fretamnp See Referen Ku
55. Festigkeitsnachweis erforderlichen Geometriedaten werden durch eine interne Abfrage an das Modul Geometrie und Positionsangaben ermittelt Angaben wie beispielsweise der Fl chentraganteil und die zul ssige Fl chenpressung p des Prismenwerkstoffs werden durch den Benutzer direkt durch eine Eingabemaske an das Modul bermittelt Das Modul Einf gen Trennen und Speichern beinhaltet den Algorithmus zum Einf gen Trennen und Speichern und stellt damit den zweiten Teil der Knowledge Base dar F r die Funktionen Einf gen und Irennen werden die hinterlegten Angaben aus dem Modul Geometrie und Positionsangaben durch einen internen Datenzugriff herangezogen ber die CAD Schnittstelle werden unter Ber cksichtigung der vom Benutzer festgelegten Geometrie und Positionsangaben die Prismenverzahnungen in das CAD Modell eingef gt und dieses entsprechend in einzelne Bauteilschichten getrennt und abgespeichert Bei genauerer Betrachtung handelt es sich dabei um ein Anwendungsmodul welches das CAD System steuert bzw automatisiert Damit stellt dieses Software Modul aus Sicht der programmtechnischen Umsetzung den komplexesten Teil des Programm Systems dar 5 3 3 Umsetzung und Integration in ein CAD System Die Realisierung des Programm Moduls zur rechnerunterst tzten Auslegung der Prismenverzahnung wird beispielhaft mit Hilfe des CAD System So4dWorks der Firma Dassault Systemes demonstriert So
56. Gesamtkonzeptes eingebettet in die bereits in Kapitel 2 vorgestellte datentechnische und fertigungstechnische Ausf hrung zur Herstellung von Prototypen Die zum Gesamtkonzept geh renden Bereiche sind farblich rot gekennzeichnet und entsprechend dem chronologischen Verlauf zur Herstellung von Prototypen eingeordnet Diese sind im Einzelnen die wissenschaftliche Ausf hrung die rechnerunterst tzte Auslegung mit einer dazugeh rigen Knowledge Base die Fertigungsmittelauswahl die Fertigungskontrolle und das reversible Verbinden von Bauteilschichten Grundlage der Prototypenherstellung und damit des Konzeptes sind die wissenschaftlich ausgearbeiteten F gekonzepte welche speziell auf die Bed rfnisse des MLJ Verfahrens abgestimmt sind Sie erm glichen eine korrekte datentechnische und eine korrekte fertigungs technische Ausf hrung unter Ber cksichtigung der genannten Anforderungen Erg nzend dazu wird die Prototypenherstellung um die wissenschaftliche Ausf hrung erweitert welche als Informationstr ger f r den gesamten Herstellungsprozess dient 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen O DS N eb der ab Q gt Dei O DS O pa A 44 Zweiseitige Bauteilbearbeitunc Bauteilschichten positionierer
57. Gesamtkonzeptes wurde abschlie end anhand konkreter Beispiele verdeutlicht Dazu wurde sowohl das entwickelte MLJ F gekonzept als auch das darauf aufbauende Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken verifiziert Die vorliegende Arbeit zeigt dass die Prototypenhetstellung auf der Basis des quasi generativen RP Verfahrens Fr sen sowohl Defizite als auch ungenutztes Potenzial aufweist Unter Ber cksichtigung des in dieser Arbeit entwickelten Gesamtkonzeptes l sst sich die Herstellung von Prototypen mittels Fr sen deutlich verbessern Im Ergebnis konnte der Automatisierungs grad gesteigert ein allgemeing ltiges MLJ F ge und ML J Vorrichtungskonzept formuliert und daraus abgeleitet das Potenzial der Drehbearbeitung f r die Herstellung von Prototypen nutzbar gemacht werden 169 8 Ausblick F r m gliche zuk nftige Forschungsaktivit ten in diesem Themenbereich bieten folgende Punkte einen Raum Katalogisierung bereits vorhandener F getechniken und Entwicklung eines Baukastensystems zum Erstellen von MLJ F getechniken Klassifizierung von Prototypen f r die Herstellung mittels ML Nutzung der MLJ F getechniken f r generativ hergestellte Prototypen Die Auswahl einer geeigneten F getechnik richtet sich in erster Line an die Anforderungen des zu f genden Prototyps welche sehr unterschiedlich sein k nnen Um die Anzahl an potenziellen F getechn
58. Gl 5 10 F mit A Flankenwinkel Gl 5 11 Die Abbildung 5 29 verdeutlicht diesen trigonometrischen Zusammenhang Bei der Kraftkomponente F handelt es sich um eine Axtalkraft in Folge der Torsionsbelastung welche ein Auseinanderschieben der F getechnik anstrebt Diesem Vorgang ist durch die Vorspannkraft F entgegenzuwirken Abbildung 5 29 Torsionsbelastung M Ermittlung der Normalkraft EP 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 179 F r die Ermittlung der Fl chenpressung p wird die Normalkraft F auf die Flankenfl che A In bezogen p R D mit A Flankenfl che Gl 5 12 i A Unter Ber cksichtung der aus der Vorspannung F resultierenden Fl chenpressung p ergibt sich daraus eine Gesamtfl chenpressung p Dabei erh ht sich die Fl chenpressung der Vorderflanke zu ee Gl 5 13 In dem gleichen Ma e wird die R ckflanke um den Betrag der Fl chenpressung p entlastet und ergibt sich somit zu Ps P P Gl 5 14 Damit weder die zul ssige Fl chenpressung gt berschritten wird noch ein Auseinandergleiten der F getechnik stattfindet m ssen folgende Auslegungskriterien erf llt sein F r die Vorderflanke eines Zahnes gilt Pe S Pau Gl 5 15 und f r die R ckflanke eines Zahnes gilt Pe gt 0 N mm Gl 5 16 Damit ein Abheben der F getechnik in Folge der Torsionsbelastung M nicht eintritt ist fo
59. Konzept entwickelt und realisiert zur Optimierung von Produktentwicklungsprozessen unter besonderer Beachtung der Integration von Rapid Prototyping Als RP Verfahren wurde Fr sen und das Fertigungskonzept von Assmann gew hlt Im Zuge dessen wurden Ans tze des Konzeptes automatisiert wie z B das manuelle Hinzuf gen der inneren Hilfsgeometrie zur Schicht automatisiert Im Folgenden wird auf den Stand der Technik der Prototypenherstellung mittels Fr sen nach dem Fertigungskonzept von Assmann 4 eingegangen Dabei findet der L sungsansatz von Lobeck Ber cksichtigung und wird an entsprechenden Stellen erw hnt Grundlage der Ausf hrungen bilden die aus Kapitel 1 der Funktionsanalyse notwendigen drei Funktionen zur Herstellung von Prototypen Zum Ende der Ausf hrungen werden die Defizite zum Stand der Technik zusammenfassend dargestellt Da in der Literatur keine einheitliche Begriffsdefinition f r die Nutzung der Fr stechnologie als quasi generatives RP Verfahren zu finden ist wird es im weiteren Verlauf der Arbeit als Milled Layer Joining Verfahren MLJ Verfahren bezeichnet Die Namensgebung ist damit zu begr nden dass das Verfahren im Wesentlichen gekennzeichnet ist durch das Fr sen einzelner Schichten sowie einem anschlie enden F gen dieser Schichten 2 Stand der Technik 11 2 1 Milled Layer Joining Die Abbildung 2 5 veranschaulicht am Beispiel einer massiven Kugel das prinzipielle Fertigungskonzept der Prototypenherste
60. Kreiszylinder bestehend aus einer Bauteilschicht A und einer Bauteilschicht B mit Prismenverzahnung D Zahngeometrie von Bauteilschicht B geht in Bauteilschicht A ber L 2 Bauteilschicht A trennebenen bergreifender Bereich Trennebene Bauteilschicht B Abbildung 5 44 Problematik des trennebenen bergreifenden Bereichs Die in der Trennebene eingef gte Prismenverzahnung ist trennebenen bergreifend Das hei t dass die Prismenz hne von Bauteilschicht A wie auch von Bauteilschicht B ber die Trennebene in die jeweils andere Bauteilschicht bergehen und damit einen Teil der dort u eren zylindrischen Geometrie darstellen Wenn zuerst der Zylinder getrennt w rde und anschlie end um die Prismenverzahnung erg nzt so h tte dies grunds tzlich einen Verlust der Geometrie information in dem trennebenen bergreifenden Bereich zur Folge Dieser Sachverhalt wird vor allem dann bedeutsam wenn der Prototyp ber eine gem der Abbildung 5 45 u ere komplexe Geometrie verf gt 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 100 a Bauteilschicht A Trennebene Bauteilschicht E Verlust der Geometrieinformation Abbildung 5 45 Prototyp a Teilschritt Einf gen amp Trennen b Teilschritt Trennen amp Einf gen Im Folgenden wird die prinzipielle Arbeitsweise des Programmmoduls zum Einf gen der Prismenverzahnung
61. MLJ F gekonzepte die M glichkeit einer Fertigungsmittelauswahl bieten Der Grund daf r ist dass die Notwendigkeit einer Fertigungsmittelauswahl vom jeweiligen Prototypen bzw dessen Geometrie abh ngt und deshalb nicht immer erforderlich ist 5 2 Reversible F getechniken f r Funktionsprototypen Im Folgenden wird ein reversibles F gekonzept vorgeschlagen welches durch zwei F gestufen gekennzeichnet ist In der ersten Stufe liegt ein Anschauungsprototyp vor an dem eine umfassende Fertigungskontrolle durchgef hrt werden kann So ist es z B m glich den Kontur bergang sowie den Sitz der Bauteilschichten zu kontrollieren Die innere Hilfsgeometrie dient durch den vollst ndigen Entzug der sechs Freiheitsgrade zum Positionieren der Bauteilschichten untereinander In der zweiten und letzten Stufe wird der Anschauungsprototyp 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 46 durch eine gezielte u ere Einbringung einer Normalkraft Fy in einen Funktionsprototyp umgewandelt Positionieren EL Schicht Hilfsgeometri Ban Modifizierung durch ke Austausch von O Schichter o Sc w D dp z Kontrolle ce des Sitzes Entzug de 6 F Freiheitsgrade C N gt lt N d Kontrolle des Kontur bergangs N Umwandlung
62. Rechnerunterst tzte Auslegung von reversiblen F getechniken f r quasi generativ hergestellte Funktionsprototypen Von der Fakult t f r Ingenieurwissenschaften Abteilung Maschinenbau der Universit t Duisburg Essen zur Erlangung des akademischen Grades DOKTOR INGENIEUR genehmigte Dissertation von Jens Standke aus Mettmann Referent Prof Dr Ing Diethard Bergers Korreferent Prof Dr Ing Dieter Wissussek Korreferent Prof Dr Ing habil Gerd Witt Tag der m ndlichen Pr fung 17 09 2008 Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand w hrend meiner T tigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl f r Produktionstechnologie und Produktentwicklung an der Universit t Duisburg Essen Mein besonderer Dank gilt dem Lehrstuhlinhaber Herrn Univ Prof Dr Ing Diethard Bergers f r die Betreuung und die fachliche Unterst tzung meiner Arbeit F r die bernahme des Korreferates und die Unterst tzung bei der Fertigstellung der Arbeit bedanke ich mich bei Herrn Univ Prof Dr Ing Dieter Wissussek Lehrstuhl f r Konstruktionstechnik und Kolbenmaschinen Universit t Duisburg Essen Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde am Lehrstuhl f r Produktionstechnologie und Produktentwicklung eine Reihe von Prototypen gefertigt F r die uneingeschr nkte Unterst tzung bei der Fertigung dieser Prototypen und f r die damit im Zusammenhang stehenden fachlichen Diskussionen gilt Herrn Reinhard Giese mein besonderer Dan
63. Schichten um Bohrung Zapfen Kombinationen Das kontextunabh ngige F gen beider Schichten wird mit einer zentralen Schraubverbindung realisiert Dazu wird Schicht A mit einer Gewindebohrung und SchichtB mit einer Durchgangsbohrung versehen F r die Umsetzung wird auf den Funktionsumfang von SolidWorks zur ckgegriffen und der Bohrungsassistent verwendet mit welchem sich Bohrungen unterschiedlicher Auspr gung komfortabel erstellen lassen 6 Exemplarische Verifikation 129 Zum Abschluss der datentechnischen Ausf hrung werden die Form und die Abmessungen des Rohmaterials festgelegt vgl Kapitel 2 2 3 Aufgrund der Geometrie des Probek rpers wird ein Rundmaterial verwendet welches als Stangenware erh ltlich ist Die zur Verf gung stehenden Durchmesser werden in festen Abstufungen gem DIN 1013 T1 25 angeboten Da der Durchmesser der Probek rpers 110mm betr gt wird die n chste Abstufung und damit ein Rohmaterialdurchmesser von 120mm gew hlt Die Schnittstelle zwischen der datentechnischen und der fertigungstechnischen Ausf hrung ist die Erstellung der NC Codes f r Maschinensteuerung der CNC Fr smaschinen Diese werden mittels einer CAM Software aus den CAD Modellen der Schichten abgeleitet vgl Kapitel 2 3 1 Vor dem Erzeugen der NC Codes ist innerhalb der CAM Software eine Rohmaterialdefinition anhand der getroffenen Form und Abmessungen erforderlich Die Abbildung 6 5 zeigt die Benutzeroberfl che von SobdWorks s
64. Segment 4 Kurbelwangen ohne Segment 3 Hubzapfen miteinander verbunden Im Anschluss daran werden an beiden Kurbelwangen die Steigungen der u eren Kurbelwangenfl chen vgl Abbildung 6 45 in x Richtung ermittelt und die relative Winkelabeichung zueinander berechnet 6 Exemplarische Verifikation 166 Segment 2 Bestimmung der Kurbelwange Steigungen beider Fl chen Segment 4 Kurbelwange Abbildung 6 45 Bestimmung der Verdrehung Die Abbildung 6 46 zeigt die Ergebnisse der einzelnen Lageabweichungen in tabellarischer Form Die gemittelte Abweichung der Konzentrizit t von 0 039mm findet sich auch bei dem Einrichtvorgang des Grundzapfens mit Passfedernut auf der Drehmaschine wieder vgl Kapitel 6 3 Dort wurde eine Rundlaufgenauigkeit von 0 040mm ber die gesamte L nge des Segmentes und somit die Konzentrizit t bzw Exzentrizit t Achsversatz gemessen 0 033 0 047 0 039 0 024 0 034 0 029 0 015 0 029 0 022 0 351 0 359 0 355 Abbildung 6 46 Lageabweichungen der Prismen Verzahnung 167 7 Zusammenfassung Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Analyse und Optimierung der Funktionsprototypenherstellung mittels Fr sen als quasi generativem Rapid Prototyping Verfahren Eine Analyse des gesamten Herstellungsprozesses zeigte bestehende Defizite auf zum einen bei der Nutzung der Bohrung Zapfen Kombination als reversible F ge und Spanntechnik zum anderen im Bereich der Autom
65. Servers innerhalb eines Visual Basic Programms Dazu wird innerhalb der Funktion Dokument_oeffnen das Objekt swapp erzeugt welches den COM Server repr sentiert Dieses Objekt verf gt ber eine Schnittstelle IApplication ber welche Eigenschaften und Methoden angeboten werden Das Visual Basic Programm zeigt zwei Eigenschaften Visible und UserControl deren Wert auf True oder False gesetzt werden k nnen sowie die Methode OpenDoc6 mit der das Einzelteil Part in SosdWorks ge ffnet wird vgl Abbildung 5 49 8 Compiler bersetzer 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 109 Die Sprachunabh ngigkeit vom COM gestattet die Erzeugung des Objekts swapp sowie den Zugriff auf dessen Eigenschaften und Methoden in der Visual Basic typischen Notation So wird beispielsweise f r die Objekterzeugung der Visual Basic Befehl CreateObject verwendet Die Abbildung 5 50 zeigt eine bersicht der Objekte von SoidWorks welche ber die COM API angesprochen werden k nnen Dabei stellt das Objekt SldWorks die oberste Ebene aller von SolidWorks angebotenen Objekte dar Mit ihm sind allgemeine Funktionen durchf hrbar wie z B das Erstellen ffnen Schlie en und Quittieren von Dokumenten das Arrangieren von Fenstern in Bezug auf Gr e und Position sowie die Auswahl des aktiven Dokuments Der Zugriff auf andere Objekte von Sold
66. So enthalten die mit dem Application Wizzard erstellten Programme bereits eine vordefinierte Men leiste und eine Toolbar ber welche die Funktionen des Anwendungsmoduls in die Benutzeroberfl che des CAD Systems eingebunden werden Unter anderem enth lt das vordefinierte Anwendungsger st die beiden Funktionen SwAddin_ConnectIoSW ber welche das Menu und die Toolbar erzeugt und in SobdWorks integriert werden und die Schnittstellenfunktion SwAddin_DisconnectFromSW ber welche diese wieder entfernt werden k nnen F r die Nutzung der Schnittstellenfunktionen ist zuvor die Klasse SWPublished SswAddin zu implementieren Bei dem verbundenem Dokument handelt es sich um eine so genannte Ressourcen Datei welche die Grafik im Bitmap Format f r das Icon der Toolbar beinhaltet Diese kann mit Hilfe eines Editors in der Entwicklungsumgebung ver ndert und dem eigenen Layout abgepasst werden Zudem besteht die M glichkeit die Ressourcen Datei um weitere Bitmap Grafiken zu erweitern Aufbauend auf dem vorgestellten Quellcodeger st kann dieses nun um den eigentlichen Programmtext zur Umsetzung des Programm Moduls f r die rechnerunterst tzte Auslegung der Prismenverzahnung erweitert werden Dabei ist dieses im Wesentlichen um zwei weitere Module zu erg nzen Zum einen wird ein Modul f r den Festigkeitsnachweis und ein weiteres Modul f r das Einf gen Trennen und Speichern eingebunden Hinzu kommt die Implem
67. Trennebene Die Orientierung wird durch die Verzahnungs Bezugsebene und den Drehwinkel festgelegt 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 94 Die Abbildung 5 39 zeigt die vom Programm Modul zur Unterst tzung des Teilsprozesses Positionsangaben bereitgestellten Funktionen Trennebenen Auswahl Legt die Referenzebenen der Prismenverzahnungen fest Leot die Positionen der Mittelachsen der Prismenverzahnunsen Referenzachsen Auswahl 8 8 bezogen auf die Referenzebenen fest PA Legt Abst nde bezogen auf die Referenzebenen fest in der die Schnitttiefen mm Prismenverzahnungen im Prototyp eingef gt werden sollen Verzahnungs Bezugsebene Gibt die Lage eines Prismenzahnes auf den Trennebenen an Lest die Orientierung der Prismenverzahnungen um die Drehwinkel u a 8 jeweiligen Rotationsachsen fest Abbildung 5 39 Funktions bersicht zum Teilprozess Positionsangaben Teilprozess Geometrieangaben Die Abmessungen der Prismenverzahnung werden durch die Eingabe von Geometriemerkmalen definiert Es besteht die M glichkeit die Abmessungen der Prismenverzahnung f r jede Trennebene individuell festzulegen Die eingegebenen Geometriemerkmale braucht man einerseits f r den sp teren Festigkeitsnachweis und andererseits f r das automatische Einf gen der Prismenverzahnung sowie die Trennung des CAD Modells in einzelne Bauteilschi
68. Verwendung von Passsteinen grunds tzlich gegeben F r eine exakte Prototypenfertigung empfiehlt es sich jedoch die Orientierungsbestimmung messtechnisch mit Hilfe des 3D Tasters an einer beliebigen u eren Seitenfl che der Vorrichtung vorzunehmen Die ermittelten Positionsdaten werden daraufhin an die Maschinensteuerung bertragen womit die eindeutige Position der Vorrichtung bzw der Schicht f r die Fr smaschinen erkennbar ist Innensechskantschraube Befestigung Referenzk rper Vorrichtung 3L Taster Referenzk rper 8 5 Innensechskantschraube Ee Befestigung Vorrichtunec or P e Te Maschinentiseh d Passstein s A io EE VMorrichtung Abbildung 6 24 Einmessen der Vorrichtung zur Aufnahme der Schicht Im Anschluss an die Positionsbestimmung erfolgt der zweite und letzte Fertigungsschritt zur Herstellung von Schicht A vgl Abbildung 6 25 Diese wird mittels des Exzenter Spannsystems mit der Vorrichtung verbunden vgl Kapitel 5 2 2 3 Dabei ist unbedingt darauf zu achten dass der Hub des Exzenters voll ausgenutzt wird um einerseits die maximale Spannkraft und andererseits die Selbsthemmung des Systems zu gew hrleisten 6 Exemplarische Verifikation 149 Fr ser Maschinentisch K hlmittelzuf hrung Vorrichtung Schicht des Prototyps Abbildung 6 25 2 Fertigungsschritt Herstellung von Schicht A aus der Richtung der Oberseite Die Abbildung 6 26 zeigt die fertig hergestellten Schi
69. Works geschieht grunds tzlich ber das Objekt SldWorks 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 110 Abbildung 5 50 Objektdiagramm von SolidWorks Soll beispielsweise der Fl cheninhalt einer selektierten Fl che in der Einheit Quadratmeter ausgegeben werden so sind die folgenden API Funktionen gem der Abbildung 5 51 zu verwenden 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 111 E Double 8 Objekt m Eigenschafl u Methode Flaeche CreateObjec SIdworks Application ActiveDoc SelectionManage GetSelectedObject5 1 GetAree Objekt E Methode i Abbildung 5 51 API Funktionen zur Bestimmung des Fl cheninhaltes einer Fl che Die Methode GetArea liefert die gew nschte Fl che in Quadratmeter Ihr Wert wird in eine Variable vom Typ Double gespeichert F r den Zugriff auf die Fl che ist jedoch ein Fl chenobjekt notwendig Wird z B die Fl che am Modell zuvor mittels der Maus selektiert so kann die Selektion ausgelesen und ein Zeiger auf die Fl che gesetzt werden Die Methode GetSelectedObject5 AtIndex liefert den gew nschten Zeiger auf die selektierte Fl che Dazu wird die Methode ber das dazugeh rige Objekt SelectionManager angesprochen Der Parameter AtIndex gibt dabei das Element der Selektionsliste an welches ausgew hlt und mit einem Zei
70. angaben Der Fr serauslauf stellt als Geometriemerkmal einen Sonderfall dar da er nicht direkt der Geometrie der Prismenverzahnung zugeordnet werden kann Er ist anzugeben wenn der Au endurchmesser der Prismenverzahnung kleiner als die u eren Abma e des Prototyps in der Trennebene ist Die Abbildung 5 41 verdeutlicht diesen Zusammenhang am Beispiel eines Zylinders bei dem der Durchmesser gr er als der Au endurchmesser der Prismenverzahnung ist Fr serauslauf E Fr ser Innendurchmesser Au endurchmesser Bauteildurchmesser Abbildung 5 41 Prismenverzahnung mit Fr serauslauf 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 96 Der Fr serauslauf ist so zu w hlen dass der Fr ser sich bei der Herstellung der Verzahnung freischneiden kann Auf diese Weise wird ein korrektes Herausarbeiten der Prismenz hne gew hrleistet Teilprozess Festigkeitsnachweis Da die Geometrie der Prismenverzahnung sowie die auftretenden mechanischen Belastungen grunds tzlich in jeder Trennebene unterschiedlich sein k nnen kann f r jede Trennebene durch Angabe der Trennebenennummer ein separater Festigkeitsnachweis durchgef hrt werden Dazu werden die bereits im Teilprozess Geometrieangaben angegebenen Geometriemerkmale der Prismenverzahnungen herangezogen Die auftretenden mechanischen Belastungen in der Trennebene k nnen in Form eine
71. anhand von Referenzkanten oder Referenzebenen bei Prototypen mit einer komplexen Geometrie unter Umst nden nicht m glich ist Abhilfe bieten hier die bereits als Spanntechnik f r den Herstellungsprozess verwendeten Bohrung Zapfen Kombinationen Diese sind aber bereits in der datentechnischen Ausf hrung als enge Spielpassung auszulegen damit ein Positionieren der einzelnen Bauteilschichten untereinander gegeben ist vgl Abbildung 2 19 2 Stand der Technik 29 a T k Bauteilschicht 1 mit pnegatn ausgepr gter Hilfsgeometrie _ Positioniertechnil Spielpassunc z B Adh sions unc Koh sionskr fte Kleben Bauteilschich 2 mit positiv Klebefuge ausgepr gter Hilfsgeometrie Abbildung 2 19 a Bohrung Zapfen Kombination zur Positionierung b gef gter Zustand mittels Kleben F r ein exaktes Positionieren ist es notwendig dass der Achsabstand B der Bohrungen gleich dem Achsabstand Z der Zapfen ist Durch die in Kapitel 2 2 3 bereits diskutierte Positionier genauigkeit Al ist dies jedoch nicht gegeben vgl Abbildung 2 20 Bauteilschicht 1 Abstand B ll Abstand Z Bauteilschichi 2 Ki La keine gemeinsame Mittelachse der gemeinsame Mittelachse der Bohrunc Zapfen Kombinatior Bohrunc Zapfen Kombinatior Abbildung 2 20 Suboptimale Positionierung mittels Bohrung Zapfen Kombination In Kombination mit eng ausgelegten Spielpassungen welche zum exakten Positionieren
72. apfen mit Fasen und Kontaktfl chen 4 2 Stand der Technik 31 Andererseits sind die Anfasungen aber auch erforderlich um eine sichere Spannm glichkeit im Maschinenschraubstock w hrend des zweiten Fertigungsschrittes zu gew hrleisten vgl Kapitel 2 3 2 In der Praxis kommt es beim F gen mittels der Bohrung Zapfen Kombination bedingt durch die Fertigungsabweichungen zu den bereits in Kapitel 2 3 2 beschriebenen Problemen bez glich der mechanischen berbestimmung und der Herstellung von berma passungen vgl Abbildung 2 23 Bauteilschicht 1 Abstand E Bauteilschicht 2 Abstand Z La keine gemeinsame Mittelachse der gemeinsame Mittelachse der Bohrung Zapfer Kombinatior Bohrung Zapfer Kombinatior Abbildung 2 23 Problematik des F gens mittels Bohrung Zapfen Kombination Durch das notwendige berma zwischen Bohrungen und Zapfen ist eine Kompensation der Fertigungsabweichungen durch die Wahl einer gr eren Spielpassung wie in Kapitel 2 4 1 erl utert nicht m glich Weiterhin verhindert das berma ein probeweises Zusammenlegen der Bauteilschichten Das hat zur Folge dass eine Fertigungskontrolle vor dem F geprozess nicht durchf hrbar ist Diese ist jedoch erforderlich um das Fr sergebnis beurteilen zu k nnen So entstehen beispielsweise durch die spanende Bearbeitung Grate welche ein vollst ndiges Zusammenschieben der Bauteilschichten verhindern w rde Auch die Kontrolle des Kontur
73. arauf zu achten dass diese in Position und Gestalt aufeinander abgestimmt sind Dieser Vorgang kann manuell oder rechnerunterst tzt erfolgen Bei der rechnerunterst tzten Variante vgl Kapitel 2 2 1 beschr nkt sich der Aufwand lediglich auf die Auswahl der inneren Hilfsgeometrie Bohrung Zapfen Kombination die Festlegung der geometrischen Abmessungen sowie das Selektieren einer einzigen F gefl che Die Auswahl der 2 Stand der Technik 19 inneren Hilfsgeometrie wird in dem PDM System vorgenommen in welchem die Bohrung Zapfen Kombination abgelegt ist vgl Abbildung 2 12 pn D 7 Wee Teer Demi Wase He alfi zi u 8 ponu EDA 2 SD IWA JIK Sea OW mar Tea mgle T ba Armes Te Tes s Pase Cot Les ben eu En fi Trennebene Trennebene Bauteilschicht r S ee Bauteilschicht r Abbildung 2 12 Einf gen der Bohrung Zapfen Kombination in die Trennebene nach 3 Im Anschluss daran werden die geometrischen Angaben zu dem Durchmesser und der L nge der Bohrungen und Zapfen definiert Nach der Selektion einer F gefl che erm glicht nun die Datenverwaltung des PDM Systems ein automatisches Hinzuf gen und Positionieren der Bohrung Zapfen Kombination zu jeder Bauteilschicht des Prototyps vorausgesetzt dass das CAD System in das PDM System integriert ist Das Hinzuf gen der Bohrungen und Zapfen ist in Form einer Booleschen Operation realisiert so dass ledi
74. as Einf gen von zwei Referenzachsen f r die Prismen Verzahnungen 6 Exemplarische Verifikation 155 deswegen erforderlich da sowohl Prismen Verzahnungen auf der Achse des Grundzapfens als auch auf der Achse des Hubzapfens vorliegen vgl Abbildung 6 32 Als Referenzfl che bzw ebene wird die vordere Planfl che des ersten Segmentes Grundzapfen gew hlt Die Eingabe der Geometrie und Positionsangaben werden im Experten Modus des Programm Moduls vorgenommen Dazu wird der Haken im Aktivierungsfeld Experte gesetzt vol Abbildung 6 32 Dort werden die Geometrie und Positionsangaben bersichtlich in tabellarischer Form angezeigt ber die Funktion Weitere Schnitte hinzuf gen wird die Anzahl an Schnitten vorgegeben In dem vorliegenden Fall der Kurbelwelle werden vier Schnitte hinzugef gt welche durch den Benutzer mit Angaben zu verschen sind So besitzen die blau hinterlegten Zellen individuelle Angaben zum jeweiligen Schnitt w hrenddessen wei hinterlegte Zellen den vorherigen Ursprungswert in der Zeile bernehmen Dementsprechend sind beispielsweise der Flankenwinkel und der Innendurchmesser der Prismen Verzahnung f r alle Schnitte gleich vgl Abbildung 6 32 Im Anschluss an die Positions und Geometrieangaben wird der Festigkeitsnachweis der Prismen Verzahnung durchgef hrt welcher analog zu Kapitel 6 2 erfolgt Durch die gr eren Rohmaterialabmessungen und die dadurch resultierenden gr eren Moment
75. atisierung aufgrund einer fehlenden rechnerunterst tzten Auslegung der F ge und Spanntechnik Zudem beschr nkte sich die Herstellung von Prototypen auf die alleinige Nutzung der Fr stechnologie Unter Ber cksichtigung der Defizite und der daraus resultierenden Anforderungen wurde im Hinblick auf einen verbesserten Herstellungsprozess ein Gesamtkonzept entwickelt und formuliert Dieses beinhaltet ein speziell f r die Prototypenherstellung mittels Fr sen abgestimmtes F gekonzept sowie ein darauf aufbauendes Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken Dabei wurde der Grundgedanke die F getechnik auch w hrend des Herstellungsprozesses zum Spannen der Schichten zu verwenden ohne Einschr nkung beibehalten Das entwickelte F gekonzept basiert auf zwei wesentlichen Eigenschaften dem kontextunabh ngigen bzw abh ngigen F gen von Prototypen sowie der Analogie zwischen dem F gen und dem Spannen von Bauteilen auf dem Maschinentisch einer Bearbeitungs maschine Ersteres beruht auf der Tatsache dass Prototypen oftmals ein Teil eines ganzen Systems darstellen und mittels entsprechender F getechniken mit diesem verbunden werden Solche F getechniken k nnen daher auch zum F gen der einzelnen Schichten herangezogen werden Die zweite Eigenschaft beruht auf der Tatsache dass das Spannen eines Bauteils auf einem Maschinentisch einen reversiblen F gevorgang darstellt Damit
76. aufgenommen und mittels Befestigungsschrauben mit ihnen verbunden werden Die Zapfen der inneren Hilfsgeometrie werden ber Bohrungsh lften innerhalb der Teilspannbuchsen gespannt und w hrend der Bearbeitung festgehalten vgl Abbildung 5 15a Die Hauptspannkraft zum Festhalten der Zapfen erfolgt durch Zustellung des Maschinenschraubstockes in z Richtung Dabei wird die bewegliche Spannbacke gegen die feste Spannbacke gedr ckt wodurch die Hauptspannkraft eingeleitet wird vgl Abbildung 5 15b 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 63 Bauteilschicht Zapfer Pr feste Spannbacke Abbildung 5 15 a Aufnahme einer Bauteilschicht mit Zapfen b Gesamtdarstellung Maschinenschraubstock und Vorrichtung Damit die Zapfen in Folge der Hauptspannkraft nicht plastisch verformt werden sind diese auf dem Umfang zu spannen Dazu werden die Spannbuschenpaare mit Bohrungsh lften versehen deren Durchmesser dem zu spannenden Zapfen entsprechen Damit es bei gleichen Durchmessern zu einer Spannwirkung zwischen Spannbuchse und Zapfen kommen kann ist bei der Herstellung der Teilspannbuchsen darauf zu achten dass beim Einbringen der Bohrung die bewegliche zur festen Teilspannbuchse einen Spalt aufweist vgl Abbildung 5 16a Bohrungsdurchmesser Spali Spannbereict Zapfendurchmesser Zustellrichtung bewegliche 7 Teilspannbuchse Spannkrafi
77. aus eine Gesamtfl chenpressung Pp Dabei erh ht sich die Fl chenpressung an jeder der beiden belasteten Zahnflanken auf Dia Pe T Pas Gl 5 21 Im Gegenzug dazu werden die verbleibenden Z hne bzw Zahnflanken entlastet F r eine entlastete Flankenfl che soll aus Sicherheitsgr nden mit folgender reduzierten Gesamtfl chenpressung p gerechnet werden Has Pe Ha Gl 5 22 Damit weder die zul ssige Fl chenpressung p berschritten wird noch ein Auseinandergleiten der F getechnik stattfindet m ssen folgende Auslegungskriterien erf llt sein 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 82 F r die belastete Zahnflanke Pa Da Gl 5 23 F r die entlastete Zahnflanke Pag gt 0 N mm Gl 5 24 Damit ein Abheben der F getechnik in Folge der Querkraftbelastung F nicht eintritt ist folgende Ungleichung vgl Gl 5 8 bez glich der Vorspannkraft F zu erf llen F gt 2 A p cosa Gl 5 25 Die Abbildung 5 32 zeigt die F getechnik unter Vorspannung F und Biegebelastung M F r die Nachrechnung der F getechnik wird aus Gr nden der Sicherheit auch hier wieder eine ung nstige Zahnstellung gegen ber der eingeleiteten Belastung gew hlt Diese Ma nahme erm glicht die Annahme einer umlaufenden Biegebelastung AM J Abbildung 5 32 F getechnik unter Vorspannung F und Biegebelastung M 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Ausl
78. azu ist die Schnittkraft F welche f r das tats chliche Abheben des Spanes verantwortlich ist f r die Leistungsberechung und kr ftem ige Auslegung von Werkzeugmaschinen von Bedeutung 26 Die Abbildung 6 16 zeigt beispielhaft an einer Schicht mit Prismen Verzahnung die Vorschubkraft F und die Passivkraft P am Kraftangriffspunkt H F r die Auslegung der Prismen Verzahnung sind die angreifenden Kr fte aufgrund ihres Hebelarms auf die Grundbelastungsarten gem Kapitel 5 2 2 2 zur ckzuf hren Die Vorschubkraft F ergibt dabei eine Querkraft F ein Torsionsmoment M sowie ein Biegemoment M und die Passivkraft F eine Druckkraft F gleichgerichtet zur Vorspannkraft F und ein Biegemoment M 6 Exemplarische Verifikation 140 Druckkraft aufgrund der Passivkraf F Werkst ck Torsionsmoment aufgrunc Passivkrafi F der Vorschubkraft F Vorschubkraft F Trennebene S Ge Biegemoment aufgrunc Querkraft aufgrunc iegemoment aufgrunc l i der Vorschubkraft F Prismer Verzahnung EE der Vorschubkraft F Abbildung 6 16 aus der Vorschubkraft F und Passivkraft F resultierende Kr fte und Momente Die Berechnung der Zerspankraftkomponenten erfolgt nach Kzengle und Victor mit Hilfe von empirischen Formeln werkstoffspezifischen Zerspankrafttabellen und Korrekturfaktoren 27 28 F r eine Absch tzung der Zerspankr fte ist besonders der Korrekturwert f r den Werkzeugverschlei zu beachten Sein Einfluss kann z
79. baren Fertigungstoleranzen einige Schwierigkeiten Zudem sind Pressverb nde bei entsprechender Auslegung als irreversibel einzustufen was ein Austauschen der Schichten zur Modifizierung der Prototypen nicht erlaubt Darauf aufbauend wurde in einer weiterf hrenden wissenschaftlichen Arbeit 3 der Grad der Automatisierung durch eine automatische Schichtgenerierung sowie durch eine automatische datentechnische Integration der Bohrung Zapfen Kombinationen zu den Bauteilschichten gesteigert In diesem Zusammenhang fehlt jedoch eine rechnerunterst tzte Auslegung der F ge und Spanntechnik In den vorhandenen Arbeiten wird bisher nur die Nutzung der Fr stechnologie zum Erstellen von Prototypen genutzt W nschenswert ist jedoch auch die Verwendung der Drehtechnologie da in der Praxis Prototypen auftreten welche in die Bereiche Fr s und Drehbearbeitung untereilt werden m ssen Zur L sung dieses Problems und der vorher angesprochenen Probleme soll nun ein umfassendes F gekonzept zur Herstellung von Prototypen mittels Fr sen und Drehen entwickelt werden welches dar ber hinaus auch eine rechnerunterst tzte Auslegung der F ge und Spanntechnik beinhaltet In der vorliegenden Arbeit wird zun chst in Kapitel 2 auf den Stand der Technik im Bereich der Prototypenherstellung mittels Fr sen und insbesondere auf das Fertigungskonzept von Assmann 4 eingegangen Dabei richtet sich der Focus vor allem auf die fehlende re
80. bedingt neben den technischen Ausf hrungen der reversiblen F getechniken auch die Entwicklung von Vorrichtungen 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 52 5 2 1 Bohrung Zapfen Kombination F r eine bessere Nutzung der in Kapitel 2 vorgestellten Bohrung Zapfen Kombination wird diese den in Kapitel 3 formulierten Anforderungen durch Anwendung des MLJ F gekonzeptes angepasst Dabei soll die Geometrie der Bohrung Zapfen Kombination erhalten bleiben da diese einen Vorteil in der fertigungstechnischen Herstellung darstellt Der Vorteil besteht darin dass es sich dabei um Regelgeometrien handelt welche sich durch eine einfache und schnelle fr stechnische Herstellung auszeichnen Dieser Sachverhalt wird insbesondere bei der Fertigung von Bohrungen deutlich welche zudem hochgenau mittels Reiben hergestellt werden k nnen Im Folgenden beinhaltet die Umsetzung des MLJ F gekonzeptes die Erstellung einer reversiblen F getechnik auf der Basis der Bohrung Zapfen Kombination unter Ber cksichtigung der kontextunabh ngigen bzw abh ngigen Betrachtungsweise Im Anschluss daran folgt eine Festigkeitsbetrachtung der Bohrung Zapfen Kombination und abschlie end wird die Entwicklung einer Vorrichtung zur Aufnahme von Schichten mit Zapfen beschrieben so dass diese als Spanntechnik w hrend der fr stechnischen Bauteilbearbeitung genutzt werden kann Auf eine Vorrichtung zum Au
81. che Entwicklung von Geometrien mit besonderen Eigenschaften bez glich der Positionierung 15 F r die Aufnahme in eine Drehmaschine ist eine F getechnik notwendig welche die Geometrie zentrisch positioniert Dazu ist eine Vollzentrierung notwendig welche eine berlagerung der Werkst ckmittelachse mit der Drehachse der Drehmaschine sicherstellt 16 Der Vorrichtungsbau bietet hier eine F lle von M glichkeiten welche sich in jahrelanger Erprobung in der Praxis bew hrt haben Die Abbildung 5 19a zeigt einen kreiszylindrischen K rper mit einer Bohrung Soll die Bohrung bzw die Bohrungsl ngsachse durch die Mittelebene des zylindrischen K rpers verlaufen so ist ein Bestimmen nach der Mittelebene erforderlich Durch Einlegen in ein Prisma wird der 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 68 zylindrische K rper nach der Mittelebene bestimmt vgl Abbildung 5 19b Dabei deckt sich die Bestimmebene mit der Mittelebene Die Bestimmebene ergibt sich aus dem Kontakt zwischen Werkst ckbestimmfl che Mantelfl che und der Vorrichtungsbestimmfl che ausgef hrt als Prisma Das Zentrieren nach einer Mittelebene wird als Halbzentrieren bezeichnet 17 b Vorrichtungsbestimmfl che a j Bezugsebene Mittelebene Bohrungsl ngsachse Werkst ckbestimmfl che Bestimmebene Abbildung 5 19 a Bohrung durch Mittelebene b Bestimmen nach Mitte
82. chichten aufnehmen und w hrend der fr stechnischen Bearbeitung festhalten kann Als Vorrichtung f r die Aufnahme der Bauteilschichten mit Zapfen dient ein Maschinenschraubstock Die Aufnahme der Bauteilschichten mit Bohrungen wird mittels eines Opferblocks durchgef hrt Im Folgenden werden sowohl die Anforderungen an die F getechnik als auch an die dazu notwendige Vorrichtung formuliert Die Spannkraft des Maschinenschraubstockes kann in Abh ngigkeit vom Werkstoff zu unterschiedlich stark ausgepr gten Deformationen an den Zapfen f hren Diese sind zu vermeiden da mit dem Auftreten von plastischen Verformungen die aufeinander abgestimmten Bohrung Zapfen Kombinationen unbrauchbar werden k nnen Aus diesem Grund m ssen die Zapfen auf dem Umfang zu spannen sein was aber zu Modifizierungen an der Vorrichtung f hrt Weiterhin ist die Lage der zu bearbeitenden Bauteilschicht im Maschinenschraubstock nicht reproduzierbar Das liegt daran dass diese vor dem Aufbringen der Spannkraft entlang der Spannbacken beliebig verschoben werden kann F r eine Fr sbearbeitung ist es jedoch notwendig dass die Position der zu bearbeitenden Bauteilschicht der Fr smaschine durch Einmessen bekannt gemacht wird Dies ist jedoch unter Umst nden nicht m glich wenn die Bauteilschicht ber keine definierte Kontur zum Antasten und Setzen des Referenznullpunktes verf gt Zur L sung dieses Problems ist es sinnvoll dass ber eine spezielle Vorrichtung auf
83. chnerunterst tzte Auslegung der F getechnik sowie auf die Problematik des F gens quasi generativ hergestellter Prototypen selbst Aufbauend darauf werden in Kapitel3 die Anforderungen an eine F getechnik und in Kapitel4 die Anforderungen an eine rechnerunterst tzte Auslegung formuliert Die genannten Anforderungen bilden in Kapitel 5 die Eingangsgr e f r die Erstellung eines Gesamtkonzeptes Dieses beinhaltet ein speziell auf die Prototypenherstellung mittels Fr sen abgestimmtes F gekonzept welches die Integration der Drehtechnologie erm glicht und enth lt gleichzeitig ein Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von F getechniken Nach der Beschreibung des Gesamtkonzeptes wird in Kapitel 6 eine Verifizierung anhand konkreter Beispiele durchgef hrt 2 Stand der Technik Dem Vorteil der gro en Materialvielfalt bei der Herstellung von Prototypen mittels Fr sen stehen Einschr nkungen bei der Fertigung komplexer Geometrien gegen ber Einschr nkungen sind z B Hinterschneidungen am Prototyp die eine Fertigung mittels Fr sen verhindern Dieser Umstand f hrte zu der Entwicklung erster softwarebasierter Verfahren welche eine Fertigung schichtweise aufgebauter Prototypen mit komplexen Geometrien erm glichen Die dazu derzeit auf dem Markt erh ltlichen kommerziellen Softwareprodukte sind S tratoconcebtion CIRTES CHARLYROBOT und Millit COSCOM 4 Beide Programme arbeiten nach dem Prinzip de
84. chritt des Trennens erfolgt das Separieren der Bauteilschicht mit der Prismen verzahnung vom restlichen Modell des Prototyps Dazu wird auf der bereits bekannten Zahnkopfebene eine weitere Skizze erstellt InsertSketch2 und darin mittels der Methode SketchRectangle ein Rechteck generiert Im Anschluss daran wird ein linear ausgetragener Schnitt des zuvor generierten Rechteckes ausgef hrt wodurch der nicht zur Bauteilschicht geh rende Teil des Prototyps entfernt wird vgl Abbildung 5 61 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 121 linear ausgetragener Schnitl Rechteckquerschnit Abbildung 5 61 Entfernen des nicht zur Bauteilschicht geh renden Modellk rpers Die Umsetzung wird mittels der Methode FeatureCut realisiert Der linear ausgetragene Schnitt muss sowohl im Querschnitt als auch in der Austragungsl nge gr er als der zu entfernende Bereich sein Die Abbildung 5 62 zeigt den dazugeh rigen Quelltextausschnitt Zudem ist ein Zugriff auf das MSFlexGrid MSFTabelle zu erkennen bei dem der Wert f r die Spitzenr cknahme zur Sicherstellung der Flankenzentrierung der Prismenverzahnung herangezogen wird Dieser Wert wird bei der Austragung des linearen Schnittes ber cksichtigt 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 122 Trennen boolstatus Part Extension SelectByID Za
85. chten Die Abbildung 5 40 zeigt die vom Programm Modul zur Unterst tzung des Teilsprozesses Geometrieangaben bereitgestellten Funktionen Nicht enthalten in dem Funktionsumfang des Programm Moduls ist die Angabe ber das Einf gen von Bohrungen wie beispielsweise einer Zentralbohrung f r die Schraubverbindung Der Grund hierf r liegt darin dass die g ngigen 3D CAD Systeme heute ber so genannte Bohrungsassistenten verf gen mit denen Bauteile komfortabel mit unterschiedlichen Bohrungsformen wie z B Durchgangsbohrungen oder Sachbohrungen versehen werden k nnen F r das sp tere Einf gen von Bohrungen ist auf die Funktionalit t des CAD Systems zur ckzugreifen 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 95 Beschreibung Z hnezahl Legt die Z hnezahl der Prismenverzahnung fest Diese ist standardm ig auf z 3 voreingestellt Flankenwinkel Legt den Flankenwinkel der Z hne fest Zahnh he mm Legt die Zahnh he Abstand Zahnfu Zahnkopf fest Spitzenr cknahme mm R cknahme des Zahnkopfes zur Sicherstellung der Flankenzentrierung Innendurchmesser mm Legt den inneren Durchmesser der Prismenverzahnung fest Au endurchmesser mm Legt den u eren Durchmesser der Prismenverzahnung fest Fr serauslauf mm Legt den Freischnitt f r das Fr swerkzeug fest Abbildung 5 40 Funktions bersicht zum Teilprozess Geometrie
86. chten des Probek rpers Es ist deutlich an der SchichtB die Prismen Verzahnung sowie die Durchgangsbohrung f r das kontext unabh ngige F gen zu erkennen Schicht A Schicht B Prismen Verzahnung Durchgangsbohrung Abbildung 6 26 fr stechnisch hergestellte Schichten des Probek rpers mit Prismen Verzahnung 6 Exemplarische Verifikation 150 Zum F gen werden beide Schichten mittels einer Innensechskantschraube verbunden vgl Abbildung 6 27 Die Prismen Verzahnung sorgt neben der Nutzung als F getechnik f r eine spielfreie Positionierung der Schichten untereinander b Schicht A Schicht B g d in Zw N 3 Innensechskant K F B ee schraube Abbildung 6 27 gef gter Probek rper a Draufsicht b Unteransicht Fi r Charakteristisch f r das F gen mittels der Prismen Verzahnung ist der dabei entstehende Spalt zwischen den Schichten vgl Abbildung 6 28 Dieser ist f r die Zentriereigenschaft der F getechnik Flankenzentrierung unerl sslich vgl Kapitel 5 2 2 1 Schicht B Abbildung 6 28 Prismen Verzahnung F gespalt zwischen den Schichten 6 Exemplarische Verifikation 151 Die Abbildung 6 29 zeigt beispielhaft einen Plandrehvorgang bei dem die Schicht B mit Hilfe der Prismen Verzahnung zentrisch in eine Drehmaschine aufgenommen wird Dazu wurde die Schicht B mit dem Referenzk rper vgl Abbildung 6 24 verbunden und dieser in das Dreibackenfutter eingespann
87. chten gef gte Funktionsprototyp auch wieder in seine diskreten Bauteilschichten zerlegt werden kann Durch diese M glichkeit unterscheidet sich das MLJ Verfahren grunds tzlich von den klassischen generativen RP Verfahren wodurch es sich bestens f r modular aufzubauende Prototypen eignet 5 3 5 Anwendungsbereich Die Herstellung von Prototypen erfordert auch die Ber cksichtigung von Anforderungen an deren Funktion Somit bestimmt der Prototyp letztendlich die F getechnik sowie das Herstellungsverfahren selbst Das MLJ Verfahren nutzt bisher zur Fertigung nur das Fr sverfahren sowie die Bohrung Zapfen Kombination als F getechnik In der Praxis treten jedoch Prototypen auf welche in eine Fr s und Drehbearbeitung unterteilt werden m ssen Der Grund f r eine Kombination beider Fertigungsverfahren kann in den f r eine korrekte Funktion des Prototyps erforderlichen Ma Form und Oberfl chengenauigkeiten zu finden sein welche unter Umst nden durch eine alleinige Nutzung des Fr sverfahrens nicht gew hrleistet werden k nnen Ein anderer Grund kann in der Geometrie des Prototyps liegen die eine komplette 3 Anforderungen an eine reversible F getechnik f r Funktionsprototypen 37 Fertigung mittels Fr sen nicht zul sst oder u erst schwierig gestalten w rde W hrend mit der Fr sbearbeitung praktisch beliebige Konturen hergestellt werden k nnen erm glicht die Drehbearbeitung die Herstellung von hochgenauen Rotationsk rper
88. d von 6 03mm f hren Die Verdoppelung der Positioniergenauigkeit Al liegt darin begr ndet dass sowohl die Mittelachse der ersten als auch der zweiten Bohrung verschoben sein k nnen Dieselbe berlegung ist auf die Zapfengeometrie des Opferblockes zu bertragen wobei es dort im ung nstigsten Fall zu einer Verkleinerung des Soll Zapfenabstandes auf 5 97 mm kommen kann Damit ergibt sich allein aus der Positioniergenauigkeit Al eine Achsabstandsdifferenz zwischen dem Bohrung und dem Zapfenpaar von 0 06mm In Verbindung mit dem notwendigen berma zur bertragung von Bearbeitungskr ften f hrt dieser Sachverhalt zu nicht f gbaren Bohrungs Zapfenpaarungen zwischen Bauteilschicht und Opferblock Die zweite Schwierigkeit liegt in der bereits angesprochenen fr stechnischen Herstellung der berma passungen W hrend sich die Bohrungsdurchmesser hochgenau durch Reiben herstellen lassen so ergeben sich insbesondere bei der Herstellung der Zapfengeometrie Abweichungen Diese entstehen dadurch dass diese bei der Fertigung vom Fr swerkzeug umfahren werden m ssen In Abh ngigkeit vom Durchmesser und der Ausspannl nge des Fr sers sowie der Wahl der Schnittparameter kann es zu Verformungen am Fr ser kommen so dass die Gestalt der Zapfen negativ beeinflusst wird Dies f hrt zu einer Ma und Formabweichung so dass das gew hlte berma f r die Passung nicht realisiert werden kann Dieses Problem versch rft sich 2 Stand de
89. die Sicherheit dagegen ber 1 so ist theoretisch f r eine ausreichende Festigkeit gesorgt An dieser Stelle sei angemerkt dass der Benutzer ber die H he der Sicherheit individuell zu entscheiden hat 4 2 Benutzerfreundlichkeit Zum Erreichen einer optimalen Benutzerfreundlichkeit werden eine den vorliegenden Aufgaben gerechte einfache Bedienung des Programms und eine erh hte Stabilit t gegen ber m glichen Benutzerfehlern angestrebt Um dies zu gew hrleisten m ssen die folgenden Anforderungen ber cksichtigt werden Bereitstellung einer Benutzeroberfl che Integration in die CAD Umgebung Fehlertoleranz 4 Anforderungen an eine rechnerunterst tzte Auslegung 41 Die Benutzeroberfl che muss nicht nur eine einfache Bedienung gew hrleisten sondern der Aufbau der Benutzeroberfl che muss u erst bersichtlich gestaltet und dessen Inhalt passend zur Aufgabe sein Zur Unterst tzung des Verst ndnisses kann es erforderlich sein den Inhalt der Oberfl che um Informationsskizzen zu erg nzen Gerade in Hinsicht auf die Eingabe von Ma en f r das Dimensionieren der F getechnik ist es notwendig deren Bedeutung zu kennen Die Integration des Programms in die CAD Umgebung hat f r den Benutzer mehrere Vorteile welche sich auch direkt auf die Benutzerfreundlichkeit auswirken So kann die Auslegung der F getechnik unmittelbar in der CAD Umgebung erfolgen ohne dass das CAD System verlassen werden muss Dies bedeut
90. dung eines Schaftfr sers entsteht Durch diese Ma nahme wird der Fl chentraganteil der Zahnflanken positiv beeinflusst Im zweiten Fertigungsschritt wird die eigentliche Geometrie von Segment 5 drehtechnisch hergestellt Dazu wird der bereits aus Kapitel 5 2 2 3 und Kapitel 6 2 bekannte Referenzk rper mit dem Segment verbunden vgl Abbildung 6 38 Er dient zur Aufspannung in die Drehmaschine bzw in das Dreibackenfutter Referenzk rper Innensechskantschraube Abbildung 6 38 Referenzk rper f r die zentrische Aufnahme in ein Drehnackenfutter Grunds tzlich kann die Aufnahme von Segment 5 in die Drehmaschine auch ohne den Referenzk rper bzw die Prismen Verzahnung realisiert werden Jedoch bietet das Aufnehmen ber die Prismen Verzahnung wie bei dem Spannen auf dem Maschinentisch der Fr smaschine den Vorteil der uneingeschr nkten Zug nglichkeit des Bearbeitungswerkzeugs zum Werkst ck Damit entfallen zeitintensive Umspann und Einrichtungsvorg nge des Werkst cks Im vorliegenden Falle bedeutet dies dass die gesamte Bearbeitung des Segmentes 5 in einer Aufspannung erfolgen kann 6 Exemplarische Verifikation 161 Reitstockspitze Si S e S A Abbildung 6 39 2 Fertigungsschritt Herstellung des Segmentes 5 mittels Drehen Die Abbildung 6 39 zeigt die Herstellung von Segment 5 mittels der manuellen Leit und Zugspindeldrehmaschine Kirloskar ID 175 800 Im Sinne einer schnellen und automatisierten Prototypenfertigu
91. e vgl Abbildung 6 16 wird anstatt des Exzenter Spannsystems eine Schraube M10 verwendet Dazu ist die vertikale Zugangsbohrung der Vorrichtung vgl Abbildung 5 35 mit einem Gewinde zu versehen Die zu bearbeitende Schicht wird mittels der Schraube von oben mit der Vorrichtung verbunden Diese Vorgehensweise ist nur bei Schichten mit einer Durchgangsbohrung m glich Zum Erreichen der erforderlichen Vorspannkraft F ist ein definiertes Anzugsmoment f r die Schraube erforderlich welches gem der Schraubenauslegung zu bestimmen ist 10 13 14 Da das Segment5 Grundzapfen mit Passfedernut drehtechnisch hergestellt wird ist der Festigkeitsnachweis anhand der dort auftretenden Zerspankr fte durchzuf hren Diese sind in gleicher Weise zu ermitteln wie die Zerspankr fte des Fr sens 27 28 Durch die Verwendung eines Reitstocks mit Zentrierspitze werden die Belastungen auf die Prismen Verzahnung reduziert wodurch gr ere Zerspankr fte aufgenommen werden k nnen Durch bet tigen des OK Button gr ner Haken wird der Teilprozess Einf gen Trennen und Speichern ausgel st Das CAD Modell wird in f nf Segmente getrennt welche mit einer Prismen Verzahnung versehen sind und anschlie end entsprechend der in Kapitel 5 3 1 vorgestellten Dateistruktur vgl Abbildung 5 43 gespeichert 6 Exemplarische Verifikation 156 Die Abbildung 6 33 zeigt das Ergebnis der datentechnischen Aufbereitun
92. e Mittelachse der gemeinsame Mittelachse der Bohrung Zapfen Kombination Bohrung Zapfen Kombination Abbildung 2 18 Problematik des Spannens mittels Opferblock 2 Stand der Technik 27 Durch die Positionierungenauigkeit Al der CNC Fr smaschine kann diese Forderung nicht erf llt werden mit dem Ergebnis dass die Bohrungen und Zapfen keine gemeinsame Mittelachse aufweisen Dieses Problem f hrt in Abh ngigkeit von der erreichten Achsabstandsdifferenz zu folgenden Schwierigkeiten Bei zu gro er Abstandsdifferenz ist ein Aufschieben der Bauteil schicht auf den Opferblock nicht m glich In diesem Fall ist die Bauteilschicht Ausschuss oder der Opferblock muss neu angefertigt werden Wenn die Fertigungsabweichung klein ist so ist ein Aufschieben der Bauteilschicht auf den Opferblock zwar m glich jedoch kann nicht davon ausgegangen werden dass die Pressverb nde auf ihrem vollen Umfang tragen wodurch die Haltekraft w hrend der Bearbeitung vermindert wird Die Positioniergenauigkeit Al eines konventionellen 3 Achs CNC Bearbeitungszentrums wie z B die des Bearbeitungszentrums BAZ 15 CNC 60 40 der Firma Alzmetall betr gt entlang jeder Verfahrachse x yundz 0 015mm 8 Daraus ergeben sich folgende theoretische berlegungen welche den beschriebenen Sachverhalt unterstreichen Wird beispielsweise ein Bohrungsabstand B von 6mm angestrebt so kann die Positioniergenauigkeit entlang der x Achse zu einem vergr erten Ist Bohrungsabstan
93. e reversible F getechnik f r Funktionsprototypen 33 3 1 Mechanische EEGENEN 33 32 Nulzung als Spannlechnlk nuneae ee ea 34 3 3 EEHIQUNISKONMTOlE Mana reiner ar 39 3 4 Ee UE 36 3 9 Ee e Lee e D 36 4 Anforderungen an eine rechnerunterst tzte Auslegung zu22222222 38 2 1 kee Eeer 38 All SEINgaADE nn Here ee yet oa 38 EE 39 43123 AUSGABE ne rennen 40 4 2 Benutzertreundichket anne nano nano nnnnnne anna 40 Ta EE 41 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 2 2u0220 n00n0nannannnnun nun nun nn 43 5 1 Architektur des Gesamtkonzeptes nenn 43 5 2 Reversible F getechniken f r Funktionsprototypen onsssenennensensnennennn 45 5 2 1 Bohbrung Zapten kombunaton nennen nennen 52 Inhaltsverzeichnis II e ER Ge Ein EE 52 9 2 1 2 Festigkeitsbetrachtung 22u2200000000000nnn anno nun ann ann nnn nen nun ann nnn nennen 55 JAS le ele en UL ne ee 61 9 2 2 Piismen VeIlZzanhung users 67 9 2 21 REI ossessioni re e 67 92 22 FESHgKESDErACMUNG EE 13 3 2 23 ele Ten UL Te BEE 86 5 3 Programm Modul zur rechnerunterst tzten Auslegung 91 9 981 EE ee ee 91 5 3 2 Allgemeiner Aufbau 000 nno ann nnennnnnnennnnnnennnnnnennnnnnnnnennne 102 5 3 3 Umsetzung und Integration in ein CA Zvstem seen 104 6 Exemplarische Verifikation ei 124 6 1 Beispiel 1 Komplexer Probek rper mit Bohrung Zapfen Kombination 125 6
94. edoch nur eine translatorische Bewegung Durch Hinzunahmen einer zweiten Bohrung Zapfen Kombination pro Schnittebene wird zus tzlich eine rotatorische Bewegung verhindert Im Folgenden wird die zweiseitige Bauteilbearbeitung anhand von zwei aufeinander folgenden Bauteilschichten und die Nutzung der inneren Hilfsgeometrie in ihrer positiven und negativen Auspr gung als Spanntechnik erl utert g b Bauteilschich 1 negativ ausgepr gte Bauteilschich Hilfsgeometrie positiv ausgepr gte Hilfsgeometrie Fr ser konventionelle Spannbacker Spannkraft Fe Abbildung 2 15 1 Fertigungsschritt a Bauteilschicht mit Bohrungen b Bauteilschicht mit Zapfen Im ersten Fertigungsschritt wird die Bearbeitung aus der Richtung der Unterseite durchgef hrt Da das Rohmaterial einer einfachen geometrischen Struktur entspricht kann es mittels 2 Stand der Technik 24 konventioneller Spannmittel auf dem Maschinentisch fixiert werden In der ersten Aufspannung wird neben der Erstellung der eigentlichen Schichtgeometrie auch die Hilfsgeometrie herausgearbeitet vgl Abbildung 2 15 F r eine umfassende fr stechnische Bearbeitung ist es erforderlich dass der Fr ser einen uneingeschr nkten Zugang zur Bauteilschicht vorfindet Dies wird wie bereits in Kapitel 2 2 3 erl utert durch die Zugabe eines Spannbereichs h zur Rohmaterialh he h erreicht Nach Beendigung der Fertigung aus der Richtung der Unterseite wird im zwei
95. egensatz zur Schmelzschwei verbindung mit Schlupf behaftet Dadurch besteht die Gefahr der berlastung der Schmelzschwei verbindung 12 Da das MLJ F gekonzept f r die bertragung von Belastungen in der Trennebene die Bohrung Z apfen Kombination vorsieht wird diese im Folgenden einer Festigkeitsbetrachtung unterzogen F r die Auslegung einer Schraubverbindung oder eines zentralen Pressverbandes zur Aufnahme der Normalkraft F wird auf die g ngige Literatur verwiesen 10 13 14 Die Bohrung Zapfen Kombinationen k nnen in der Trennebene Querkraft und Torsionsbelastungen aufnehmen und hierbei wird der Zapfen beansprucht auf Biegung Schub und Pressung Die Bohrungen hingegen werden nur auf Pressung belastet Die mechanischen Belastungen k nnen sowohl aus dem Betrieb als Funktionsprototyp als auch bei der Nutzung als Spanntechnik durch auftretende Zerspankr fte hervorgerufen werden a b Durchgangsbohrung zur Nutzung einer kontextabh ngigen F getechnik Bauteilschicht B Passungsspiel Bauteilschicht A Bohrung Zapfen Kombination Abbildung 5 9 Bohrung Zapfen Kombination a Draufsicht b Seitenansicht im Schnitt 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 57 F r eine richtige Anwendung der nachfolgenden Auslegungsformeln muss beachtet werden dass f r die bertragung einer Torsionsbelast
96. egung von reversiblen F getechniken f r 83 Funktionsprototypen Die Abbildung 5 33 zeigt eine ung nstige Zahnstellung bei dem der unterste Zahn der F getechnik die gesamte Biegebelastung M aufnimmt entlastete Zahnflanker A e EN i R a L u j rai L Zu e Fr F Zahnflanke Zahnkopf Abbildung 5 33 Biegebelastung M ung nstige Zahnstellung sowie Kr fte an der Zahnflanke Die aus der Biegebelastung M resultierende Biegekraft F o auf eine Zahnflanke errechnet sich nach M F 2 Gl 5 26 dch mit h cos 30 Gl 5 27 Die f r die Fl chenpressung p erforderliche Normalkraft P r ergibt sich zu Gl 5 28 F KH en mit a Flankenwinkel Pn Se COS 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 84 Damit kann die Fl chenpressung p nach bekannter Beziehung wie folgt ermittelt werden F P mit A Flankenfl che Gl 5 29 A Unter Ber cksichtung der aus der Vorspannung F resultierenden Fl chenpressung p ergibt sich daraus eine Gesamtfl chenpressung pr Dabei erh ht sich die Fl chenpressung an beiden Zahnflanken des unteren Zahnes auf Pog P Ps Gl 5 30 Im Gegenzug dazu werden zwei gegen berliegende Zahnflanken der beiden anderen Z hne um den Betrag der Fl chenpressung p entlastet Daraus ergibt sich f r eine entlastete Zahnflanke folgende reduzierte Gesamtf
97. eilprozess Einf gen Trennen und Speichern Der letzte Teilprozess beinhaltet das Einf gen der Prismenverzahnungen sowie das Trennen des CAD Modells Dazu ist es erforderlich dass zuvor die Teilprozesse Positionsangaben und Geometrieangaben vom Benutzer abgearbeitet worden sind Durch Best tigung des OK Buttons wird der Teilprozess automatisch ausgel st Dazu wird zuerst eine Sicherungskopie des CAD Modells angelegt und in dem selben Verzeichnis abgelegt in dem sich die Ausgangsdatei befindet Im Anschluss wird das Einf gen der Prismenverzahnungen und das Trennen des CAD Modells realisiert Die dabei entstehenden Bauteilschichten mit Prismenverzahnungen werden ebenfalls im Arbeitsverzeichnis abgelegt Die Abbildung 5 43 zeigt die dabei entstehende Dateistruktur am Beispiel einer Quelldatei namens Prototyp CAD Datei welche die Geometrie des herzustellenden Prototyps beinhaltet 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 98 Arbeitsverzeichnis Prototyp CAT Date Prototyg_Sicherungskopie CAT Date Drototvt Gchcht CA Date Drototvt Gchcht CA Date Drototvt Gchcht CA Date Prototye_Schicht_ CAC Datei Prototye_Schicht_r CA Date Abbildung 5 43 Dateistruktur ausgehend von der Quelldatei Drototvp CAD Date Das Programm Modul bietet die M glichkeit die Prismenverzahnung der aktuellen Trennebene zu
98. eitlinie Nach dem Erstellen der Skizzen sowie der Leitlinie wird der Schnitt ausgetragen Dazu wird die Skizze des Zahnkopfes des Zahnfu es sowie die Leitlinie selektiert vgl Abbildung 5 55 Leitlinie Skizze Geometrie Skizze Geometrie des Zahnfu es des Zahnkopfes Abbildung 5 55 Austragen eines Schnittes zum Erstellen einer halben Zahnl cke Dieser Vorgang geschieht mittels der Methode SelectByID bei der der Zugriff auf die Elemente ber die zuvor vergebenen Namen erfolgt Die selektierten Elemente werden dann mittels der Methode InsertCutBlend zu einem Schnitt austragen Die Abbildung 5 56 zeigt den dazugeh rigen Quelltextausschnitt 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 118 E E I kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkk Erstellen der Z hne bzw Zahnluecken Set FaceZ Nothing boolstatus Part Extension SelectByID Geometrie des Zahnfusses amp Schniti Nr amp Akl_col SKETCH 0 0 0 False 1 Nothing boolstatus Part Extension SelectByID Geometrie des Zahnkopfs amp Schniti Nr amp Akl_col SKETCH 0 0 0 True 1 Nothing boolstatus Part Extension SelectByID Leitlinie amp Schniti Nr amp _ Akt_col SKETCH 0 0 0 True 4093 Nothing Set FaceZ Part FeatureManager InsertCutBlenc 0 0 0 1 00000_ er Abbildung 5 56 Quelltextausschnitt zum Erstellen der
99. en dass zwei Bauteilschichten nicht korrekt gef gt werden k nnen Da Grate nicht immer durch eine augenscheinliche Untersuchung aufgesp rt und beseitigt werden k nnen ist eine berpr fung des Gesamtfr sergebnisses durch eine Fertigungskontrolle unabdingbar Fine Kontrolle beinhaltet zum einen die berpr fung ob sich alle Bauteilschichten korrekt aufeinander schieben lassen und beinhaltet zum anderen eine berpr fung des Kontur bergangs von Bauteilschicht zu Bauteilschicht In beiden F llen m ssen die Bauteilschichten vorab probeweise zusammengelegt werden k nnen Dies wird bei der Nutzung der Bohrung Zapfen Kombination als F getechnik jedoch durch das Vorhanden sein des Pressverbandes verhindert Bleibt beispielsweise ein Grat in der Trennebene unerkannt so kann dies zu einem Ausschuss des Prototyps f hren da durch das Zusammenschieben der Bauteilschichten automatisch der F geprozess eingeleitet wird welcher als irreversibel einzustufen ist Dies ist vor allem immer dann der Fall wenn keine u eren Zugkr fte zum Trennen der Pressverbindung an dem Prototyp aufgebracht werden k nnen oder die mechanische Belastung durch den Trennprozess zur Zerst rung des Prototyps f hren kann Die Funktionsweise der F getechnik muss deshalb so konzipiert werden dass eine uneingeschr nkte Fertigungskontrolle m glich ist 3 Anforderungen an eine reversible F getechnik f r Funktionsprototypen 36 3 4 Reversibilit t
100. en Programmiersprachen zu f hren k nnen die wesentlichen Eigenschaften in Bezug auf das hier zu entwickelnde Konzept wie folgt zusammengefasst werden COM Component Object Model 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 107 Zun chst kann eine Zusatzanwendung f r die Implementierung der Funktionen des Konzepts grunds tzlich mit beiden Sprachen erstellt werden In Bezug auf die Laufzeiteigenschaften bietet C die deutlich bessere Performance gegen ber Visual Basic Dieser Unterschied macht sich besonders bemerkbar wenn von der Zusatzapplikation in gro em Umfang Operationen auf Elementen der Datenstruktur durchgef hrt werden Typische Aufgabenstellungen dieser Art sind beispielsweise Algorithmen in denen mehrfach durch die gesamte Datenstruktur des CAD Modells iteriert werden muss Demgegen ber wird die Zeit f r die Erstellung einer Zusatzapplikation mit Hilfe von C auf Grund der komplexeren Syntax l nger ausfallen als bei Visual Basic was noch dadurch verst rkt wird dass durch die Verwendung von aufgezeichneten SohdWorks Makros bereits Code Vorlagen in Visual Basic erzeugt werden k nnen die direkt in ein VB Projekt integriert werden k nnen 23 Da f r die Umsetzung der hier zu entwickelnden Funktionen keine umfangreichen Operationen in der Datenstruktur erforderlich sind kommt dem Gesichtpunkt der Performance eine untergeordnete Bedeutun
101. en und Trennen in einzelne Bauteilschichten anhand der Abbildung 5 46 erl utert Ausgangssituation ist der bereits aus der Abbildung 5 44 bekannte einfache zylindrische K rper mit einer Trennebene Im ersten Schritt wird die Erstellung der ersten Bauteilschicht vorgenommen Dazu wird zuerst die Prismenverzahnung erzeugt und im Anschluss daran der Prototyp getrennt Die Durchf hrung geschieht im Wesentlichen mit Hilfe Boolescher Operationen F r die Erzeugung der Prismenverzahnung wird im Bereich der Trennebene die Geometrie einer Zahnl cke vom Programm Modul erstellt und vom Gesamtmodell des Prototyps subtrahiert 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 101 Ausgangssituatior Prototyg CAL Datei BL A 9 Trennebene E Y Prototyp Y Schritt Prototyg CAL Datei Prototygf_Schicht_1 CAD Datei Zahnl cke Subtraktions linie 1 Subtraktions richtunc 1 2 Schritt Prototyg CAL Datei Zahnl cke Subtraktions linie 2 richtunc 2 a Subtraktions Prototyp_Schich_2 CAD Datei Abbildung 5 46 Prinzipdarstellung Einf gen der Prismenverzahnung und Trennen des Prototyps Im Anschluss daran wird die Zahnl cke gem der angegebenen Z hnezahl um die Referenzachse gemustert bzw vervielf ltigt F r die Separierung der ersten Bauteilschicht vom 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F ge
102. end die gew hlte Vorspannkraft einzutragen welche gr er als die Mindestvorspannkraft sein muss Daraufhin wird die zuvor ermittelte Fl chenpressung unter Ber cksichtigung der gew hlten Vorspannkraft aktualisiert Kommt es dabei zu einer berschreitung der zul ssigen Fl chenpressung wird dies in der Status Box angezeigt vgl Abbildung 6 15b Eine Erh hung der ertragbaren Fl chenpressung kann grunds tzlich durch eine Vergr erung der Zahnflankenfl che oder die Wahl eines anderen Werkstoffs vorgenommen werden 6 Exemplarische Verifikation 139 ji IT ES Flachenpressung 130 77 em Belastungs Kollektiv Belastungs Kollektiv Tarsionsmonent Nm RN Torsionsmoment Nm RE Querkralt N pn Querkraft N E Biegemoment Nm IR Biegemoment Nm WE Werkstoff 7 Sicherheit Sicherheitsfakton GERS Fl chentragantei Sc e Fl chentragantel 34 ES Vorspannkralt N Yorspannkraft N mindestens 4283 89 mindestens 4289 89 Abbildung 6 15 a Ermittlung der Mindestvorspannkraft b Eingabe der gew hlten Vorspannkraft F r die Auslegung der F getechnik anhand der auftretenden Belastungen infolge der Fr sbearbeitung sind Kenntnisse ber Gr e und Richtung der Zerspankraftkomponenten erforderlich Besonders wichtige Komponenten sind in diesem Zusammenhang die Vorschubkraft F und die Passivkraft F welche f r die Berechnung von Werkzeugen und Werkzeugspanneinrichtungen herangezogen werden Im Gegensatz d
103. enden werden die wesentlichen Defizite zusammenfassend dargestellt gt Eine rechnerunterst tzte Auslegung der Bohrung Zapfen Kombination im Sinne einer Festigkeitsbetrachtung liegt nicht vor gt Eine Bohrung Zapfen Kombination ist mechanisch berbestimmt und f hrt deshalb zu Schwierigkeiten bei der Nutzung als Spanntechnik w hrend der zweiseitigen Bauteilbearbeitung bei der Nutzung zum Positionieren der Bauteilschichten sowie bei der Nutzung als F getechnik gt Der Maschinenschraubstock zur Aufnahme von Bauteilschichten mit Zapfen verursacht plastische Verformungen gt Die berma passung zwischen den Bohrungen und den Zapfen schr nkt eine Fertigungskontrole ein gt Das F gen mittels Bohrung Zapfen Kombination ist irreversibel und deshalb ist ein Modifizieren des Prototyps durch Austauschen einzelner Schichten nicht m glich gt Die alleinige Beschr nkung auf die Fr stechnologie zur Herstellung von Prototypen schlie t andere Fertigungsverfahren aus Zur L sung der Defizite werden im Folgenden die Anforderungen an eine speziell f r den Prototypenbau mittels des MLJ Verfahrens geeignete F getechnik sowie an eine rechner unterst tzte Auslegung formuliert Im Anschluss daran wird durch die enge Kopplung zwischen F getechnik und rechnerunterst tzter Auslegung ein gemeinsames Gesamtkonzept vorgestellt es 3 Anforderungen an eine reversible F getechnik f r Funktionsprototypen Die Anforderungen
104. entierung von so genannten Formularen welche die grafische Benutzeroberfl che des Programm Moduls enthalten So wird beispielsweise das Unterprogramm Geometrie und Positionsangaben als Formular implementiert 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 115 Da das Modul zum Einf gen Trennen und Speichern das umfangreichste Modul darstellt werden im Folgenden Ausschnitte aus dem Quelltext mit den wichtigsten API Funktionen zu dessen Umsetzung beschrieben Die Ausf hrungen beziehen sich auf den in Kapitel 5 3 1 bereits vorgestellten zylindrischen K rper mit einer Trennebene Die erforderlichen Daten zum Einf gen Trennen und Speichern werden aus dem Modul Positions und Geometrieangaben herangezogen Die vom Benutzer angegebenen Daten sind dort in einem so genannten MSFlexGrid gespeichert Dabei handelt es sich um ein zweidimensionales Tabellen Steuerelement hnlich wie das einer Excel Tabelle Es k nnen dort gezielt Daten abgelegt und wieder angesprochen werden Neben den angegebenen Daten des Benutzers wird das MSFlexGrid vom Programm Modul selbst zum Speichern von Daten genutzt welche w hrend der Laufzeit entstehen In den nachfolgenden Quelltextausschnitten ist daher oft ein Zugriff auf das Tabellen Steuerelement zu erkennen Im ersten Schritt erfolgt das Einf gen der Prismenverzahnung Dazu ist es erforderlich dass das CAD Mode
105. er fertigungstechnischen Ausf hrung zu erheblichen Schwierigkeiten bei der Nutzung als Spann Positionier und F getechnik So f hrt die Bohrung Zapfen Kombination bei der Nutzung als Spanntechnik im Zusammenhang mit dem Opferblock zu einer mechanischen berbestimmung was die Nutzung stark einschr gt Der Grund daf r wurde bereits in Kapitel 2 3 2 hinreichend diskutiert Die gleiche Schwierigkeit ergibt sich bei der Nutzung als F getechnik Dies ist damit zu erkl ren dass zum F gen der Bauteilschichten das gleiche Prinzip angewandt wird wie beim Spannen der Bauteilschichten mittels Opferblock 3 Anforderungen an eine reversible F getechnik f r Funktionsprototypen 34 Bei der Nutzung als Positioniertechnik ergibt sich zwar der gleiche Zusammenhang jedoch mit dem Unterschied dass die mechanische berbestimmung durch die Wahl einer geeigneten Spielpassung kompensiert werden kann Diese Vorgehensweise macht das Positionieren mittels einer Bohrung Zapfen Kombination grunds tzlich anwendbar jedoch ist durch das notwendige Spiel zwischen Bohrungen und Zapfen die Positioniereigenschaft als suboptimal einzustufen An dieser Stelle sei ausdr cklich darauf hingewiesen dass die Positioniereigenschaft der Bohrung Zapfen Kombination f r viele Anwendungen ausreichend sein kann 3 2 Nutzung als Spanntechnik Die Nutzung der F getechnik zum Spannen von Bauteilschichten bedingt das Vorhandensein einer Vorrichtung welche die Bauteils
106. er Zerspankr fte dimensioniert welche bei der Nutzung als Spanntechnik w hrend der Fr sbearbeitung entstehen Das komplexe Themengebiet zur Ermittlung von Zerspankr ften wird in Kapitel 6 2 in Zusammenhang mit dem Programm Modul zur rechnerunterst tzten Auslegung der Prismen Verzahnung eingehend erl utert Im vorliegenden Fall wird f r die 6 Exemplarische Verifikation 128 Herstellung des Probek rpers der Werkstoff A MsS7 1 und ein Zapfendurchmesser von 8mm gew hlt Dieser ist in Bezug auf die auftretenden Zerspankr fte vgl Kapitel 6 2 stark berdimensioniert jedoch passt dieser zu den Proportionen der Schichten Aufgrund der mechanischen berbestimmung der Bohrung Zapfen Kombination ist die Wahl des Spiels zwischen Bohrungen und Zapfen f r den sp teren F gevorgang wichtig Da auf das Spannen von Bohrungen verzichtet werden soll vgl Kapitel 5 2 1 erh lt die Schicht A zus tzlich zu den Bohrungen zwei Zapfen und die Schicht B zus tzlich zu den Zapfen zwei Bohrungen Dadurch verf gt jede Schicht ber Bohrungen und Zapfen wodurch sich die mechanische berbestimmung grunds tzlich versch rft vgl Abbildung 6 4 In Anbetracht der massiven Zapfen sind jedoch keine relevanten Formabweichungen durch den Fr sprozess infolge von Biegung zu erwarten vgl Kapitel 2 3 2 Im vorliegenden Fall wurde daher ein Spiel von 0 1mm gew hlt und als umsetzbar erachtet Schicht A Schicht B Abbildung 6 4 Erweiterung der
107. ersten Schritt werden vom Benutzer die Irennebenen angegeben an denen das CAD Modell durchgeschnitten werden soll Mit der Anzahl der Trennebenen wird automatisch die Anzahl der einzuf genden Prismenverzahnungen festgelegt An dieser Stelle sei darauf hingewiesen dass eine Hinterschneidungsanalyse zum automatischen Einf gen von Trennebenen nicht vorliegt Zum Setzen der Trennebenen werden am CAD Modell Referenzfl chen bzw ebenen definiert welche vom Programm Modul erkannt werden Die einzuf genden Trennebenen werden dann als Offset in einem vom Benutzer selbst definierten Abstand angegeben bezogen auf die Referenzfl chen bzw ebenen Liegen keine geeignete Referenzfl chen bzw ebenen vor so sind diese dem CAD Modell mittels der Funktionalit ten des CAD Systems hinzuzuf gen Das Positionieren der Prismenverzahnung auf der jeweiligen Trennebene geschieht durch Einf gen einer Referenzachse in das CAD Modell Die Position ergibt sich dabei aus dem Schnittpunkt zwischen der Trennebene und der Referenzachse Dabei ist darauf zu achten dass die Referenzachse senkrecht auf der Trennebene steht Die Referenzachse entspricht der Mittel bzw Zentrierachse der Prismenverzahnung Liegen Trennebenen unterschiedlicher Ausrichtung vor oder liegen die einzuf genden Prismenverzahnungen nicht auf einer gemeinsamen Referenzachse so sind entsprechende Referenzachsen zu definieren
108. essen und Setzen eines Referenznullpunktes bekannt gemacht wird Dies ist jedoch unter Umst nden nicht m glich wenn die Bauteilschicht ber keine definierte Kontur zum Antasten und Setzten des Referenznullpunktes verf gt Diese Problematik kann vor allem im zweiten Fertigungsschritt auftreten da der vorangegangene erste Fertigungsschritt die Bezugsgeometrien durch die Fr sbearbeitung ver ndert bzw abgetragen haben kann 2 Stand der Technik 25 a b Bauteilschicht 2 Fr ser positiv ausgepr gte Hilfsgeometrie konventionelle Spannkraft Fs Spannbacken Abbildung 2 16 2 Fertigungsschritt Spannen mittels positiv ausgepr gter Hilfsgeometrie a b Bauteilschicht 1 mit negativ ausgepr gter Hilfsgeometrie Fr ser Druckkr fte Pressverband Opferblock mit positiv ausgepr gter Hilfsgeometrie Spannkraft Fs konventionelle Spannbacken Abbildung 2 17 2 Fertigungsschritt Spannen mittels negativ ausgepr gter Hilfsgeometrie F r die Fixierung der Bauteilschicht mit negativ ausgepr gter Hilfsgeometrie ist ein so genannter Opferblock notwendig Die Form der positiv ausgepr gten Hilfsgeometrie des Opferblockes 2 Stand der Technik 26 entspricht der negativ ausgepr gten Hilfsgeometrie der zu spannenden Bauteilschicht Dies sind zwei kreiszylindrische Zapfen welche gegen ber den Bohrungen der zu spannenden Bauteilschicht mit einem berma versehen sind Das berma auf de
109. et zum einem eine Zeitersparnis und zum anderen k nnen die Strukturen und Funktionalit ten der CAD Software besser genutzt werden Auf diese Weise ist es problemlos m glich die Geometriedaten aus der rechnerunterst tzten Auslegung auf das CAD Modell der F getechnik zu referenzieren und damit er brigt sich eine manuelle Anpassung an die ermittelten Geometrie Daten Um die Stabilit t des Programms gegen ber den Eingabefehlern des Benutzers sicherzustellen muss das Programm ber eine Fehlertoleranz verf gen Eine erste M glichkeit f r eine derartige Umsetzung ist die Nutzung eine Plausibilit tskontrolle indem Eingabefehler wie beispielsweise Innendurchmesser gt Au endurchmesser bei einem kreiszylindrischen Hohlrohr verhindert bzw abgefangen werden Eine weitere M glichkeit ist die Eliminierung von Fehleingaben durch eine weitgehende Verwendung von Auswahlfeldern statt Texteingabefeldern 9 11 4 3 Wartbarkeit F r den Anwender spielt die Wartbarkeit eines Programms keine direkte Rolle F r die Weiterentwicklung dagegen ist sie jedoch von besonderem Interesse da mit einer Wartung nicht nur Zeit und Kosten gespart werden sondern auch die jeweils aktuellen Technologien in das Programm eingebunden werden k nnen 9 11 An die Wartbarkeit lassen sich die folgenden Anforderungen formulieren Aufsuchen und Beheben von Fehlern in m glichst kurzer Zeit Verbesserungs und Anpassungsm
110. f hren da diese mitunter hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind Hinzu kommt dass der zus tzliche Klebstoff zwischen den Schichten einen prinzipiellen Fehler in der Gesamth he des Bauteils verursacht Das System von Muhr arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie das System SZratoconception Der wesentliche Unterschied besteht jedoch darin dass Mar die M glichkeit einer zweiseitigen Schichtbearbeitung anbietet Damit sind gegenl ufige Hinterschneidungen herstellbar und der Treppenstufeneffekt entf llt vgl Abbildung 2 3 a D 4 bearbeitete Konturen Ze Se Sne WM Be Ze ATTA e D Aa Ni D H L gt D angen herte Kontur einseitige Bearbeitung zweiseitige Bearbeitung Abbildung 2 3 a Stratoconception b Millit 4 Der Umgang mit dem Softwareprogramm Mallit gestaltet sich hnlich wie mit Syratoconception So m ssen ebenfalls die Orientierung sowie die maximale Schichtdicke angegeben werden Zudem besteht auch hier die M glichkeit Bohrungen f r das sp tere Montieren und Positionieren der Schichten zu setzten Im Anschluss daran erfolgt analog zu Srratoconception das Zerlegen des Prototyps in einzelne Schichten sowie die verschnittoptimierte Anordnung auf den Platten Maar erkennt ebenfalls Hinterschneidungen und f hrt in diesem Bereich eine Zerlegung der Geometrie durch zur Eliminierung der Hinterschneidung Im Gegensatz zu dem System von Siratoconception werden die Schichten grunds
111. f hrung der Zerspankr fte auf die Grundbelastungsarten gem Abbildung 6 16 ergibt unter Ber cksichtigung der Rohmaterialabmessungen Durchmesser 120mm H he 30mm folgende Kr fte und Momente aus der Vorschubkraft F resultierend Querkraft F 130N Torsionsmoment M 7 8Nm Biegemoment M 3 9Nm aus der Passivkraft F resultierend Druckkraft F 78N Biegemoment M 4 68Nm Die Abbildung 6 17 zeigt die aus den auftretenden Belastungen ermittelte Fl chenpressung und Mindestvorspannkraft Die resultierende Fl chenpressung ist f r den Werkstoff AUMgSz 1 zul ssig Im Gegensatz dazu ist die erforderliche Mindestvorspannkraft f r das verwendete Exzenter Spannsystem als problematische einzustufen da dieses nur eine Vorspannkraft von ca 3kN aufbringen kann vgl Kapitel 5 2 2 3 Um ein Versagen des Systems zu verhindern sollten die Zerspanungskr fte durch eine Variation der Prozessparameter reduziert werden Dies kann beispielsweise durch Herabsetzen der Vorschubgeschwindigkeit erreicht werden 6 Exemplarische Verifikation Schnitt Hr H 9 Flachenpressung 28 73 N mert Belastungs Kollektiv Querkraft N FETE Biegemoment Nm EE Werkstoff 7 Sicherheit zul ssige Fl chenpressung EE Nier Sicherhetstakltor LE Fl chenteaganten 25 ee Vorzpannkraft N Fl chenptessung 69 97 IN me Belastungs Kollektiv Torssonsmament Hm SE Quekraft N 9 Biegernoment Nm
112. fbau f r die Ermittlung der Konzentrizit tsabweichung der Prismen Verzahnung bestehend aus dem Segment 4 Kurbelwange und dem Segment 5 Grundzapfen mit Passfedernut Segmenti 5 Grundzapfen mil Passfedernut Segment 4 Ebene zur Aufnahme der Kurbelwange Messwerte Bestimmung der Durchmessei bzu der Konzentrizit tsabweichung Abbildung 6 43 Bestimmung der Konzentrizit t 6 Exemplarische Verifikation 165 Um den Einfluss anderer Lageabweichungen auf die Konzentrizit t gering zu halten werden die Au endurchmesser der Prismen Verzahnungen beider Segmente in einer gemeinsamen Ebene ermittelt Durch das Ineinandergreifen der Verzahnungen ist dies im Bereich der F gestelle m glich und gestattet eine direkte Ermittlung der Konzentrizit tsabweichung F r die Bestimmung der Winkelabweichungen wird messtechnisch die Achse des Grundzapfens mit Passfedernut sowie eine dazu senkrecht stehende Referenzfl che bestimmt Als Referenzfl che dient die Oberfl che der Kurbelwange vgl Abbildung 6 44 Die dabei entstehenden Winkelabweichungen k nnen sich in zwei Richtungen ergeben zum einen in der z x und zum anderen in der z y Ebene Segmen 5 Grundzapfen mil Passfedernut Achse von Segment 5 Referenzfl che von Segmeni A Segmeni 4 Kurbelwange Abbildung 6 44 Bestimmung der Winkelschiefstellungen Abschlie end wird die Verdrehung der Prismen Verzahnung bestimmt Dazu werden Segment 2 und
113. fnehmen und Spannen von Schichten welche nur Bohrungen besitzen wird verzichtet Der Grund daf r liegt einerseits darin dass das Spannen von Bohrungen als problematisch einzustufen ist und andererseits w rde dies nur die Anfangs oder Endschicht betreffen Daher werden bei einer zweiseitigen Bauteilbearbeitung die vorhandenen Bohrungen bei einer der beiden Schichten zus tzlich um ein Zapfenpaar erg nzt auf dem dann gespannt werden kann Da dieses zus tzliche Zapfenpaar das F gen der Schichten verhindert ist es nach der Fertigung wieder zu entfernen Um diesen Arbeitsschritt im Sinne einer schnellen Prototypenfertigung einzusparen kann stattdessen die Fl che der gegen berliegenden Schicht zus tzlich zu den Zapfen mit einem Bohrungspaar versehen werden wodurch die Kompatibilit t beider Schichten wieder hergestellt wird 5 2 1 1 F getechnik Die Anpassung der Bohrung Zapfen Kombination an das MLJ F gekonzept st tzt sich auf die r umliche Trennung von F ge und Positioniertechnik die Aufhebung der funktionalen Trennung zwischen F ge und Positioniertechnik und das kontextunabh ngige und abh ngige F gen Diese Aspekte sollen im Folgenden schrittweise erl utert werden 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 53 Die r umliche Trennung von F ge und Positioniertechnik bietet die M glichkeit die F getechnik so zu platziere
114. g auf der Basis der in Kapitel 5 2 2 2 beschriebenen Berechnungsgrundlagen 137 6 Exemplarische Verifikation Guy i 23 yenuuedsiornjsspuiy sje 189015 ye yuuedsion ayyema AIMS ONSBUNISEISg usp sne aus Jemuuedsiorgsspumy y yi y i Anz pun YoJsyiay unz uaqebuy an EC sAnyayJoy sBunjsejag sap agebulg Sunsssldusyseg y le xogsn els x IN HIUYOS In sIoMmyoeusyaybNss sIiemyoBusyeybijsaZ uap Jauyo Auuojebsne an usa amuse Sagan Bunog LS Bunpue Pula ase punah 8 WW u J L LA F G ensbsne Sr da d DE awa Geet wiet e Gel N yerqyuuedsioa BE LGJtuetemepeg rebtrauamg awu N p anaapa ab ssejnz Nay aya g 7 Joa H un euentepag PS N enpend DT un uawowsuoso anyajjoy s5umsejag asuy 0 Gunseduspe LC i pps elt bat hi sell wl DER an UI ausgss nzag sbunuyezieA sbunpunas a a asus D mamans Bunpunigeusgen AA Jesu gauaqa A3 zeuagg 3 sscojsseg N Zaang s Sek ER z6nzsg D DER I Droag A3 Dueuge mn Re Suen i gt uaqo d au A3 Tuadaoyuau noa IE bunypnatsg gnes yaba upan EE bunyuyasag ED i lt p adimg SN alas a Ua a SAMES SW Sam JspusJ zem Long ug uayeqeag aed e Sepp 008088 4 0508 B A A A 2 BE BANN o Je Samen 13d1049g014 3433121137 any TO TEST UE GUTE DUTOT LCE Tools am Beispiel eines Probek rpers Abbildung 6 14 Festigkeitsnachweis des Prismen Verzahnungs Dazu
115. g mittels des Prismen Verzahnungs Tools Wie auch in Kapitel 6 2 erfolgt das Einbringen von Gewinde bzw Durchgangsbohrungen an den Segmenten unter zu Hilfenahme des Bohrungsassistenten Segmeni Segmenti 2 Segment 1 Segmeni 4 Segmen 2 Abbildung 6 33 Ergebnis der datentechnischen Aufbereitung mittels des Prismen Verzahnungs Tools F r die Durchf hrung der fertigungstechnischen Ausf hrung werden die NC Codes f r die CNC Fr smaschine generiert Die Abbildung 6 34 zeigt die Fr swege des ersten Bearbeitungsschrittes von Segment 4 Kurbelwange Mit dessen Hilfe ist eine berpr fung der Fr sstrategie sowie der Kollision zwischen Fr ser und Werkst ck m glich Auf dem linken Teil der Abbildung sind zudem alle Bearbeitungsschritte aufgef hrt welche zur Herstellung des Segmentes aus einer Bearbeitungsrichtung notwendig sind Diese bestehen im Wesentlichen aus dem Schruppen dem Schlichten dem Zentrierbohren und dem Bohren Die Bearbeitungsschritte Zentrierbohren und Bohren dienen zur Erzeugung der Durchgangs bohrung Dabei sorgt das Zentrierbohren daf r dass der Bohrer beim Erstellen der Durchgangsbohrung nicht verl uft Die NC Codes werden nach der berpr fung auf die Maschinensteuerung der CNC Fr smaschine bertragen 6 Exemplarische Verifikation 157 S SolidWorks Lehr Edition Nur f r Lehrzwecke Kurbelwelle__43 Th Datei Bearbeiten Ansicht Einf gen Extras C
116. g zu so dass als Programmiersprache f r das Konzept Visual Basic ausgew hlt wird Visual Basic ist die Weiterendwicklung der prozeduralen Programmiersprache Basic Durch die nur unzureichenden Strukturierungsm glichkeiten von Basic werden gr ere Programme un bersichtlich und schwer nachvollziehbar Visual Basic behebt diesen Nachteil indem es objektorientierte Erweiterungen anbietet welche eine Modularisierung erm glichen Der Begriff Visual in der Namensgebung bezicht sich auf das Verfahren zum Erstellen von grafischen Benutzeroberfl chen welches speziell f r die Programmierung von Windows Anwendungen entwickelt wurde F r die Umsetzung des Konzeptes spielt die Architektur des Programm Moduls eine entscheidende Rolle Gerade im Hinblick auf die angestrebte Integration in die Benutzeroberfl che von SobdWorks sind der Aufbau des Programm Moduls sowie die Kommunikation mit SoldWorks von Bedeutung Wie bereits erw hnt verf gt So dW orks ber eine COM API welche einen direkten Zugriff auf dessen Funktionsumfang erm glicht Dabei beschreibt dass von Microsoft ver ffentlichte COM wie Softwarekomponenten miteinander in Verbindung treten Unter einer Softwarekomponente wird ein bin rer wieder verwendbarer Softwareteil verstanden 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 108 COM basiert auf dem Client Server Prinzip Unter einem COM Server w
117. geleitet 5 Solidworks Lehr Edition Nur f r Lehrzwecke TURBIENKOPFCI Schreibgesch tzt l0 xIl SE DNB Bearbeiten Ansicht Einf gen Extras CW ek CAMWorks Fenster Hife IE e op er o g SS e A we E Fesiures Skimieren 7 Linear Linzer Aufsatzbarz Feiere PATER S Ve Si an nlaring m Bah 8 i Une ares ausgelratpe E roler Ehn etragen ig lie al NC Mansger CAN Modul CAN Works T leet ME en EE SES Schicht A ai T BAZ 15 CNC Oberseite gt Telle Setups eruppes Fr swe ge veer de k peni SS SERog Gi DNK E Z Lech SE Sie IS S5 poat S a gt H 30 Schichten1o T18 6K Fl ge 1 Bearbeitungsschritte Y Fl ge 2 Vorrichtung _Benutzerdefiniert 7 AT u Bearbeiten Tei 7 Abbildung 6 22 Ber cksichtigung der Vorrichtung bei der Erstellung des NC Codes der Schicht A Die Abbildung 6 22 zeigt die NC Code Erstellung der Schicht A aus der Richtung der Oberseite Bedingt durch die Prismen Verzahnung befindet sich die Geometrie der einzelnen Fl gel auf unterschiedlichen H henniveaus siehe Fl ge 1 und Fl gel 2 Um eine Kollision zwischen Bearbeitungswerkzeug und Vorrichtung zu vermeiden ist es notwendig dass die Vorrichtung bei der NC Code Generierung Ber cksichtigung findet 6 Exemplarische Verifikation 147 6 2 2 Fertigungstechnische Ausf hrung Im ersten Fertigungsschritt wird das Rohmaterial in einem konventionellen Maschinenschraub stoc
118. ger versehen werden soll Zum Schluss muss eine Verbindung zu So4dWorks geschaffen und ein Zeiger auf das Dokument gesetzt werden in welchem sich das zu untersuchende Modell befindet Dazu wird in der Visual Basic typischen Notation ein Objekt erzeugt welches den COM Server von SohdWorks repr sentiert Das Objekt CreateObject SldWorks Application verf gt ber die Eigenschaft ActiveDoc mit dem ein Zeiger auf das aktive Dokument gesetzt werden kann 3 Mit der gesetzten Eigenschaft lassen sich alle Methoden und Eigenschaften des ModelDoc2 Objektes ansprechen F r die Auswahl der richtigen API Funktionen stellt So dW orks eine umfassend dokumentierte API Hilfe zur Verf gung In Anlehnung an das Beispiel zur Bestimmung des Fl cheninhaltes zeigt die Abbildung 5 52 Ausz ge aus der API Hilfe der verwendeten Funktionen 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen BEN N Face2 GetArea Beschreibung Auslesen des Fl cheninhaltes einer Fl che Syntax retval Face2 GetArea Parameter R ckgabe double retval Fl che in Quadratmeter SelectionMgr GetSelectedObject5 Beschreibung Zeiger auf selektiertes Objekt Syntax retval SelectionMgr GetSelectedObject5 AtIndex Parameter long AtIndex Indexposition der Selektionsliste R ckgabe LPDISPATCH retval Zeiger auf selektiertes Objekt ModelDoc2 Selecti
119. ges m z ae snpoj Bunuyeziay UOWSuUg dep Te Sun ajsny ueJzin SiojJunieuyaes INZ npoyy wuwei olg SUE MZq U q ZU J J Y UO HAD Ri us rjrzun yuyos usis SUR SLNBWOSBUSIJEMISAINY G x penye Suyeuyang uszuds Pu sOnzag sBunuypzis suagFs nzag sbunuyezian ayoyuyez S iassawyampusti ZI A iassawyanpuagny ef dE CA zus engsne sesun yuyps EN 14 ett a u E Lag E EAR Lusfe mere seaun yyuyos EN SERA Tuogejon gz E Les _ SC sus e gsne seaun WI Be Se Fua enjsne Jeann Si SSES Cuabprneng Jesu w uyss zus e gsne eau I L gt Sy9ezUS19j94 ane 001 muspope razzys A DN p SE sp yeay tusbensne seaun Wl GIS oe L agh ie Runden F H SMS suaga A3 Stach ol yaeua _ area Q ege anoa aa 4 rhadipyuswnoa E E Z SYOLZU I J Y unypnajag D I atbeai yu puan EE Gurgyupseg EE j00 sBbunuyeziey I WUSHd SEP Jeu ajamegqny A aaen meeting 6mabang EUY Um enpbsne RER a Run a uey usfeie amer zogen Bunagog peu Bunpuem eg aseg Dm ez aese Jeepen jzjesinmg seaun Sat a WIR a SUMEA D Ki T P HE KE In Ki 7 LA LA F D Ga Ka Si wl z e ve 00998 9 08nP B A 3 As nBHBNA4 o SSA CIE SW ema senxg Lean ap Laysqieag Geo EI SIM EITERTEL TOT BEN BERATER RITTER ENEE ETC Abbildung 6 32 sowie das Festlegen der Referenzfl che bzw ebene Das Einf gen von zwei Referenzachsen ist F r die Anwendung des Programm Moduls muss im Vorfeld das CAD Modell aufbereitet werden Dazu geh ren d
120. getechnik stellt eine Schnittstelle zwischen beiden Fertigungsverfahren her welche es erlaubt den herzustellenden Prototyp sowohl einer Fr s als auch einer Drehbearbeitung zu unterziehen Damit stehen bei der Prototypenherstellung die Vorteile beider Fertigungsverfahren zur Verf gung W hrend die Fr sbearbeitung die Herstellung von hochkomplexen Geometrien erlaubt erm glicht die Drehbearbeitung die Herstellung von hochgenauen Rotationsk rpern Die F getechnik soll vor allem bei Prototypen Anwendung finden welche in Regionen einer Fr s und Drehbearbeitung unterteilt werden m ssen Unter Ber cksichtigung der genannten Anforderungen aus Kapitel 3 werden dazu spezielle Bedingungen an die Geometrie der F getechnik gestellt die eine Nutzung als Spanntechnik f r beide Fertigungsverfahren w hrend der Bauteilbearbeitung erlaubt Gerade in Hinblick auf die Drehbearbeitung sind daf r spezielle Positioniereigenschaften erforderlich welche sich deutlich von denen einer Fr sbearbeitung unterscheiden Im Anschluss daran erfolgt cine Festigkeitsbetrachtung der F getechnik sowie abschlie end die Entwicklung von Vorrichtungen zur Aufnahme in eine Fr s und Drehmaschine 5 2 2 1 F getechnik Durch die bereits diskutierten Analogien zwischen F getechnik und Vorrichtungsbau wird die Herleitung beispielhaft an Bestimmelementen des Vorrichtungsbaus vorgenommen Diese Vorgehensweise erm glicht die systematis
121. gig 6 2 1 Datentechnische Ausf hrung Die Abbildung 6 13 zeigt die Benutzeroberfl che von SokdWorks den komplexen Probek rper sowie das Prismen Verzahnungs Iool Das Programm Modul wird ber das Icon rot gekennzeichnet in der Men leiste von SobdWorks aktiviert Vor der eigentlichen Anwendung des Moduls sind Angaben zur der Position und der Geometrie der Prismen Verzahnung vorzunehmen Diese sind notwendig f r die Durchf hrung der Hauptfunktionen Festigkeitsnachweis und Einf gen der Prismen Verzahnung amp Trennen des Prototyps in einzelne Schichten F r die Positionierung der Prismen Verzahnung ist die Auswahl einer Referenzachse einer Referenzebene bzw fl che sowie die Angabe der Schnitttiefe erforderlich vgl Kapitel 5 3 1 Da keine Referenzachse vorliegt ist diese mittels der Funktionalit ten des CAD Systems zu generieren Im Gegensatz dazu liegt eine bereits nutzbare Referenzfl che am CAD Modell vor vel Abbildung 6 13 Beide Referenzelemente werden interaktiv per Mausklick an das Programm Modul bertragen Ausgehend von der gew hlten Referenzfl che wird die Schnitttiefe in der das CAD Modell durchgeschnitten und die Prismen Verzahnung eingef gt werden soll in das entsprechende Eingabefeld eingegeben Nachdem die erforderlichen Angaben zur Position der Prismen Verzahnung getroffen worden sind werden im n chsten Schritt die Verzahnungsparameter festgelegt vgl Abbildung 6
122. gl Abbildung 5 22b Analog zu der Abbildung 5 21 ergibt sich hier eine Vollzentrierung der Prismenverzahnungen untereinander 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 11 a b Gegenst ck Durchgangsbohrung Bestimmebene 1 Mittelachse Prisma 1 Bestimmfl che Prisma 3 Zentrierach Bestimmfl che entrierachse Kopf Prisma 2 Bestimmfl che Bestimmebene e Fu Bestimmebene 2 An Abbildung 5 22 a Prismenverzahnung b mit Gegenst ck und Bestimmebenen Um den Zusammenhalt der Prismenverzahnung zu gew hrleisten und die Normalkr fte F in Richtung der Zentrierachse aufzunehmen sind diese ber die bereits eingebrachte Durchgangs bohrung miteinander zu verspannen Das Aufbringen einer Vorspannkraft F kann mittels einer Schraubverbindung erfolgen F r eine korrekte Vollzentrierung der Prismenverzahnung ist es erforderlich dass diese nur auf den Bestimmfl chen den Flanken der Prismen tr gt Daher ist darauf zu achten dass die K pfe der Prismenverzahnungen beider H lften sich nicht ber hren Dazu werden die K pfe der Prismenverzahnung durch eine Kopfr cknahme in der H he reduziert und somit ist ein Kontakt zwischen Kopf und Fu nicht m glich Die entwickelte Prismenverzahnung hnelt in ihrer Geometrie wie auch in der Eigenschaft der Vollzentrierung der bereits bekannten Hirth Stirnverzahnung der Firma Vorth Turbo Diese
123. glich die Zapfen zu einer Bauteilschicht addiert oder subtrahiert werden Eine rechnerunterst tzte Auslegung im Sinne einer Festigkeitsbetrachtung liegt jedoch nicht vor Diese Tatsache f hrt dazu dass die Auslegung jeweils manuell durchgef hrt werden muss was mit einem zus tzlichen Zeitaufwand sowie mit einer Fehleranf lligkeit in der Durchf hrung verbunden ist 2 Stand der Technik 20 2 2 3 Erzeugung des Rohmaterials Die Grundlage f r die Erzeugung des Rohmaterials bzw dessen Abmessungen sind die in der virtuellen Bauteilzerlegung generierten Schichten des Prototyps Bei der Bestimmung der Rohmaterialabmessungen ist grunds tzlich ein Materialaufmass zu ber cksichtigen um durch Planfr sen eventuelle Oberfl chenbesch digungen ausgleichen zu k nnen Unter der Voraussetzung dass eine Bearbeitung der Schichtgeometrie aus Richtung der Unter und Oberseite erforderlich ist und diese im zweiten Fertigungsschritt mit Hilfe der Hilfsgeometrie gespannt werden soll ergibt sich f r eine Bauteilschicht mit positiv ausgepr gter Hilfsgeometrie Anfangs oder Endschicht die Rohmaterialh he h nach Abbildung 2 13 Die eigentliche Schichth he h ist zus tzlich um die H heh der Zapfen sowie um die H he eines Spannbereichs h zu erg nzen Fr ser Rohtei Bauteilschich BER y Fei d A 24 men N Maschiner schraubstock Spannbereict Spannkraft F Abbildung 2 13 Rohteilabmessungen f r
124. glichkeit von Funktionalit ten Erweiterbarkeit um zus tzliche F getechniken 4 Anforderungen an eine rechnerunterst tzte Auslegung 42 Die Anforderungen ben dabei wiederum gro en Einfluss aus auf die Struktur des Programms deshalb muss die Struktur f r eine Erweiterung klar gegliedert und nachvollziehbar definiert sein Problemorientierte Programmiersprachen wie Visual Basic oder C bieten die M glichkeit das Programm in berschaubare klar von einander abgegrenzte Unterprogramme zu zerlegen Modularit tsprinzip 9 Aus diesem Grunde wird f r die Entwicklung der Software Erweiterung die Programmiersprache Visual Basic gew hlt 43 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen In den vorangegangenen Kapiteln wurde der Stand der Technik des MLJ Verfahrens beschrieben und bewertet Ausgehend von den Defiziten wurden Anforderungen an eine reversible F getechnik sowie an eine rechnerunterst tzte Auslegung formuliert Im Folgenden wird nun ein Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktions prototypen entwickelt Dazu wird als erstes die Architektur des Gesamtkonzeptes vorgestellt als zweites die reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen und abschlie end das Programm zur rechnerunterst tzten Auslegung von Funktionsprototypen 5 1 Architektur des Gesamtkonzeptes Die Abbildung 5 1 zeigt die Architektur des
125. gro e Bearbeitungs l nge des Fr sers voraussetzt Gro e Bearbeitungs bzw Ausspannl ngen k nnen zu Durch biegungen am Fr ser und somit zu Einbu en der Fertigungsgenauigkeit f hren vgl Kapitel 2 3 2 6 Exemplarische Verifikation 127 Die Abbildung 6 3 zeigt den in zwei Schichten durchgeschnittenen komplexen Probek rper Aus Gr nden der Symmetrie wurde dieser oberhalb der maximalen Bearbeitungstiefe in zwei gleich hohe Schichten zerlegt A 4 a Schicht A SI S CG A Q y Schicht B Abbildung 6 3 virtuelle Bauteilzerlegung Durch die Bauteilzerlegung ist eine kollisionsfreie fr stechnische Bearbeitung von Schicht A und Schicht B gegeben Dazu ist jedoch wie in Kapitel 2 2 vorgegeben eine zweiseitige Bauteil bearbeitung erforderlich Im Anschluss an die Bauteilzerlegung wird die Erzeugung der inneren Hilfsgeometrie vorge nommen Das datentechnische Hinzuf gen der Bohrung Zapfen Kombination zu den Schichten kann manuell oder automatisch erfolgen vgl Kapitel 2 2 1 F r die sp tere Nutzung als F ge und Spanntechnik ist die Dimensionierung der Bohrung Zapfen Kombination entscheidend Diese umfasst die Wahl des Zapfendurchmessers sowie die Wahl des Spiels zwischen Bohrungen und Zapfen Der Durchmesser der Zapfen richtet sich nach den auftretenden mechanischen Belastungen Da es sich im vorliegenden Fall um einen Probek rper handelt wird der Zapfendurchmesser anhand d
126. h 1 neubearbeitete Auflage Springer Verlag 1976 Fachbuch 10 Auflage Verlag Technik 1992 Fachbuch 2 neubearbeitete Auflage Springer Verlag 1975 Studienarbeit Universit t Duisburg Essen 2006 Dissertation Technische Universit t Dresden 2005 Skriptum Universit t Duisburg Essen 2004 Benutzerhandbuch 2001 9 Literaturverzeichnis 23 24 25 26 27 26 29 30 31 32 33 Stracke H J Stracke H J Heinzler M Kilgus R N her F Paetzold H R hrer W Schilling K Hoffmann Gruppe Tsch tsch H Pauksch E Hirsch A K nig W Essel L Wissussek D Bergers D Olivetti GmbH CAE Betriebsdatenverarbeitung II Produktdatenmanagement Tabellenbuch Metall Tabellen Formeln bersichten Normen Garant Handbuch Zerspanen Handbuch spanende Formgebung Zerspanungstechnik Werkzeugmaschinen Grundlagen Spezifische Schnittkraftwerte f r die Zerspanung metallischer Werkstoffe Grundlagen der Kolbenmaschinen Mess und Pr ftechnik Inspector Mini Verticale ROM 173 Skriptum Universit t Duisburg Essen 2004 Skriptum Universit t Duisburg Essen 2004 Tabellenbuch 40 Auflage Verlag Europa Lehrmittel 1997 Handbuch Ausgabe Kat 32 2002 Fachbuch 3 Auflage 1991 Hoppenstedt Verlag 1988 Fachbuch 11 Auflage 1996 Vieweg Verlag 1996 Lehr und
127. hicht erzeugen Bei der Fertigung von Prototypen mittels Fr sen ist ein vorhandenes 3D CAD Modell die Grundvoraussetzung Die im CAD System erzeugten Geometriedaten werden im sp teren Fertigungsprozess f r die Programmierung der NC Maschine ben tigt Im Vorfeld m ssen die Geometriedaten des herzustellenden Prototyps f r die Fr sbearbeitung aufbereitet werden Dazu geh rt a eine Kollisionspr fung zwischen Werkzeug und Prototyp deren Ergebnis die Zerlegung des Prototyps in einzelne Schichten bedeuten kann b das Erg nzen dieser Schichten um eine innere Hilfsgeometrie welche als Spanntechnik w hrend der Fr sbearbeitung und als F getechnik zum Verbinden der Schichten dient c die Festlegung des Rohmaterials und dessen Abmessungen 2 Stand der Technik 14 2 2 1 Virtuelle Bauteilzerlegung Die Herstellung von komplexen Geometrien bedingt oft eine Zerlegung des Prototyps in einzelne Schichten Ausgehend von der Tatsache dass bei der fr stechnischen Herstellung eines Prototyps jeder Punkt der Kontur mit dem Fr ser erreichbar sein muss ist dies beispielsweise bei Hinterschneidungen meistens nicht m glich Dies kann damit begr ndet werden dass die Zug nglichkeit der Hinterschneidung infolge der Bauteilgeometrie nicht gegeben ist Bei einer Missachtung der Zug nglichkeit kommt es zu einer Kollision zwischen Werkzeug und Werkst ck mit dem Ergebnis dass dadurch ein Prototyp fr stechnisch nicht hergestellt werden kann a F
128. hichten innerhalb einer Baugruppenkonstruktion zusammengesetzt werden Die Abbildung 6 20 zeigt die dabei entstehende Baugruppe aus Schicht A und Schicht B Es ist deutlich die umlaufende Trennlinie der Prismen Verzahnung zu erkennen ie SolidWorks Lehr Edition Mur f r Lehrrwecke BDaupruppei d Datei Er steien Acht Einf gen Extra Fester Hilfe ai Arii BB vo HUB HS sg Ft Trans he eieiei odp TP o Be a an En S wl wl a s predit Werkars u een Schicht A Schicht B Trennlinie Abbildung 6 20 Baugruppendarstellung beider Schichten 6 Exemplarische Verifikation 145 Im Gegensatz dazu l sst sich eine bereits in Kapitel 5 3 1 vorgestellte Anwendungsvarliante der Prismen Verzahnung mit Hilfe des Programm Moduls erzeugen vgl Abbildung 5 41 Dazu wird beispielsweise nach dem automatischen Programmstopp der Au endurchmesser der Verzahnung so gew hlt dass dieser im Inneren des Prototyps liegt Bei dieser Variante ist unbedingt ein Fr serauslauf zu ber cksichtigen vgl Abbildung 6 21 Der Vorteil dieser Variante liegt darin dass im Gegensatz zur Siandardanspr gung eine Ausrichtung der Verzahnung mittels des Drehwinkels gegen ber der Fl gelgeometrie entf llt Dem stehen jedoch eine verminderte Flankenfl che aufgrund des Fr serauslaufs gegen ber und dadurch eine geringere bertragung von mechanischen Belastungen In der Baugruppenkonstruktion ergibt sich demnach eine gerade umlaufende Trennlinie
129. hnform_unten amp Schnitt Nr amp Akt_col PLANE 0 0 0 False 0 Nothing Part InsertSketch2 True Part SketchRectangle 0 5 Ursprung xv 0 5 Ursprung _y 0 0 5 _ Ursprung_x 0 5 Ursprung_y 0 1 Part InsertSketch2 True Set Face2 Part FeatureByPositionReverse 0 namen_doppel_ suchen Abschneiden Zahn oben amp Schnitt Nr amp Akt_col Face2 name Abschneiden Zahn unten amp Schnitt Nr amp Akt_col boolstatus Part Extension SelectByID Abschneiden Zahn oben amp Schnitt Nr amp Akt_col SKETCH 0 0 0 False 0 Nothing Spitzenabnahme CDbl Steuermenue MSF Tabelle TextMatrix 11 Akt_col 1000 Part FeatureManager FeatureCut False False False 1 0 0 28 _ Spitzenabnahme False False False False 0 0 False False False False O 1 1 Abbildung 5 62 Quelltextausschnitt zum Trennen Im dritten und letzten Schritt wird die separierte Bauteilschicht gem der gezeigten Dateistruktur in der Abbildung 5 43 gespeichert Hierf r wird die Methode SaveAs4 verwendet welche ein SobdWorks Dokument unter einem neu vergebenen Namen abspeichert Die Abbildung 5 63 zeigt den dazugeh rigen Quelltextausschnitt der Visual Basic Funktion Datei_speichern Neben der API Methode ist zudem die Implementierung des COM Servers deutlich zu erkennen welcher im Quelltext blau gekennzeichnet ist Im Anschluss an das Speichern der Bauteilschicht beginnt der Prozess erneut bei
130. hnittgeometrie des Zahnkopfes entlang der Leitlinie auf die Querschnittgeometrie des Zahnfu es ausgetragen wird Dazu wird auf den bereits erzeugten Zahnkopf und Zahnfu ebenen jeweils eine Skizze mittels der Methode InsertSketch2 und im Anschluss daran die Geometrie der Querschnitte erzeugt Diese bestehen im Wesentlichen aus geraden Liniensegmenten und einem Kreisbogen welche mittels der Methode CreateLine2 und CreateCircle2 erzeugt werden Bei dem Kreisbogen handelt es sich um den Au endurchmesser der Prismenverzahnung F r die Methode CreateLine2 ist ein Anfangspunkt x y z und ein Endpunkt x Y2 z2 anzugeben F r die Erzeugung eines Kreises CreateCircle2 sind die Koordinaten des Mittelspunktes sowie eines Punktes auf der Kreislinie f r den Durchmesser erforderlich Die Generierung der Leitlinie geschieht ebenfalls mittels der Methode CreateLine2 Da diese jedoch auf einer r umlichen 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 117 Ebene liegt ist zuvor eine 3D Skizze mittels der Methode Insert3DSketch zur erzeugen Die Lage der 3D Skizze mit der erstellten Leitlinie entspricht dabei der Austragungsrichtung Damit sp ter ein problemloser Zugriff auf die Skizzen sowie auf die Leitlinie m glich ist werden diese mit einem Namen versehen So erh lt z B die Skizze des Zahnkopfes den Namen Geometrie des Zahnkopfes und die Leitlinie den Namen L
131. i da so Fertigungsungenauigkeiten wie z B die Unebenheiten an den Kontaktfl chen reduziert werden 20 Da die Prismenverzahnung lediglich ber drei Z hne verf gt ist der Zahnfu querschnitt gegen ber der Zahnflanke sehr viel gr er Aus diesem Grund erfolgt eine berschl gige Auslegung anhand der auftretenden Fl chenpressungp an den Zahnflanken Hierbei sind zwei F lle zu ber cksichtigen 1 Fl chenpressung p Z p 2 Fl chenpressung p 0 N mm Fall 1 f hrt zu einer mechanischen berbelastung der Zahnflankenfl che mit dem Ergebnis dass der Werkstoff unter dem Einfluss der Fl chenptressung p plastisch verformt wird Der zweite Fall hingegen f hrt zu dem bereits angesprochenen Auseinandergleiten der F getechnik Auftretende mechanische Belastungen reduzieren die Vorspannkraft F an nicht belasteten Zahnflanken und k nnen diese bei nicht ausreichend gro er Vorspannkraft F sogar kompensieren Im Folgenden werden die mechanischen Belastungen Vorspannung L ngskraftbelastung Torsionsbelastung YJuerkraftbelastung und Biegebelastung getrennt von einander betrachtet Da es sich dabei um lineare Zusammenh nge handelt k nnen diese beliebig berlagert werden Die mechanischen Belastungen k nnen sowohl aus dem Betrieb als Funktionsprototyp als auch bei der Nutzung als Spanntechnik durch auftretende Z erspankr fte hervorgerufen werden 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von
132. ichen Zentriereigenschaften wie ein langes Prisma Es kann festgehalten werden dass ein Prisma aufgrund seiner Geometrie nach einer Mittelebene hin zentriert wodurch mindestens zwei Freiheitsgrade entzogen werden F r die geforderte Vollzentrierung ist es notwendig einen K rper nach drei Mittelebenen festzulegen wobei sechs Freiheitsgrade entzogen werden 16 Wenn drei kurze Prismen so angeordnet werden dass deren Mittelebene sich unter einem Winkel schneiden so wird dadurch ein eingelester K rper voll zentriert 16 Die Abbildung 5 21 zeigt eine symmetrische Anordnung von drei kurzen Prismen welche zum Mittelpunkt hin zentrieren 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen ZU Mittelebene 1 Mittelebene 3 Mittelebene 2 Abbildung 5 21 Vollzentrierung durch 120 Anordung von drei kurzen Prismen Die Abbildung 5 22a zeigt die Prismen auf dem Umfang eines kreiszylindrischen K rpers abgewickelt Die Abwicklung bewirkt eine gleichm ige Aufteilung zwischen Prismenfu und Prismenkopf Damit ist das Gegenst ck zum Vollzentrieren die Prismenverzahnung selbst Weiterhin eignet sich die zylindrische Geometrie im Hinblick auf die Nutzung als Spanntechnik bestens f r die Aufnahme in ein Drehmaschinenfutter z B Dreibackenfutter Durch den gegenseitigen Kontakt der Bestimmfl chen ergeben sich drei Bestimmebenen welche sich im Zentrum der Zentrierachse schneiden v
133. ielinie 2 F hrungsfl che feste Spannbacke 2 Vorrichtungsbestimmfl che 3 Vorrichtungsbestimmfl che bewegliche Spannbacke Abbildung 5 17 Bestimmfl chen an der Vorrichtung 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 65 Die erste Vorrichtungsbestimmfl che wird durch die oberen Deckfl chen der festen Teilspannbuchsen gebildet Sie dienen als Auflagefl che der Bauteilschicht und liegen durch die erste F hrungsfl che in einer gemeinsamen Ebene Sie entziehen der Bauteilschicht drei Freiheitsgrade die Rotation um die x und z Achse sowie die Translation in y Richtung Die zweite Vorrichtungsbestimmfl che wird durch die Mantelfl che der Bohrung der ersten Teilspannbuchse gebildet Neben der bereits diskutierten Lagebestimmung des Zapfens werden durch sie weitere zwei Freiheitsgrade entzogen die Translation in x und z Richtung Der letzte offene Freiheitsgrad die Rotation um die y Achse wird durch die Bohrung der zweiten Teilspannbuchse welche ber das Langloch befestigt wird entzogen Sie stellt die dritte Vorrichtungsbestimmfl che dar und nimmt den zweiten Zapfen der Bauteilschicht auf Durch die gemeinsame Anlange beider Teilspannbuchsen an die zweite F hrungsfl che liegen beide Bohrungen auf einer gemeinsamen Mittellinie Dabei ist zu ber cksichtigen dass es grunds tzlich zu einer berbestimmung der Lage der Bauteilschicht in Komb
134. iken grunds tzlich zu erweitern sollten bereits vorhandene F getechniken auf eine m gliche Tauglichkeit f r den Prototypenbau mittels Fr sen hin untersucht und z B entsprechend ihrer Eigenschaften katalogisiert werden Weiterhin ist es sinnvoll zu berpr fen inwieweit die Entwicklung eines Baukastensystems f r die systematische Erstellung von F getechniken auf Basis des MLJ F ge und MLJ Vorrichtungskonzeptes m glich ist Das Baukastensystem k nnte dabei aus Bestimm und Spannelementen und deren Prinzipien bestehen Die bereits angesprochenen unterschiedlichen Anforderungen an schichtweise herzustellende Prototypen mittels Fr sen lassen eine Klassifizierung von Prototypen sinnvoll erscheinen Dadurch ist eine Zuordnung des Prototyps zu einer bestimmten F getechnik bzw zu einer Gruppe von anwendbaren F getechniken m glich und wird die Auswahl erleichtern Im Rahmen eines Vorschlag der NC Gesellschaft NCG werden zwar bereits vier Prototypenarten unterschieden diese Unterscheidung gibt jedoch im Wesentlichen nur die Art und damit den Anwendungsbereich der Prototypen an wie beispielsweise Konzeptmodell oder Technischer Prototyp 1 F r die fr s bzw dreh fr stechnische Herstellung von Prototypen sind jedoch dar ber hinaus weitere Informationen von Interesse welche z B aus der Geometrie abgeleitet werden k nnen Bei der Verdeutlichung der in der Verifizierung hergestellten Prototypen f llt auf dass beis
135. imale Schichtdicke anzugeben welche f r die geometrische Qualit t des Prototyps sowie f r das Ma der Plattenst rke verantwortlich ist 4 2 Stand der Technik 6 Final Ssralocongepht sofware Z ff Oploe Stralifisalon Hexerei r iti Kaz Mang ERIC Dimensional deieren ofsnaats step cafe Morc lal cdefindiion IL SCH a ne CO E KE i STL files CAO 7 Assembly g positonn ing te 3D shota ey inserts Abbildung 2 1 Verfahrensprinzip Stratoconception 4 Anschlie end wird der in digitaler Form vorliegende Prototyp automatisch in einzelne Schichten zerlegt und diese verschnittoptimiert auf den Platten angeordnet Die Anzahl der erforderlichen Platten wird ebenfalls von der Software ermittelt F r die Fertigung werden die erzeugten Daten an die Steuerung der Fr smaschine bermittelt Die Schichten werden zus tzlich mit Bohrungen verschen ber die der Prototyp sp ter mit F hrungsstangen montiert und positioniert werden kann Hinterschneidungen werden von der Software erkannt und die betreffenden Schichten f r den Fr svorgang gedreht auf der Platte angeordnet Schichten mit zwei gegenl ufigen Hinterschneidungen k nnen nicht gefertigt werden oder m ssen auf mehrere kleinere Schichten verteilt werden 1 Dies hat zur Folge dass die Geometrie der unbearbeiteten Seite durch die Plattendicke der einzelnen Schichten angen hert wird vgl Abbildung 2 2 Dadurch entsteht ein Pr
136. ination mit der Bohrung der ersten Teilspannbuchse kommt Der Grund daf r ist dass beide Bohrungen ber die gleichen Bestimmeigenschaften verf gen Damit es zu keiner berbestimmung kommt muss daf r gesorgt werden dass das zweite Spannbuchsenpaar den Zapfen spannungsfrei umschlie t und lediglich die Rotation um die y Achse sowie ein Abheben der Bauteilschicht in Folge der Bearbeitungskr fte in y Richtung verhindert Dieser Vorgang kann problemlos dadurch realisiert werden indem das zweite Spannbuchsenpaar ber das Langloch individuell an den Zapfenabstand angepasst und danach festgezogen wird Dadurch stehen unabh ngig von der Krafteinleitungsrichtung vgl Abbildung 5 9 f r die Aufnahme von Querkr ften F immer zwei Zapfen zur Verf gung Diese Situation ist bei der Auslegung unter dem Einfluss der Zerspankr fte zu ber cksichtigen Um Bauteilschichten unterschiedlicher Zapfendurchmesser und abst nde spannen zu k nnen wird die Vorrichtung variabel gestaltet Durch den Austausch der Spannbuchsenpaare ist es m glich Zapfen unterschiedlicher Durchmesser in die Vorrichtung aufzunehmen Die Bereitstellung eines Baukastensystems mit Spannbuchsenpaaren unterschiedlicher Bohrungs durchmesser erlaubt ein problemloses Anpassen der Vorrichtung auf die jeweilige zu bearbeitende Bauteilschicht Das Aufnehmen von Bauteilschichten unterschiedlicher Zapfenabst nde geschieht durch das stufenlose Verschieben des zweiten Spannbuchse
137. ird ein Objekt verstanden welches in einer COM f higen Programmiersprache erstellt wurde Der COM Server bietet Funktionen an welche ber ein COM Interface von einem COM Client abgerufen und genutzt werden k nnen Eines der wesentlichen Eigenschaften von COM ist die Sprachunabh ngigkeit Damit ist es m glich Funktionsaufrufe des Clients an den Server zu richten die in einer v llig anderen Programmiersprache implementiert wurden Dazu werden die Datentypen und Funktionsaufrufe welche in jeder Programmiersprache unterschiedlich sind in eine programmiersprachenunabh ngige IDL Interface Definition Language umgewandelt Im Rahmen der Programmentwicklung im Windows Umfeld stellt Microsoft dazu den Microsoft IDL Compiler zur Verf gung 24 Im Zuge der Umsetzung des Programm Moduls wird im Folgenden So4dWorks als COM Server innerhalb eines Visual Basic Programms beispielhaft implementiert IUnknown Visual Basic Program r C Sub Dokumen oeffnen lApplication Dim model As Objec Dim swapp As Object SidWorks Dim status As Long Dim warnings As Long Set swapg Create bjec SIdWorks Applicatior swapp Visible True swapp UserContro True Visible UserContro Set model swapt OpenDoc C Par SLDPRT C status warnings OpenDoce filename type options configuration amp Error amp Warning End Sul Abbildung 5 49 Implementierung eines COM
138. it einer prototypischen Herstellung mittels Drehen und Fr sen aufgezeigt Die Wirksamkeit des Programm Moduls wird hierbei durch die datentechnische Aufbereitung der Kurbelwelle nachvollziehbar dargestellt Zum Abschluss der Verifikation wird eine Genauigkeitsanalyse der Prismen Verzahnung bez glich der Zentriereigenschaft durchgef hrt 6 Exemplarische Verifikation 125 6 1 Beispiel 1 Komplexer Probek rper mit Bohrung Zapfen Kombination Die Abbildung 6 1 zeigt den komplexen Probek rper Durchmesser 110mm H he 50mm welcher bereits aus Kapitel 5 2 2 3 bekannt ist Dieser soll im Folgenden mittels konventioneller 3 Achs CNC Fr stechnologie hergestellt werden Durch seine komplexe Fl gelgeometrie ist eine fr stechnische Bearbeitung in einem Herstellungsschritt nicht m glich F r die Fertigung ist daher im Vorfeld eine Aufbereitung des CAD Modells notwendig Abbildung 6 1 komplexer Probek rper Wie sich sp ter zeigen wird erfordert dies eine Zerlegung in einzelne Schichten Als MLJ F getechnik wird die modifizierte Bohrung Zapfen Kombination angewandt Da es sich bei dem Prototyp um einen Probek rper handelt erfolgt das F gen kontextunabh ngig vgl Kapitel 5 2 Analog zu Kapitel 2 1 gliedert sich die Herstellung in eine datentechnische sowie fertigungstechnische Ausf hrung Da die rechnerunterst tzte Auslegung exemplarisch f r die Prismen Verzahnung vorgenommen wird liegt der Schwerpunkt bei diesem
139. k Ferner m chte ich mich bei den Herren Dr Ing Markus Hastrich Dipl Ing J rg Lubnau Dipl Ing Timon Mallepree und Klaus Dieter Werner f r die jederzeitige Unterst tzung und stetige Diskussionsbereitschaft w hrend meiner wissenschaftlichen T tigkeit am obigen Lehrstuhl bedanken F r die Korrekturen meines Manuskriptes bedanke ich mich bei den Herren Univ Prof Dr Ing Hans Joachim Stracke und PD Dr Ing Frank Lobeck Lehrstuhl f r Ingenieurinformatik Universit t Duisburg Essen Die wichtigste Unterst tzung w hrend der gesamten Bearbeitungszeit dieser Dissertation habe ich aus dem Kreis meiner Familie erfahren Meinen Eltern die mich stets unterst tzt und an mich geglaubt haben geb hrt gro er Dank Ihnen sei diese Arbeit gewidmet Mettmann im Oktober 2007 Jens Standke F r meine Eltern Inhaltsverzeichnis 1 EINIEIEUNG EEN 1 2 Stand der RTE 5 2 3 Miled Layer JOINING ME 11 Ee ere 13 2 2 1 Virtuelle Bauteilzertegung ann ann ann nnn nenn nenne 14 2 2 2 Erzeugung der inneren Hilfsgeometrie nennen 18 2 2 3 Erzeugung des Rohmaterials Ben nnennn nenne nne nennen nennen 20 2 3 KONLUF ETZEUGEN an ee ee ie ee 21 2 3 1 NG GOdE Generlerundg a earth 21 2 3 2 Zweiseitige Bauteilbearbeitunmg ann ann anne 22 2A SCHICHIEN TIUgEN a een nie len 28 2 4 1 Bauteilschichten positionieren nn nnn ann nne anne nn nnn nennen 28 24 2 BaUlEIISCHIENIENTUGEN EE 30 E KEE 32 3 Anforderungen an ein
140. k nnen grunds tzlich die Prinzipien und der gesamte Erfahrungsschatz des Vorrichtungsbaus f r die Entwicklung von speziellen F getechniken wie sie f r den Prototypenbau mittels Fr sen erforderlich sind herangezogen werden 7 Zusammenfassung 168 Aufgrund dieser Erkenntnisse wurde die Bohrung Zapfen Kombination modifiziert und eine weitere F getechnik mit Hilfe von Bestimmelementen aus dem Vorrichtungsbau entwickelt Die grundlegende Idee dieses neuen F geverfahrens beruht auf dem Prinzip einer Prismen Verzahnung Durch die speziell generierten Eigenschaften dieser F getechnik ist zudem eine Aufnahme und Bearbeitung in einer Drehmaschine m glich wodurch neben der fr stechnischen Herstellung nun auch das Potenzial der Drehbearbeitung f r die Fertigung von Prototypen genutzt werden kann Die Entwicklung des Konzeptes zur rechnerunterst tzten Auslegung erfolgt am Beispiel der Prismen Verzahnung Neben der Bereitstellung des Berechnungsalgorithmus sieht es die Integration in die Benutzeroberfl che eines CAD Systems vor Dadurch kann die Auslegung der F getechnik innerhalb der CAD Umgebung durchgef hrt werden Weiterhin erm glicht die Integration die Entwicklung und Implementierung von speziell auf die dreh fr skompatible F getechnik abgestimmten Algorithmen wie sie notwendig sind f r das automatische Schneiden des Prototyps und das Hinzuf gen der F getechnik zu den einzelnen Schichten Die G ltigkeit des
141. k aufgenommen und die Position mittels eines 3D Tasters bestimmt vgl Kapitel 6 1 Die Abbildung 6 23 zeigt die fr stechnische Herstellung der Schicht A aus der Richtung der Unterseite Neben der Herstellung der Geometrie wird auch die Prismen Verzahnung erzeugt Wie auch bei dem vorherigen Beispiel wird zur fr stechnischen Herstellung des Prototyps das Bearbeitungszentrum vom Typ Alzwetall BAZ 15 CNC 60 40 verwendet Fr ser Schicht des Prototyps K hlmittelzuf hrung Prismen Verzahnung Maschinenschraubstock Abbildung 6 23 1 Fertigungsschritt Herstellung von Schicht A aus der Richtung der Unterseite Nach der Beendigung des ersten Fertigungsschrittes muss die Schicht abschlie end aus der Richtung der Oberseite bearbeitet werden Dazu wird die Schicht um 180 gedreht und mittels der speziell f r die Prismen Verzahnung entwickelten Vorrichtung aufgenommen und gespannt vgl Kapitel 5 2 2 3 Durch den Umspannvorgang muss die Position der Schicht erneut bestimmt werden Dazu wird mit Hilfe des Referenzk rpers von der Position der Vorrichtung auf die Position der Schicht geschlossen vgl Abbildung 5 36 6 Exemplarische Verifikation 148 Die Abbildung 6 24 zeigt die Vorrichtung den Referenzk rper sowie den 3D Taster f r die Positionsbestimmung Der Referenzk rper dient f r die Ermittlung des Nullpunktes welcher sich im Zentrum der Vorrichtung befindet Die Orientierung der Vorrichtung auf dem Maschinentisch ist durch die
142. kdWorks ist ein weit verbreitetes 3D CAD Konstruktionssystem f r den Maschinenbau welches speziell f r das Betriebssystem Windows entwickelt wurde vgl Abbildung 5 48 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 105 So Solidworks Lehr Echtion Nur f r Lehrrwecke bracket_bsklprt Schreibgesch tzt ZE Dstei_ Bearbeiten Ansicht Einf gen Edras Fenster Hife DEBER SD e RyeHmse Ryr WyRAaasLC0 8 BHH9Ad ge e EI Y lumenk rperi1 3 Material not specified iii I Abbildung 5 48 Benutzeroberfl che von SolidWorks Die klar gegliederte Benutzeroberfl che bestehend aus Men s und Symbolleisten entspricht dem von Microsoft gesetzten Standard und erm glicht eine Einarbeitung innerhalb k rzester Zeit SolidWorks ist ein parametrisches CAD System welches die Feature Technologie unterst tzt und auf Grund eines guten Preis Leistungsverh ltnis eine hohe Marktpr senz im mittelst ndischen Maschinenbau erreicht hat Der Begriff Parametrik bedeutet dass ein CAD Modell durch Bema ungen Gleichungen und geometrische Beziehungen definiert wird Sollen beispielsweise die Abmessungen eines Modells ver ndert werden so sind lediglich die steuernden Bema ungen entsprechend anzupassen Im Anschluss daran erfolgt automatisch eine Aktualisierung der abh ngigen Werte und ein Neuaufbau des Modells Durch die Unterst tzung der Feature Technologie k nnen auch nich
143. l chenpressung D Pr Z Py Af Gl 5 31 Damit weder die zul ssige Fl chenpressung p berschritten wird noch ein Auseinandergleiten der F getechnik stattfindet m ssen folgende Auslegungskriterien erf llt sein F r die belasteten Zahnflanken Pog S Pau Gl 5 32 F r die entlasteten Zahnflanken Pag gt 0 N mm Gl 5 33 Damit ein Abheben der F getechnik in Folge der Biegebelastung M nicht eintritt ist folgende Ungleichung vgl G1 5 8 bez glich der Vorspannkraft F zu erf llen F gt 2 A p cos Gl 5 34 Die berlagerung von Belastungen kann hier erfolgen durch die Summierung der auftretenden Fl chenpressungen p und der Fl chenentlastungen pro Zahn bzw Zahnflanke Dabei ist es 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 85 m glich dass beispielsweise in Folge einer Torsionsbelastung M eine Zahnflanke belastet und durch berlagerung einer angreifenden Querkraftbelastung F zugleich entlastet wird Dieser Belastungsfall hat zur Folge dass an der Zahnflanke eine geminderte Fl chenpressung p vorliegt Um die Sicherheit des berschl gigen Festigkeitsnachweises zu erh hen werden Entlastungen von belasteten Flankenfl chen in Folge von berlagerungen nicht ber cksichtig Es erfolgt eine separate Summierung der belasteten und entlasteten Zahnflankenfl chen Dabei ist darauf zu achten dass die Vorspannkraft F jeweils nur ein
144. lebene mittels Prisma Hierbei werden dem kreiszylindrischen K rper vier Freiheitsgrade entzogen so dass nur noch eine translatorische Bewegung in Richtung der z Achse sowie eine rotatorische Bewegung um die z Achse m glich sind Dabei stellt die Mantelfl che eine doppelte F hrungsfl che dar wenn 1 gt d l L nge d Durchmesser ist Ist jedoch 1 lt d wird die Mantelfl che zur einfachen F hrungsfl che und entzieht dem Werkst ck lediglich zwei Freiheitsgrade 17 Der Grund daf r ist dass kein ausreichend sicherer Stand des kreiszylindrischen K rpers durch seine Mantelfl che gegeben ist Ein hnlicher Zusammenhang besteht wenn die Prismenl nge gegen ber der Werkst ckl nge sehr viel kleiner ist Daraus ergibt sich die folgende modifizierte Darstellung aus zwei parallel zueinander ausgerichteten kurzen Prismen vgl Abbildung 5 20 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 69 Vorrichtungsbestimmfl che kurz Bohrungsl ngsachse Werkst ckbestimmfl che Bestimmebene X Abbildung 5 20 Bestimmen nach Mittelebene mittels zwei kurzen Prismen Durch die parallele Ausrichtung der kurzen Prismen entsteht wie bei einem langen Prisma eine gemeinsame Bestimmebene und die Bestimmebene beider Prismen f llt zusammen Jedes kurze Prisma entzieht dem zylindrischen K rper zwei Freiheitsgrade In ihrer gemeinsamen Funktion verf gen sie ber die gle
145. lgemeiner Aufbau Durch die Integration des Programm Moduls in das CAD System steigt der Grad der Komplexit t stark an Dies ist damit zu begr nden dass f r die geforderte Benutzerfreundlichkeit sowie f r die Zusatzfunktionalit t Einf gen Trennen und Speichern eine Kommunikation zwischen dem Programm Modul und dem CAD System erforderlich ist bei dem tiefe programmiertechnische Eingriffe auf Seiten des CAD Systems notwendig sind Dar ber hinaus muss f r eine effiziente Wartbarkeit die Struktur des Programm Moduls klar gegliedert und nachvollziehbar sein Auf diese Weise kann das Aufsuchen und Beheben von Fehlern sowie das Verbessern und Anpassen von Funktionalit ten zeitnah durchgef hrt werden 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 103 CIDE ONDES SHE N Programm Modul zu rechnerunterst tzten Auslegung Referenzachsen fl chen und ebenen Geometrie und CHD CB Zu an Positionsangaben Festigkeitsnachweis Y CA gt Be om Q EK Zo O c ZK Z0 L O 5 N eo e Geometrie und Positionsdaten _ Einf gen Trennen s sm und Speichern gt interner Datenfluss gt e externer Datenfluss Abbildung 5 47 Allgemeiner Aufbau des Programm Moduls zur rechnerunterst tzten Auslegung Die Abbildung 5 47 zeigt den allgemeinen Aufbau des Programm Moduls sowie den internen und externen Datenfluss Das P
146. lgende Ungleichung vgl Gl 5 8 bez glich der Vorspannkraft F zu erf llen F gt 3 A p cos Gl 5 17 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 80 v Die Abbildung 5 30 zeigt die F getechnik unter Vorspannung F und Querkraftbelastung F F r die Nachrechnung der F getechnik wird eine ung nstige Zahnstelung gegen ber der eingeleiteten Belastung gew hlt Diese MaBnahme erm glicht die Annahme einer umlaufenden Querkraftbelastung F Abbildung 5 30 F getechnik unter Vorspannung F und Querkraft F Die Abbildung 5 31 zeigt eine ung nstige Zahnstellung bei dem zwei Flankenfl chen der F getechnik die gesamte Querkraftbelastung P aufnehmen Zahnkopf Abbildung 5 31 Querkraftbelastung F ung nstige Zahnstellung sowie Kr fte an der Zahnflanke 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 81 Die auf eine Flanke wirkende Querkraft F r errechnet sich nach F Fri E Gl 5 18 Die f r die Ermittlung der Fl chenpressung p notwendige Normalkraft E r ergibt sich zu n F g Fl F ne mit A Flankenwinkel Gl 5 19 s n CO Damit kann die Fl chenpressung p 7 nach bekannter Beziehung wie folgt ermittelt werden F nF S mit A Flankenfl che Gl 5 20 H Unter Ber cksichtung der aus der Vorspannung F resultierenden Fl chenpressung p ergibt sich dar
147. lgenden wird die fertigungstechnische Ausf hrung der Segmente 4 und 5 exemplarisch beschrieben Dabei ist zu beachten dass das Segment 5 mittels Drehen hergestellt wird Der Grund f r die Wahl der Drehbearbeitung liegt in der L nge des Segmentes begr ndet Eine reine fr stechnische Herstellung w rde ein langes Fr swerkzeug erfordern welches sich unter den auftretenden Zerspankr ften durchbiegen k nnte was eine negative Auswirkung auf die Form Oberfl chen und Ma genauigkeit zur Folge hat Segment 3 Fr sbearbeitung Segmeni 2 N Segment 4 Fr sbearbeitung Fr sbearbeitung Segment 1 Fr sbearbeitung nn 5 Drehbearbeitunc Abbildung 6 31 Zuordnung einer Dreh oder Fr sbearbeitung zu den einzelnen Segmenten Das Einf gen der Prismen Verzahnung und das Trennen in einzelne Segmente geschieht mittels des Prismen Verzahnungs Tools welches bereits in Kapitel 6 2 Anwendung gefunden hat Im Unterschied dazu wird durch die Komplexit t der Kurbelwelle bez glich der Anzahl an Referenzachsen und der Anzahl an Trennebenen die Leistungsf higkeit des Programm Moduls unterstrichen Die Abbildung 6 32 zeigt die herzustellende Einzylinderkurbelwellengeometrie sowie das ge ffnete Prismen Verzahnungs Tool im Experten Modus 154 Anwendungsszenario des Prismen Verzahnungs Tools am Beispiel einer Einzylinderkurbelwellengeometrie 6 Exemplarische Verifikation Plu
148. ll gem den Angaben des Benutzers um eine Trennebene und eine Verzahnungs Bezugsebene erg nzt wird vgl Abbildung 5 38 Zudem sind zwei weitere Ebenen notwendig welche im weiteren Verlauf f r die eigentliche Erstellung der Verzahnung verwendet werden Diese Ebenen sind parallel zur Trennebene angeordnet und stellen die Zahnkopf bzw Zahnfu ebene der Prismenverzahnung dar Der Abstand beider Ebenen zueinander entspricht der Zahnh he Das Erstellen einer Ebene wird beispielhaft an einer Trennebene vorgef hrt da diese f r das Programm Modul eine Bezugsebene darstellt Alle anderen Ebenen wie z B Zahnkopf und Zahnfu ebene werden auf die gleiche Weise erzeugt Mit Hilfe der Methode CreatePlaneAtOffset3 wird eine Offset Ebene gem der vom Benutzer festgelegten Referenzfl che oder ebene im Abstand der angegebenen Schnitttiefe in das Modell eingef gt Die Abbildung 5 54 zeigt den dazugeh rigen Quelltextausschnitt in dem die daf r notwendige API Funktion rot gekennzeichnet ist Zudem ist der Zugriff das MSFFelxGird MSFTabelle dargestellt welches f r die Erzeugung der Offset Ebene die notwendigen Daten wie die Referenzfl che und die dazugeh rigen Schnitttiefe bereith lt blau gekennzeichnet Weiterhin ist im Quelltextausschnitt deutlich zu erkennen dass die Variable schnitttiefe als Parameter an die Methode CreatePlaneAtOffset3 bergeben wird 5 Konzept zur rechneru
149. llung nach Assmann 4 aus datentechnischer und fertigungstechnischer Sicht Datentechnische Ausf hrung Fertigungstechnische Ausf hrung Element mit positiv ausgepr gter Hilfsgeometrie 1 Fertigungsschritt d G 2 Fertigungsschritt ausgepr gter Hilfsgeometrie Element mit negativ t Spannbacken 1 Fertigungsschritt Opferblock Abbildung 2 5 Fertigungskonzept am Beispiel einer Kugel 4 Die datentechnische Ausf hrung beinhaltet die fr stechnische Aufbereitung des CAD Datensatzes und die fertigungstechnische Ausf hrung enth lt die Herstellung des Prototyps mittels einer konventionellen 3 Achs CNC Fr smaschine F r die fr stechnische Herstellung der Kugel ist es notwendig diese aus mindestens zwei Richtungen zu bearbeiten Da ein Fr ser aus einer Bearbeitungsrichtung nicht jeden Punkt der Kugelgeometrie erreichen kann muss die Lage der Kugel in der Fr smaschine gegen ber dem Fr ser jeweils durch Umspannvorg nge ver ndert werden Ein Spannvorgang auf einer Kugelfl che ist mittels konventioneller Spannmittel wie z B den Spannbacken eines Maschinenschraubstocks als sehr problematisch anzusehen Zur L sung des Problems sieht das Konzept nach Assmann in der datentechnischen Ausf hrung das Einf gen einer Trennebene vor Dazu wird eine Kugel im CAD System in zwei H lften 2 Stand der Technik 12 getrennt und um eine positiv bzw negativ ausgepr gte Hilfsgeometrie in Form
150. mal ber cksichtigt wird F r die belastete Zahnflanke BD 2 40 bt P S Pu Gl 5 35 F r die entlastete Zahnflanke P P P P P gt 0 N mm Gl 5 36 Damit ein Abheben der F getechnik in Folge der berlagerten Belastungen mit Sicherheit nicht eintritt wird folgende Forderung vgl Gl 5 8 bez glich der Vorspannkraft F formuliert F gt 6 A p P Pp COSQ Gl 5 37 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 86 5 2 2 3 Vorrichtung Die bereits mehrfach diskutierten Analogien zwischen dem MLJ F ge und ML J Vorrichtungskonzept gestatten im Folgenden eine problemlose Ableitung der entwickelten Prismenverzahnung zur Nutzung als Vorrichtung Der Grund daf r ist dass bereits bei der Entwicklung der F getechnik der Vorrichtungsbau mit seinen Prinzipien Ber cksichtigung gefunden hat vgl Kapitel 5 2 2 1 Allein die Tatsache den Spannvorgang als tempor ren reversiblen F geprozess anzusehen verdeutlicht die engen Beziehungen zwischen F getechnik und Vorrichtungsbau Die Abbildung 5 34 zeigt eine Vorrichtung f r die Fr sbearbeitung bestehend aus der Prismenverzahnung zur Aufnahme der Bauteilschicht sowie aus einem Befestigungssystem f r den Maschinentisch und einer speziellen Spannvorrichtung zum Festhalten der Bauteilschicht w hrend der Fr sbearbeitung Die Lage der Vorrichtung wird mittels der Passsteine auf dem Maschinentisch der Fr
151. maschine ist das Vorhandensein einer mechanisch bestimmten sowie zentrisch positionierenden F getechnik notwendig 38 4 Anforderungen an eine rechnerunterst tzte Auslegung Ausgehend von den beschriebenen Defiziten in der datentechnischen Ausf hrung von Prototypen werden in diesem Kapitel die Anforderungen an ein Programm zur rechnerunterst tzten Auslegung von F getechniken formuliert Dabei richten sich die Anforderungen nicht nur an die eigentliche Funktionalit t sondern auch an die Benutzerfreundlichkeit und an die Struktur des Programms Da gerade die funktionalen Anforderungen im hohen Ma e abh ngig von der auszulegenden F getechnik sind werden diese allgemeing ltig beschrieben 4 1 Funktionalit t Ein weit verbreiteter Aufbau von Computerprogrammen erfolgt auf Grund des so genannten EVA Prinzips Eingabe Verarbeitung Ausgabe Dabei werden die Daten nach der Eingabe durch einen Benutzer ber einen vorgegebenen Algorithmus verarbeitet und als Ergebnisdaten wieder ausgegeben 9 Somit lassen sich funktionale Anforderungen an die gt Eingabe gt Verarbeitung und gt Ausgabe des ben tigten Programms formulieren 4 1 1 Eingabe Im Mittelpunkt der rechnerunterst tzten Auslegung steht die Festigkeitsberechnung F r ihre Durchf hrung ist es erforderlich dass alle dazu notwendigen Daten dem Berechnungs algorithmus durch eine Eingabe eines Benutzers zugef hrt werden k nnen Die Festigkeits berechnung is
152. n Als Beispiel f r einen Prototyp welcher f r ein optimales Fertigungsergebnis in eine Fr s und Drehbearbeitung aufgeteilt werden sollte sei eine Kurbelwelle genannt Die Anforderung die F getechnik auch als Spanntechnik w hrend der Bearbeitung nutzen zu k nnen soll sowohl f r die Fr s als auch f r die Drehbearbeitung m glich sein Dies erfordert eine fr s dreh kompatible F getechnik die es gestattet die einzelnen Bauteilsegmente sowohl in einer Fr s als auch in einer Drehmaschine aufzunehmen und zu bearbeiten Dazu ist es notwendig dass die F getechnik spezielle Eigenschaften im Hinblick auf ihre Nutzung als Spanntechnik gew hrleistet Diese lassen sich aus der Drehbearbeitung selbst ableiten bei der Bauteile zentrisch zur Drehachse einzuspannen sind Die Verwendung der Bohrung Zapfen Kombination kommt hierbei aufgrund der mechanischen berbestimmung nicht in Frage Das liegt zum einen daran dass die Position der Bohrungen und Zapfen der Positioniergenauigkeit der Fr smaschine unterliegen und bei der Aufnahme in eine Drehmaschine mit einem nicht zentrisch zur Drehachse liegendem Bauteilsegment zu rechnen ist Zum anderen ist die Positioniereigenschaft der Bohrung Zapfen Kombination durch die Wahl einer Spielpassung suboptimal so dass auch in diesem Fall nicht von einem zentrisch zur Drehachse liegendem Bauteilsegment ausgegangen werden kann F r die Nutzung als Spanntechnik in einer Dreh
153. n dass sie von au en zug nglich ist Die Bohrung Zapfen Kombination f gt und positioniert durch ihre Geometrie gleichzeitig Durch ihre Anordnung in den Trennebenen der Bauteilschichten ist sie nach dem F gen von au en nicht mehr zug nglich was die geforderte Reversibilit t behindert Zu diesem Zweck erfolgt die Auslegung der Bohrung Zapfen Kombination nur noch als Spielpassung Eine Aufnahme der Normalkraft F ist somit nicht mehr m glich Dadurch wird auch die Forderung nach einer umfassenden Fertigsungskontrolle erf llt da die Spielpassung ein probeweises Zusammenlegen der Bauteil schichten gestattet In diesem Stadium fungiert die Bohrung Zapfen Kombination lediglich als Positioniertechnik Dabei ist zu ber cksichtigen dass die G te der Positionierung von der Wahl der Spielpassung abh ngig ist Diese sollte unter Ber cksichtigung der Arbeitsgenauigkeit der Fr smaschine so eng wie m glich sein Die Aufhebung der funktionalen Trennung zwischen F ge und Positioniertechnik wird im Hinblick auf die Nutzung der Bohrung Zapfen Kombination als Spanntechnik w hrend der Bauteilbearbeitung durchgef hrt Die im ersten Schritt auf eine Positioniertechnik zur ckgef hrte Bohrung Zapfen Kombination muss dazu w hrend der Bauteilbearbeitung die auftretenden Zerspankr fte aufnehmen k nnen Um dies zu gew hrleisten muss eine Dimensionierung der Bohrung Zapfen Kombination anhand der Zerspankr fte erfolgen Durch diese Ma nahme
154. n F getechnik In Anlehnung an die generativen RP Verfahren wird diese Art der Herstellung als quasi generativ bezeichnet 4 generativ Fertigung von Prototypen durch Materialaufbau 1 Einleitung 2 Nach Assmann 4 l sst sich die Prototypenherstellung mit den gegenw rtigen RP Verfahren anhand einer Funktionsanalyse grunds tzlich in drei Funktionen unterteilen vgl Abbildung 1 1 Dabei kann die Durchf hrung in unterschiedlicher chronologischer Reihenfolge als auch in einem simultanen Ablauf einzelner Schritte erfolgen Die Anzahl der Fertigungsschritte kann als Ma f r die Generativit t der RP Verfahren herangezogen werden 4 Werden alle Fertigungsschritte simultan und mit der gleichen Fertigungstechnologie durchgef hrt so liegt ein generatives RP Verfahren vor wie z B die Stereolithographie Prototypen Schicht Fertigung erzeugen Kontur erzeugen Schichten f gen Abbildung 1 1 Funktionsanalyse der Prototypen Fertigung 4 Werden dagegen zwei oder drei Fertigungsschritte getrennt nacheinander durchgef hrt so liegt ein zwei bzw dreischrittiges Fertigungsverfahren vor Als Beispiel f r ein zweischrittiges Verfahren ist das Controlled Metal Build Up CMB und f r ein dreischrittiges Verfahren das Layer Object Manufacturing LOM zu nennen vgl Abbildung 1 2 Da aufgrund des hohen Automatisierungsgrades dieser Verfahren oft keine Eingriffe seitens des Benutzers notwendig und im Ergebnis keine Unterschiede
155. n Zapfen f hrt zu einem Pressverband zwischen der positiv und negativ ausgepr gten Hilfsgeometrie und verhindert ein Abl sen der Bauteilschicht in Folge von Bearbeitungskr ften vgl Abbildung 2 17 Bei der Wahl des berma es ist zu ber cksichtigen dass ein problemloses Entfernen der Bauteilschicht vom Opferblock nach der Fertigung gew hrleistet sein muss Da der Opferblock speziell f r die Bohrungsdurchmesser der zu spannenden Bauteilschicht angefertigt wird handelt es sich dabei um eine Art verlorene Spannhilfe da nur Bohrungen mit dem gleichem Durchmesser aufgenommen werden k nnen In der Praxis ergeben sich allerdings Schwierigkeiten beim Spannen der negativ ausgepr gten Hilfsgeometrie Diese resultieren aus den unvermeidbaren Fertigungsabweichungen bei der Herstellung der Hilfsgeometrie sowie des Opferblockes Zum einen kommt es dabei grunds tzlich zu einer mechanischen berbestimmung in der Schnitt bzw F geebene und zum anderen zu Problemen bei der fr stechnischen Herstellung der U berma passung zwischen Bohrungen und Zapfen Der Grund f r die berbestimmung liegt in den zwei Bohrung Zapfen Kombinationen pro Schnittebene vgl Abbildung 2 18 Zum problemlosen Spannen der Bauteilschicht auf dem Opferblock muss der Achsabstand B der Bohrungen der Bauteilschicht gleich dem Achsabstand Z der Zapfen des Opferblockes sein Bauteilschicht 1 Abstand B Abstand Z Opferblock m gt keine gemeinsam
156. n und in entsprechende Bauteilschichten zerlegt Auf diese Weise werden in Abh ngigkeit von der Anzahl an Kollisionen einzelne kollisionsfreie und somit fr stechnisch herstellbare Schichten erzeugt welche im Anschluss an die Fertigung durch eine geeignete F getechnik wieder miteinander zu verbinden sind Um den Fertigungsaufwand zu reduzieren muss die Anzahl der Bauteilschichten so klein wie m glich sein Um dieser Forderung gerecht zu werden ist jeweils eine gro e Schichtdicke anzustreben Die Schichtdicke ist in erster Line von der Bearbeitungstiefe abh ngig welche durch die Parameter des verwendeten Werkzeugs und der Geometrie des Prototyps beeinflusst wird Da die Geometrie nicht beeinflusst werden kann kann nur ber eine Werkzeugauswahl bzw ber die Werkzeugparameter wie Bearbeitungsl nge den Durchmesser den Eckenradius und die Freischnittl nge des Fr sers die Schichtdicke optimiert werden In der Praxis kann die Werkzeugauswahl jedoch nicht allein anhand der Geometrie des Prototyps erfolgen Wird beispielsweise ein Fr ser mit einem Durchmesser von 1mm gew hlt so muss 2 Stand der Technik 16 ber cksichtigt werden dass daf r eine hohe Spindeldrehzahl der Fr smaschine sowie geringe Vorsch be zur Vermeidung von Werkzeugbruch notwendig sind Damit kann zum einen die maximale Spindeldrehzahl der Fr smaschine die Nutzung eines solchen Fr sers verbieten und zum anderen erh ht sicht durch den geringen Vorschub des Fr
157. nen erst bei der NC Code Eitstellung f r den zweiten Fertigungsschritt aus der Richtung der Oberseite bearbeitet werden Aus diesem Grund m ssen f r eine zweiseitige Bauteilbearbeitung grunds tzlich die NC Codes f r die Fertigung aus der Richtung der Ober und der Unterseite erzeugt werden 6 1 2 Fertigungstechnische Ausf hrung Zu Beginn des ersten Fertigungsschrittes der zweiseitigen Bauteilbearbeitung wird die Position des Rohmaterials auf dem Maschinentisch mittels eines 3D Tasters bestimmt und die Koordinaten an die CNC Steuerung der Fr smaschine vom Typ Alzmetall BAZ 15 CNC 60 40 bermittelt Das Verfahren zur Bestimmung des Mittelpunktes des Rundmaterials geschieht analog zur beschriebenen Vorgehensweise in Kapitel 5 2 2 3 Die Abbildung 6 6 zeigt das verwendete Rohmaterial den Maschinenschraubstock mit der speziell f r die Bohrung Zapfen Kombination entwickelten Vorrichtung und den 3D Taster C DEN E Cie 7 Rohmateria Schicht A Maschinen schraubstock Spannleiste mit abgesetzter Auflagefl che Abbildung 6 6 Einmessen des Rohmaterials 6 Exemplarische Verifikation 131 Damit das Rundmaterial in die Vorrichtung aufgenommen werden kann wird diese mit Spannleisten der FormB vgl Kapitel 5 2 1 3 best ckt Da es sich hierbei um keine prismatischen Aufnahmen handelt ist das Rundmaterial im Vorfeld mit zwei parallelen Spannfl chen zu versehen Die Abbildung 6 7 zeigt den ersten Fertigungsschritt
158. ng sei darauf hingewiesen dass grunds tzlich die Verwendung von CNC Bearbeitungsmaschinen angestrebt werden sollte F r die Bearbeitung ist es notwendig das Segment 5 auf der Drehmaschine einzurichten und den Rundlauf mit einer Messuhr zu berpr fen bzw einzustellen Im vorliegenden Fall konnte eine Rundlaufgenauigkeit ber die gesamte Bearbeitungsl nge von 0 040mm erreicht werden Um diese Rundlaufgenauigkeit w hrend der Bearbeitung beizubehalten ist diese Position mittels der mitlaufenden Zentrierspitze des Reitstockes zu fixieren Dazu wird eine Zentrierbohrung in die Stirnfl che des Segmentes eingebracht welche von der Zentrierspitze aufgenommen wird Die Abbildung 6 40 zeigt das fertig hergestellte Segment 5 Neben der Prismen Verzahnung und der Gewindebohrung zum F gen mit Segment 4 ist auch die Passfedernut zu erkennen Diese wurde nachtr glich auf einer Konsolen Fr smaschine eingebracht 6 Exemplarische Verifikation 162 Passfedernut Prismer Verzahnunc Gewindebohrunc Abbildung 6 40 Fertigteil Segment 5 Die Abbildung 6 41 zeigt neben den beschriebenen fertigungstechnischen Ausf hrungen von Segment 4 und Segment 5 alle weiteren zur Einzylinderkurbelwellengeometrie geh renden Segmente Da diese mittels Fr sen hergestellt wurden kann der Fertigungsprozess analog zu Segment 4 vorgenommen werden Segmen 2 Segmeni Segmeni 1 Segmeni 2 Abbildung 6 41 Segmente 1 5 der Einzylinderkurbel
159. nien f hrt zum Mittelpunkt Referenzpunkt des Referenzk rpers vgl Abbildung 5 36 Dieser entspricht durch die Vollzentrierung ebenso dem Mittelpunkt der Vorrichtung Die Orientierung der Vorrichtung um den Mittelpunkt bzw um die Zentrierachse ist bereits durch die Verwendung von Passsteinen w hrend des Aufspannens auf dem Maschinentisch definiert worden 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 89 Die Nutzung der Prismenverzahnung als Spanntechnik w hrend der Drehbearbeitung bedingt ebenso das Vorhandensein einer Vorrichtung wie bei der Fr sbearbeitung Zur Aufnahme von Bauteilschichten in eine Drehmaschine kann als Vorrichtung der bereits vorgestellte Referenzk per mit Prismenverzahnung verwendet werden Dieser eignet sich durch seine u ere zylindrische Gestalt im besonderen Ma e f r die zentrische Aufnahme in ein Dreibackenfutter Zentrierachse Vorrichtunc Zentrierachse Referenzk rper Mittelpunkt Referenzpunkt Anfahrpunkt z Referenzk rper Maschirentisch Abbildung 5 36 Einmessen der Vorrichtung mittels Referenzk rper Das Dreibackenfutter zentriert den Referenzk rper zur Drehachse der Drehmaschine Die Vollzentrierung der Prismenverzahnung zwischen Referenzk rper und Bauteilschicht erm glicht eine berlagerung der Zentrierachse mit der Drehachse des Dreibackenfutters Damit ist die f r eine Drehbearbeitung notwendige zentrische Aufnahme der
160. npaares 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 66 entlang des Langloches Zur Erweiterung des Einstellbereiches kann zus tzlich das erste Spannbuchsenpaar an drei unterschiedlichen Positionen ber Fixierbohrungen befestigt werden Damit der durch die Vorrichtung modifizierte Maschinenschraubstock auch f r die Bearbeitung von Bauteilen bzw Bauteilschichten ohne Zapfen zur Verf gung steht k nnen die Spannbuchsenpaare durch Spannleisten ersetzt werden Dies hat eine Minimierung der R stzeit zur Folge da eine Demontage der gesamten Vorrichtung sowie die anschlie ende Montage von konventionellen Spannbacken entfallen Form B Spannleiste mit abgesetzter Auflagefl che Form A Spannleiste ohne abgesetzte Auflagefl che Abbildung 5 18 Spannleiste ohne Form A und mit abgesetzter Auflagefl che Form B Die Abbildung 5 18 zeigt zwei unterschiedliche Formen der Spannleisten Die Form A entspricht einer normalen Standardbacke w hrend die Form B ber abgesetzte Auflagefl chen verf gt wodurch Bauteile mit geringer H he parallel zum Maschinentisch eingespannt werden k nnen 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 6 9 2 2 Prismen Verzahnung Im Folgenden wird eine F getechnik f r die Fr s und Drehbearbeitung auf der Basis des MLJ F ge und MLJ Vorrichtungskonzeptes entwickelt Die F
161. nterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 116 u E kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkk Erstellen der Trennebene i schnitttiefe CDbl Steuermenue MSFTabelle TextMatrix 3 Akt_col 100C auswah Steuermenue MSFTabelle TextMatrix 1 Ak Col Set entx Part GetEntityByName auswah 2 If entx Is Nothing Ther MsgBox Es konnte keine Richtungsvorgabe A vbCr amp f r den Schnitl amp Akt_col amp vbCr amp bestimmt werder Steuermenue Schnittebene _box SetFocus Beim_Zeichnen False Exit Suk Else boolstatus entx Select True 0 Set swFeai Part CreatePlaneAtOffsel3 schnitttiefe True True Set FaceZ Part FeatureByPositionReverse 0 Face name Ref_Richtunc _Trennfl che amp Schniti Nr amp Akt_col boolstatus FaceZ Select2 False 0 Part ClearSelectionz True End If Abbildung 5 54 Quelltextausschnitt zum Erstellen der Trennebene Im Anschluss daran wird die eigentliche Prismenverzahnung erstellt Dazu werden wie bereist in Kapitel 5 3 1 erl utert die Zahnl cken erzeugt Als erstes wird ein halbes Zahnl ckenvolumen als ausgetragener Schnitt erstellt Dazu werden zwei Skizzen sowie eine Leitlinie vom Programm Modul generiert Bei den Skizzen handelt es sich um die Querschnittgeometrie des Zahnkopfes und um die Querschnittgeometrie des Zahnfu es Die Leitlinie dient als Austragungsrichtung f r den Schnitt bei dem ausgehend von der Quersc
162. nwendungsgebiet in der Kombination unterschiedlicher RP Verfahren zur Herstellung von Prototypen liegen bei der eine Schnittstelle in Form einer F getechnik zum Verbinden der Segmente notwendig ist 9 Literaturverzeichnis 10 Gebhardt A Hastrich M Lobeck F Assmann B O Bergers D Fritz A H Schulze C Kief H B Alzmetall GmbH Noack W Haberhauer H Bodenstein F Rapid Prototyping Werkzeuge f r die schnelle Produktentstehung Untersuchung der Einflussparameter bei der Herstellung optisch transparenter Modelle mittels Fr sen als quasi generativem Rapid Prototyping Verfahren Konzept zur Optimierung von Produktentwicklungsprozessen einschlie lich Simulation und Rapid Prototyping unter Verwendung eines neuen PLM CAD Integrationsmoduls Herstellung hochgenauer Prototypen mittels Fr sen als quasi generativem Rapid Prototyping Verfahren Rapid und Virtual Prototyping Fertigungstechnik NC CNC Handbuch 2005 2006 Betriebsanleitung BAZ 15 CNC 60 40 Grundlagen der Programmierung Maschinenelemente Gestaltung Berechnung Anwendung 171 Fachbuch 2 berarbeitete Auflage Carl Hanser Verlag 2000 Dissertation Universit t Duisburg Essen 2006 Habilitationsschrift Universit t Duisburg Essen 2004 Dissertation Universit t Duisburg Essen 2003 Skriptum Universit t Duisburg Essen 2006 Fachbuch 4 Auflage Springer
163. onManager Beschreibung Erlaubt den Zugriff auf ein selektiertes Objekt eines Dokuments Syntax SelectionMgr ModelDoc2 SelectionManager Parameter R ckgabe LPDISPATCH SelectionMgr Objekt f r den SelectionMgr SIdWorks ActiveDoc Beschreibung Zugriff auf das zur Zeit aktive Dokument Syntax ActiveDoc SIdWorks ActiveDoc Parameter R ckgabe LPDISPATCH ActiveDoc Objekt f r das Dokument Abbildung 5 52 Funktionsbeschreibung der verwendeten API Funktionen von SolidWorks Soll das Programm Modul bei jedem Start von So4dWorks automatisch geladen werden so ist die Erstellung der Zusatzanwendung COM Addin in Form einer Windows DLL notwendig F r DLL Dynamic Link Library 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 113 die Erstellung des COM Addins wird als Entwicklungsumgebung Microsoft Visual Studio 6 0 verwendet So dW orks bietet ein Quellcodeger st an welches sich bereits zu einer lauff higen DLL bersetzen l sst vgl Abbildung 5 53 rn Sample Microsoft Visual Basic Entwerfen Datei Bearbeiten Ansicht Projekt Format Debuggen Ausf hren Abfrage Diagramm Extras Add Ins Fenster Su SR E0 EJ Lpal zc lrtuslpgag gnt Projekt Sample m ES e Se S Sample Sample vbp hr Sample Application Code E gt r Module Algemein Deklarationen D E Klassenmodule i e 0 Verbundene Dokumente _End Func
164. orgenommen werden kann dass sie von au en zug nglich bzw l sbar ist Mit der r umlichen Trennung geht automatisch eine funktionale Trennung einher So sorgt die Positioniertechnik f r den Entzug der 6 Freiheitsgrade und die F getechnik f r die Verbindung der Bauteilschichten sowie f r die bertragung der mechanischen Belastungen Die funktionale Trennung kann jedoch aufgehoben werden so dass die Positioniertechnik bei einer ausreichenden Dimensionierung einen Gro teil der mechanischen Belastungen aufnehmen kann Die funktionale Trennung kann soweit f hren dass die F getechnik nur noch f r den Zusammenhalt der Bauteilschichten verantwortlich ist 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 48 Bei der Betrachtung der bereits erw hnten engen Verzahnung zwischen F ge und Spanntechnik lassen sich Querbeziehungen aufzeigen welche f r die Entwicklung des Konzeptes herangezogen werden k nnen Die Abbildung 5 3 zeigt in Analogie zum F gekonzept das dazu passende bzw notwendige Vorrichtungskonzept Bestimmer Austausch der positive innere Schicht nach der Hilfsgeometrie Bearbeitung Schicht r 1 Schicht r SE positive innere Hilfsgeometrie Entzug de Ke Freiheitsgrade getixiersee gt 2
165. orks des Herstellers TEKSOFT NC Numerical Control CNC Computerized Numerical Control CAM Computer Aided Manufacturing 2 Stand der Technik 22 t SolidWorks Lehr Edition Nur f r Lehrzwecke ee DPRT S l l SI S Datei Bearbeiten Ansicht Einf gen Extras CW Tooling CAM rorks Fenster Hife zlej x ES CHECK EE EE SE CEN jauws zaamre 9988988e002 SolidWorks rR ecem k einen CAN Modul CamWorks L a BAZ 15 CNC 2 Ko Teile Setup3 Gruppe3 Y G sx 3D Schruppen2 T9 4 Sch oO amp E 3D Schlichten T7 2x0 2 Start und Endpunk des Fr sers e W ge a S zinia Zr a amp 7 2 B 7 NC Code gt K ei dl D A eu E g u w DI e SS Fr swege S z O EFAA Bauteilschicht mil Su 2 220 00000mm Bi Bohrungs Zapfer Kombination m Bearbeiten Tei F Abbildung 2 14 Erstellung des NC Codes mit CamWorks Eingebunden in die Benutzeroberfl che des CAD Systems So dWorks kann das dort vorhandene Datenmodell direkt zur Erstellung des NC Codes herangezogen werden Die Bearbeitungswege sowie die Simulation der gesamten Bauteilbearbeitung k nnen visualisiert werden so dass sich das Fr sergebnis im Vorfeld beurteilten l sst Im Anschluss daran wird der NC Code mittels eines Postprozessors der CAM Software generiert Der Postprozessor ist speziell auf die CNC Maschinensteuerung der Werkzeugmaschine abgestimmt und ber cksichtigt firmenspezifische Un
166. ototyp mit einem ausgepr gten Treppenstufeneffekt Der Effekt l sst sich mit steigender Anzahl an Platten mit geringer Dicke minimieren Im Gegenzug dazu steigt jedoch der Bedarf an Material sowie der Aufwand zum F gen der Schichten 4 2 Stand der Technik T bearbeitete Konturen Ra Se WM NW Se Ze Dn D 2e D a WI H H D D D angen herte Kontur einseitige Bearbeitung Abbildung 2 2 Treppenstufeneffekt bei einseitiger Bearbeitung 4 Ein weiterer Nachteil des Verfahrens besteht darin dass f r die Herstellung nur Stirnfr ser verwendet werden k nnen Dies f hrt insbesondere bei gekr mmten Fl chen ebenfalls zu einem Treppenstufeneffekt Weiterhin kann dies in Abh ngigkeit vom gew hlten Werkstoff zu einem Ausfransen der Kanten f hren was nach der Fertigung manuell beseitigt werden muss Dies ist mit einem hohen Zeit und Kostenaufwand verbunden Hinzu kommt dass das manuelle Nachbearbeiten der Oberfl che Finishing einen negativen Einfluss auf die Geometrie und die Oberfl chenqualit t aus bt 4 Die Platten werden f r die Bearbeitung mittels doppelseitigen Klebebands auf dem Maschinentisch fixiert Um ein Abl sen der Platten sowie der Schichten durch die auftretenden Bearbeitungskr fte zu vermeiden ist eine Anpassung der Schnittwerte erforderlich Das Entfernen der Schichten ist mit einem hohen Kraftaufwand verbunden was mitunter zu einer Zerst rung einzelner Schichten f hren kann
167. owie das darin integrierte Modul CAM Works zur Generierung der NC Codes Dargestellt ist der erste Fertigungsschritt f r die Schicht A aus der Richtung der Unterseite SolidWorks Lehr Edition Nur f r Lehrzwecke ALLE rbine Teil A22 bh Datei Bearbeiten Anscht Einf gen Extras CW Tosing CAMWorks Fenster Hilfe Deus Slab t mE Saale ea De ee P E Features Skizzieren EHER 30 Skire eet de Urge Rechte rei Antselaunkt Tangrgraler SPUMA ae Bl ser Mate SCRR MW AMansoer Materisl Manager 06 Si Teie Setup Gruppe2 zi Sp Erw 30 Schruppens T4 amp Schaf ui Sr Schruppeni T4 8 Schaftfr ser Simulationsleiste CAN Modul CAN Works ip Zentrierbahren1 T6 5 Zentrierba Bohreri T1 5x118 Bohrer i E Senkeni T9 12 by 60 Senken Schicht A 5 Gewindeschneider1 T2 6 0x1 0MM d Unterseite 5 Teile Setup3 Gruppe3 a i Erw 30 Z Ebenes T23 6 Kugel a i Erw 30 Musterprojekt S T23 kf 3 Teile Setup4 Gruppe4 Bearbeitungsschritte unbearbeitete Fl cher Abbildung 6 5 Simulation des ersten Bearbeitungsschrittes mittels CAM Works 6 Exemplarische Verifikation 130 Dabei handelt es sich um den ersten Bearbeitungsvorgang Schruppen bei dem die Geometrie des Probek rpers grob herausgearbeitet wird Dies ist an den Fl gelfl chen bzw an den Treppenstufen deutlich erkennbar Die senkrechten unbearbeiteten Fl chen an den Fl geln k n
168. pielsweise bei der Einzylinderkurbelwelle die Verdrehung des Segmentes 1 Grundzapfen gegen ber dem Segment 2 Kurbelwange v llig irrelevant ist vgl Kapitel 6 3 1 Bei dem 8 Ausblick 170 komplexen Probek rper dagegen ist die Verdrehung der beiden Schichten zueinander entscheidend und bestimmt ber die G te des Kontur bergangs an der Fl gelgeometrie Allein aus dieser Erkenntnis l sst sich eine Klassifizierung f r Prototypen ableiten woraus sich wiederum Eigenschaften f r die anwendbare F getechnik ergeben Ein Vorteil der generativen RP Verfahren liegt in der M glichkeit komplexe Strukturen herstellen zu k nnen Reicht jedoch der Bauraum der RP Maschine nicht aus muss der Prototyp in einzelnen Segmenten hergestellt werden Diese Segmente m ssen analog zum quasi generativem RP Verfahren Fr sen im Anschluss an die Fertigung gef gt werden Dadurch k nnen sich die gleichen Anforderungen an die F getechnik ergeben wie bei dem Verbinden fr stechnisch hergestellter Schichten Das Einsatzgebiet des MLJ F gekonzeptes kann daher durchaus auf das F gen von generativ hergestellten Segmenten bertragen werden In diesem Zusammenhang ist eine datentechnische Aufbereitung des CAD Modells notwendig bei dem die Ans tze zur automatischen Schichtgenerierung dem Hinzuf gen der F getechnik zu den Schichten sowie deren Auslegung vgl Kapitel 2 2 und Kapitel 5 3 genutzt werden k nnen Weiterhin kann ein A
169. r ser Kollisior komplexe Fl gelgeometrie Abbildung 2 7 a Rotor einer Miniaturturbine b Fr serkollision bedingt durch Hinterschneidung Die Abbildung 2 7 verdeutlicht diese Problematik am Beispiel eines Rotors mit komplexer Fl gelgeometrie Eine fr stechnische Herstellung des Prototyps ist nur ber eine Aufteilung in mehrere Teilk rper m glich indem der Prototyp in einem CAD System einer virtuellen Bauteilzerlegung unterzogen wird Hierbei wird eine Kollisionspr fung mit einem fr ser identischen K rper und dem zu analysierenden Prototyp durchgef hrt Die Abbildung 2 8 veranschaulicht die virtuelle Bauteilzerlegung anhand der komplexen Fl gelgeometrie des Rotors Tritt zwischen dem Werkzeug und der Bauteilgeometrie eine Kollision auf so ist die maximale Bearbeitungstiefe erreicht und der Prototyp ist in dieser Tiefe in eine Bauteilschicht und in den verbleibenden Prototyp zu unterteilen 2 Stand der Technik 15 Werkzeug freigeschnittene Werkzeugkollisionen Bauteilschicht maximale Bearbeitungstiefe Bauteilgeometrie 1 Bearbeitungsschritt 2 Bearbeitungsschhritt freigeschnittene Bauteilschichten letzter Bearbeitungsschritt Abbildung 2 8 Prinzip der virtuellen Bauteilzerlegung 4 Die separierte Bauteilschicht wird im weiteren Verlauf der Prototypenherstellung als eigenst ndiges Bauteil betrachtet Der verbleibende Prototyp wird wiederum einer erneuten Kollisionsanalyse unterzoge
170. r Technik 28 mit abnehmendem Zapfendurchmesser da das Toleranzfeld immer kleiner wird Hinzu kommt dass Zapfen mit einem kleinen Durchmesser ebenfalls in Folge von Zerspankr ften verformt werden k nnen was auch zu einer Ma und Formabweichung f hrt 2 4 Schichten f gen Im Anschluss an die Konturerzeugung geschieht das F gen der einzelnen Bauteilschichten zum Prototyp F r den F geprozess m ssen die Bauteilschichten des Prototyps untereinander positioniert werden Das Positionieren kann mit Hilfe der Bohrung Zapfen Kombination durchgef hrt werden Durch die Wahl einer Uberma passung ist es m glich die Hilfsgeometrie zus tzlich als F getechnik zu nutzen 2 4 1 Bauteilschichten positionieren Wird ein Prototyp mittels klassischer F geverfahren verbunden wie z B dem Verschrauben oder Kleben m ssen die Schichten untereinander positioniert werden Diese Notwendigkeit wird gerade beim Kleben deutlich da dieser Prozess meist durch das Aufbringen einer Druck spannung senkrecht zur Klebefl che und durch eine Aush rtezeit gekennzeichnet ist Das Aufbringen der Druckspannung kann bei komplexen Fl chen zu einem Auseinandergleiten der Bauteilschichten f hren Das Positionieren kann grunds tzlich ber speziell f r einen Prototyp angefertigte Vorrichtungen vorgenommen werden Die Erstellung einer solchen Vorrichtung ist jedoch mit einem Zeit und Kostenaufwand verbunden Hinzu kommt dass eine exakte Ausrichtung
171. r so genannten Schichtfr stechnologie 1 bei dem der Prototyp datentechnisch in einzelne Schichten zerlegt wird und diese mittels einer konventionellen 3 Achs CNC Fr smaschine hergestellt werden Mit dieser Verfahrensweise lassen sich viele fertigungstechnische Probleme l sen wie z B die fr stechnische Herstellung von Geometrien mit Hinterschneidungen Dieser Ansatz f hrt jedoch zu der bereits in Kapitel 1 angesprochenen Problematik dass die Schichten im Anschluss an die Fertigung wieder gef gt werden m ssen Als Werkstoff k nnen grunds tzlich alle fr sbaren Materialen verwendet werden Die Auswahl kann jedoch durch die Antriebsleistung der zur Verf gung stehenden Fr smaschine begrenzt werden 1 Das Material wird f r den Herstellungsprozess in Form von Platten bereitgestellt Damit besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Plattendicke und der Anzahl an Schichten Zur Verdeutlichung der Schichtfr stechnologie werden im Folgenden die Software Produkte Stratoconception und Millt erl utert Die Abbildung 2 1 zeigt das Verfahrensprinzip der Software Stratoconception Diese Software arbeitet grunds tzlich maschinenunabh ngig wird jedoch meistens in Verbindung mit einer Fr smaschine der Firma Charlyrobot angeboten 4 Im ersten Schritt werden vom Benutzer Angaben zur Orientierung des herzustellenden Prototypen getroffen und damit die Lage der parallelen Schichten festgelegt Zudem ist vom Benutzer die max
172. rch das L sen der Befestigungsschrauben vgl Abbildung 5 13b lassen sich die Standardspannbacken entfernen wodurch sich der Schraubstock durch die Wahl anderer Spannelemente problemlos modifizieren l sst a i unbeweglicher b Befestigungsschraube beweglicher Teil Standards pannbacker c 9 Abbildung 5 13 a Maschinenschraubstock mit Standardspannbacken b Befestigung der Standardspannbacke c Maschinenschraubstock ohne Standardspannbacke d Standardspannbacke Die Modifizierbarkeit bietet die M glichkeit spezielle Spannbacken f r die Aufnahme der inneren Hilfsgeometrie zu entwickeln Dabei sind grunds tzlich der zur Verf gung stehende Bauraum sowie die Anschlussma e der Befestigungsbohrung am Schraubstock zu 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 62 ber cksichtigen Abbildung 5 13c d Im Folgenden wird eine Vorrichtung vorgestellt welche sich f r die Aufnahme der Zapfen eignet und ber die Befestigungsbohrungen am Maschinenschraubstock angebracht wird vgl Abbildung 5 14 Spannbuchsenpaa r Fixierbohrunc Z F hrungsfl che Teilspannbuchse Spannbacke Befestigungsbohrunc y Langloch Befestigungsschraube Abbildung 5 14 Vorrichtung Die Vorrichtung besteht aus zwei spiegelsymmetrischen Spannbacken mit zwei Spannbuchsen paaren Dies sind vier Teilspannbuchsen welche ber F hrungsfl chen in den Spannbacken
173. reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 58 Bohrunc Zapfer Kombinatior Pressung Projektionsfl che pautelsohicht SD Bauteilschicht A Schub Scherfl che Abbildung 5 10 Schub und Pressung an einer Bohrung Zapfen Kombination Die Abbildung 5 10 zeigt exemplarisch den Schub und die Pressung an einer Bohrung Zapfen Kombination F r die Berechnung der Schubspannung t welche real eine ungleichm ige Verteilung ber den Querschnitt ausweist wird in der Praxis eine gleichm ige Verteilung angesetzt Sie stellt eine integrale Mittelung ber den Querschnitt dar vgl Abbildung 5 11 10 reale Schubspannungsver teilung vereinfachte mittlere Schubspannungsverfeilung Abbildung 5 11 Schubspannungsverteilung 10 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 59 Die Schubspannung qt kann somit nach folgender vereinfachter Formel berechnet werden T T g E Gl 5 1 mit T Scherspannung N mm a mittlere Scherspannung N mm Lu Zul ssige Scherspannung N mm F Querkraft F IN A Scherfl che des Zapfens mm Die Scherfl che A des Zapfens ergibt sich zu 2 A Gl 5 2 mit d Zapfendurchmesser mm Neben der Ermittlung der Schubspannung t muss die Fl chenpressung p am Zapfen bzw in der Bohrung berechnet werden Die Abbildung 5 12 zeigt den wirklichen und den vereinfachten Verlauf der Pressung p an einem Niet bzw
174. reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 75 Die Abbildung 5 25 zeigt die F getechnik unter der Vorspannung F L ngskraftbelastung F r die Ermittlung der Fl chenpressung p ist zun chst die Vorspannkraft F p pro Zahnflanke zu bestimmen J Abbildung 5 25 F getechnik unter Vorspannung F Diese errechnet sich nach EE Gl 5 5 Zur Bestimmung der Fl chenpressung p p wird die Normalkraft F o auf der Flankenfl che mit folgender trigonometrischen Beziehung bestimmt vgl Abbildung 5 26 Abbildung 5 26 Ermittlung der Normalkraft Fan 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 76 WW P e Pan mit Flankenwinkel Gl 5 6 cos CO Damit ergibt sich die Fl chenpressung p o zu Pn Hu Tat mit A Flankenfl che Gl 5 7 Zur bertragung von Betriebslasten darf die zul ssige Fl chenpressung Pu durch die Vorspannkraft F nicht ausgesch pft werden Die Vorspannkraft F muss so gew hlt werden dass diese zum einen in Verbindung mit der zu bertragenen Belastung die maximal zul ssige Fl chenpressung p nicht berschreitet und zum anderen die Fl chenpressung p an entlasteten Zahnflanken aufrecht erh lt um ein Auseinandergleiten der F getechnik zu verhindern Die Gr e der Vorspannkraft F richtet sich nach der Art der zu bertragenden Belastung Ist der Betrag der Fl chenpressung p bekannt um den die
175. rien stellt hier eine grunds tzliche L sung dar 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 91 5 3 Programm Modul zur rechnerunterst tzten Auslegung Die Umsetzung des Programm Moduls erfolgt am Beispiel der Prismenverzahnung Der Grund liegt in der gegen ber der Bohrung Zapfen Kombination deutlich komplexeren Geometrie und dem damit verbundenen aufwendigeren Festigkeitsnachweis Im Folgenden wird zum besseren Verst ndnis zuerst der Leistungsumfang des Moduls beschrieben Darauf aufbauend erfolgt die Darstellung des allgemeinen Aufbaus und abschlie end die programmiertechnische Umsetzung sowie die Integration des Moduls in die CAD Umgebung 5 3 1 Leistungsumfang Aus funktionaler Sicht hat das Modul die Aufgabe einen Festigkeitsnachweis f r die Prismenverzahnung durchzuf hren Dazu sind die aus Kapitel 5 2 2 2 formulierten Berechnungs formeln zu implementieren Neben der genannten Hauptfunktionalit t sind zudem Anforderungen an die Benutzerfreundlichkeit gestellt welche eine Integration in ein CAD System sinnvoll erscheinen lassen Dazu wird das Programm Modul in die Benutzeroberfl che des CAD Systems eingebunden Dies geschieht durch Hinzuf gen eines neuen Icons Prismen Verzahnung innerhalb der Men leiste des CAD Systems F r eine sinnvolle Nutzung des Programm Moduls in der Praxis wird neben der rechnerunterst tzten Auslegung eine Funktion angebo
176. rkzeugparametern 3 Lobeck 3 hat der Forderung nach einer automatischen Bauteilzerlegung in Abh ngigkeit der Werkzeugparameter Rechnung getragen durch die Erstellung einer umfangreichen Werkzeugbibliothek Aus Gr nden einer effizienten Datenverwaltung wurde diese Bibliothek 2 Stand der Technik 17 innerhalb eines PDM Systems angesiedelt vgl Abbildung 2 9 Durch die Auswahl eines Fr sertyps und durch das Setzten der Werkzeugparameter wird ein fr seridentischer K rper im CAD System aufgebaut vgl Abbildung 2 10 d Unigraphics NX Modeling Template Mill Tool 5 Parameter Modified S o x Za File Edit View Insert Format Tools Assemblies WCS Information Analysis Preferences Application SmarTeam Rand Prototyping Window Help J8l x Osnat hex Smaa oer g aen Model Navigator 9 Ge Feature Name E Template Mill Tool 5 Parameter Ei amp FIXED_DATUM_PLAR S ff FIXED_DATUM_ARISI E A FIXED_DATUM_ARISI EIN SKETCH_OO0 SKETCH SpEIU ep EI pP REVOLVEDIA D ai B0S I9 Dee ES Height ka ten Taper Angie kr Al LC eikal aAglzs 2lezx ebe Abbildung 2 10 Modell eines fr seridentischen K rpers 3 Zusammen mit dem zu analysierenden Prototyp wird der fr seridentische K rper in einer gemeinsamen Baugruppe einer automatischen Bauteilzerlesung unterzogen Die daf r notwendige Kernfunktion stellt die Kollisions bzw Interferenzpr fung dar Mit ihr
177. rogramm Modul gliedert sich in die folgenden drei Module Geometrie und Positionsangaben Festigkeitsnachweis Einf gen Trennen und Speichern Die Gruppierung der Funktionalit ten in einzelne Module entspricht den in Kapitel 5 3 1 beschriebenen Prozessschtritten Das Modul Geometrie und Positionsangaben dient zur Eingabe der f r die Ausf hrung des Programm Moduls erforderlichen Daten Zum einen werden die Angaben zur Geometrie der Prismenverzahnung und zum anderen die Angaben seiner Position im CAD Modell vorgenommen Dabei dienen die Geometrie und Positionsangaben als Eingabedaten sowohl f r das Unterprogramm Festigkeitsnachweis als auch f r das Unterprogramm Einf gen Trennen 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 104 und Speichern W hrend die Angaben zur Geometrie direkt ber eine Eingabemaske vom Benutzer eingegeben werden k nnen erfolgen die Angaben zur Position welche sich direkt auf das CAD Modell beziehen wie z B das Festlegen von Referenzachsen und ebenen interaktiv am CAD Modell selbst Dazu ist eine Schnittstelle zwischen dem Programm Modul und dem CAD System notwendig welche die Selektionen am CAD Modell erkennt und an das Programm Modul weitergibt Das Modul Festigkeitsnachweis beinhaltet die Berechnungsgrundlagen f r die Prismenverzahnung und stellt somit einen Teil der Knowledge Base dar Die f r den
178. rven AO SUB ne Schnitt ausgetra Busgaformt Puster KE Im D t Probeikiuper_Sicherungekope RE Frobekurper_Scherungssoge_i In me EI Beschriftung E Nedridogerter e as Al Beisuchburg Ta e a RI Volumenk rperf1 el K 3 Vome Macht gt Oben Fish D Epai Schicht A D I Rechts L Ursprung Bozbeeesnge S Aislerenzachee mm ZCPch rkor r e Dhe 1 H die des chte parde gez Jetzt besteht e Mpebch eg ber emule Hanns Te re Let Fremen re T u ie Om Fan gt was CG Geogg gpa bet H en an i De a H ITT NEL ENER 1 d Schicht A Schicht A Geometriebeispiel 1 Geometriebeispiel 2 Abbildung 6 18 Schicht A M glichkeit zur Variation der Geometrieparameter Entspricht die Geometrie der Prismen Verzahnung den Anforderungen des Benutzers so kann der Ablauf des Programm Moduls fortgesetzt und es kann die zweite und letzte Schicht B erzeugt werden vgl Abbildung 6 19 Die Schichten werden gem der in Kapitel 5 3 1 beschriebenen Dateistruktur abgelegt 6 Exemplarische Verifikation 144 SolbdWarks Lahr Editken Mir fir Lehrzwecke Prohek rper__2 Deh ad nn RB DB ER TR ATI De BAT Ina Bi rert Shni memeha miao Hirter e Wh Probek npen 3 Da Schicht B Abbildung 6 19 Schicht B bernahme der Geometrieparameter von Schicht A Zur berpr fung der datentechnischen Ausf hrung k nnen beide Sc
179. s Belastungskollektivs angegeben werden Dieses setzt sich im allgemeinen Fall aus der Torsions Querkraft und Biegebelastung zusammen Nicht auftretende mechanische Belastungen werden zu Null gesetzt Weiterhin sind Angaben erforderlich zu der zul ssigen Fl chenpressung p des Prismenverzahnungswerkstoffs dem Fl chentraganteil der Zahnflanken und dem Sicherheits faktor f r den Festigkeitsnachweis Als R ckgabewert erh lt der Anwender die auftretende maximale Fl chenpressungp an den Zahnflanken der Prismenverzahnung sowie die erforderliche mindest Vorspannkraft P der Schraubverbindung Zudem wird der Benutzer durch einen Vergleich der zul ssigen Fl chenpressung D und der auftretenden Fl chenpressung p ber eine ausreichende bzw nicht ausreichende Dimensionierung der Prismenverzahnung informiert Liegt beispielsweise keine ausrechende Dimensionierung vor so k nnen die Geometriemerkmale aus dem Teilprozess Geometrieangaben nachtr glich ver ndert werden Die Festigkeitsberechnung wird dann anhand der neuen Geometriemerkmale automatisch aktualisiert Bei vorgegebenem Werkstoff kann auf dieses Weise durch Variation der Geometriemerkmale und berpr fung des Festigkeitsnachweises iterativ die optimale Geometrie der Prismenverzahnung bestimmt werden Die minimale Vorspannkraft P dient als Eingangsgr e f r die Auslegung der Schraubverbindung In Abh ngigkeit vom Sicherheitsfaktor f r den Festigkeitsnach
180. sehr hoch gebaut oder diese zum Spannen bzw Entspannen der Bauteilschicht montiert bzw demontiert werden Eine andere M glichkeit bietet die Verwendung eines Zugexzenters welcher die beschriebenen Nachteile behebt Die Abbildung 5 35 zeigt eine solche Vorrichtungsvariante mit Zugexzenter und verdeutlicht das Spannprinzip Bauteilschicht des Prototyps Spannbolzen horizontale Zugangsbohrung LZ IK vertikale Sechskantschl ssel Exzenter Zugangsbohrung Vorrichtung Abbildung 5 35 Spannprinzip mittels Spannbolzen und Exzenter F r den Spannvorgang wird der Spannbolzen ber ein Gewinde mit der Bauteilschicht verbunden Im Anschluss daran wird die Bauteilschicht mit Spannbolzen auf die Prismen 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 88 verzahnung der Vorrichtung gesetzt Das Aufbringen der Vorspannkraft F wird ber die Verdrehung des Exzenters vorgenommen der ber die horizontale Zugangsbohrung in der Vorrichtung mit dem Spannbolzen in Eingriff gebracht wird Dabei wird die Bauteilschicht mit dem Spannbolzen vertikal nach unten gezogen wodurch die Spannwirkung eingeleitet wird Zum Erreichen einer maximalen Vorspannkraft F ist die Zustelltiefe des Spannbolzens ber die vertikale Zugangsbohrung zum Exzenter ma gebend Grunds tzlich k nnen der Zugexzenter und der Spannbolzen selbst hergestellt werden Es bietet sich jedoch an auf die Erfahrung von
181. ste Zapfen verf gt Nach der Fertigung m ssen die Kugelh lften wieder zu einer Kugel gef gt werden Der F geprozess kann mittels der Hilfsgeometrie welche zuvor als Spanntechnik genutzt worden ist erfolgen Dazu werden die Zapfen und Bohrungen als Pressverband ausgef hrt Sie dienen w hrend des F geprozesses auch zum Positionieren der Kugelh lften Aus der vorausgehend beschriebenen prinzipiellen Funktionsweise der Prototypenherstellung nach Assmann ergibt sich in Anlehnung an Kapitel 1 die folgende f r das MLJ Verfahren erweiterte Funktionsanalyse vgl Abbildung 2 6 2 Stand der Technik 13 Nebenfunktionen Virtuelle Bauteilzerlegung Schicht Erzeugung der inneren erzeugen Hilfsgeometrie Erzeugung des Rohmaterials NC Programmierung a Schnittstelle Zweiseitige Bauteilbearbeitung Hauptfunktionen Prototypen Fertigung Datentechnische Ausf hrung Kontur erzeugen positionieren Schichten f gen Bauteilschichten Abbildung 2 6 Haupt und Nebenfunktionen des MLJ Verfahren 4 Fertigungstechnische Ausf hrung Die Hauptfunktionen zur Herstellung eines Prototyps sind in die f r das MLJ Verfahren notwendigen Nebenfunktionen unterteilt welche im weiteren Verlauf der Arbeit ausf hrlich diskutiert und einer kritischen Analyse unterzogen werden Zudem findet sich eine Zuordnung der Haupt bzw Nebenfunktionen zu der daten und fertigungstechnischen Ausf hrung wieder 2 2 Sc
182. t Schicht des Prototyps Drehmei e Planfl che Abbildung 6 29 zentrische Aufnahmen in eine Drehmaschine mittels der Prismen Verzahnung Grunds tzlich kann die Schicht B im vorliegenden Fall ber die u ere Fl gelgeometrie aufgenommen werden Jedoch soll die Abbildung 6 29 zeigen dass dies unabh ngig von der Geometrie des Prototyps ber die Prismen Verzahnung realisiert werden kann Verdeutlicht wird dieser Umstand anhand der Abbildung 5 37 bei dem das Aufnehmen des Prototyps ber das Dreibackenfutter Schwierigkeiten bereitet 6 Exemplarische Verifikation 152 6 3 Beispiel 3 Kurbelwellengeometrie mit Prismen Verzahnung Die Abbildung 6 30 zeigt die Geometrie einer Einzylinderkurbelwelle 31 bestehend aus einem Grundzapfen zwei Kurbelwangen einem Hubzapfen und einem Grundzapfen mit Passfedernut Hubzapfen Grundzapfen mit Passfedernut Kurbelwange Abbildung 6 30 Einzylinderkurbelwellegeometrie 6 3 1 Datentechnische Ausf hrung F r die Herstellung bietet es sich an die Kurbelwelle segmentweise zu fertigen Dabei k nnen die rotationssymmetrischen Segmente wie Grundzapfen Hubzapfen und Grundzapfen mit Passfedernut mittels Drehen oder Fr sen hergestellt werden Die Kurbelwangen lassen sich dagegen nur mittels Fr sen fertigen 6 Exemplarische Verifikation 153 Die Abbildung 6 31 zeigt eine Zuordnung einer Dreh oder Fr sbearbeitung zu den einzelnen Segmenten Im Fo
183. t geometrische Informationen wie beispielsweise Fertigungsdaten Toleranzwerte und Werkstoffdaten mit der Geometrie verkn pft werden Mit SohdWorks k nnen Teile Baugruppen und Zeichnungen erstellt werden Diese sind assoziativ zueinander sodass eine nderung an einem Teil eine Aktualisierung der dazugeh rigen Baugruppe sowie Zeichnung bewirkt Auch der umgekehrte Fall wie z B das ndern einer Zeichnung f hrt zu einer Aktualisierung des dazugeh rigen Teils sowie der dazugeh rigen Baugruppe 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 106 SolidWorks bietet die M glichkeit den Funktionsumfang durch Zusatzanwendungen zu erweitern Eine solche Zusatzanwendung ist das bereits in Kapitel 2 3 1 beschriebene CAM Modul CamWorks zur Generierung von Steuerinformationen f r CNC Bearbeitungsmaschinen welches in die Oberfl che von SokdWorks integriert ist Weitere verf gbare Zusatzanwendungen sind z B CosmosWorks f r die Durchf hrung von FE Analysen PhotoWorks f r die Erstellung von fototealistischen Bildern sowie die SoldWor amp ks Toolbox welche eine Bibliothek an Normteilen f r Baugruppen enth lt Es besteht auch die M glichkeit einfache oder auch komplexe Zusatzanwendungen f r SolidWorks selbst zu erstellen und in die Benutzeroberfl che zu integrieren So k nnen z B Operationen welche direkt mit der SokdWorks Benutzeroberfl che durchgef hrt
184. t im Wesentlichen von folgenden drei Parametern abh ngig 10 4 Anforderungen an eine rechnerunterst tzte Auslegung 39 u ere Belastung Kr fte und Momente Gestalt Form und Abmessung Werkstoff Werkstoffkennwerte Zur Erzielung eines optimalen Ergebnisses ist es erforderlich dass diese Parameter zur Beeinflussung der Festigkeitsberechnung vom Benutzer nicht nur eingegeben sondern auch variiert werden k nnen In dem hier vorliegenden konkreten Anwendungsfall reduziert sich jedoch die Eingabe f r die u ere Belastung auf die Gr e der einwirkenden Kraft oder des Momentes und f r die Gestalt lediglich auf die Abmessungen der F geelemente 4 1 2 Verarbeitung Die ber die Eingabe gewonnenen Daten werden in der Verarbeitung dem dort hinterlegten Algorithmus zur Festigkeitsberechung zugef hrt F r eine sichere Verarbeitung ist es unbedingt erforderlich dass der Berechnungsalgorithmus vollst ndig und korrekt abgebildet wird Da dieser abh ngig von der zu berechnenden F getechnik ist wird an dieser Stelle die Individualit t der funktionalen Anforderungen deutlich insbesondere die der Eingabe und der Verarbeitung Die Festigkeitsberechnung l sst sich f r statisch belastete Bauteile jedoch allgemeing ltig wie folgt ausdr cken 10 eege Werkstoffkennwert Gl 4 1 wirksame Spannung Als Werkstoffkennwert wird beispielsweise die Streckgrenze R oder die Zugfestigkeit R eingesetzt Die
185. techniken f r Funktionsprototypen 102 Rest Modell des Prototyps wird unterhalb der Subtraktionslinie 1 vgl Subtraktionsrichtung 1 ebenfalls mittels Boolescher Operationen der nicht zur ersten Bauteilschicht geh rende K rper abgezogen Auf diese Weise wird die erste Bauteilschicht vom verbleibenden Modellk rper getrennt Die dabei entstehende Bauteilschicht wird gem l3 der Dateistruktur vgl Abbildung 5 43 unter dem Dateinamen Prototyp_Schicht_1 CAD Datei abgespeichert Im zweiten und letzten Schritt wird die Erstellung der letzten Bauteilschicht realisiert Dazu wird auf das Ausgangsmodell des Prototyps Prototyp CAD Datei zur ckgegriffen und die gleiche Verfahrensweise wie beim ersten Schritt angewendet Damit jedoch gew hrleistet wird dass die Bauteilschicht 2 exakt auf die Bauteilschicht 1 abgestimmt ist wird zum einen die Geometrie erstellung der Zahnl cke aus der entgegengesetzten Richtung der Trennebene und zum anderen um 60 gegen ber der Prismenverzahnung von Bauteilschicht 1 verschoben Die Separierung der zweiten Bauteilschicht geschieht analog zum ersten Schritt jedoch in Subtraktionsrichtung 2 Im Anschluss daran wird die Bauteilschicht unter dem Dateinamen Prototyp_Schicht_2 CAD Datei abgespeichert Detaillierte Ausf hrungen zum Einf gen Trennen und Speichern sowie Einblicke in die programmiertechnische Umsetzung erfolgen zum Ende des Kapitels 5 3 3 5 3 2 Al
186. ten Fertigungsschritt die Bauteilschicht um 180 gewendet und anschlie end aus der Richtung der Oberseite bearbeitet Dazu werden die Bauteilschichten mit Hilfe der zuvor erstellten Hilfsgeometrien gespannt Die Nutzung der Hilfsgeometrie erm glicht wie im ersten Fertigungsschritt eine umfassende Bearbeitung der Bauteilschicht ohne dass st rende Spanntechniken wie beispielsweise Spannpratzen die Zug nglichkeit des Fr sers behindern Die Aufspannung mittels positiv ausgepr gter Hilfsgeometrie geschieht mittels normaler Spannbacken vgl Abbildung 2 16 Damit die Linienbelastungen w hrend des Spannens an den Mantelfl chen der Zapfen nicht zu gro werden und es in diesen Bereichen nicht zu plastischen Abflachungen kommt sind die Zapfen angefast und gestatten somit die bertragung gr erer Spannkr fte 4 In der Praxis hat sich das Anfasen der Zapfen jedoch als nicht ausreichend erwiesen da die durch die Spannbacken des Maschinenschraubstocks aufgebrachten Spannkr fte meist zu einer plastischen Gesamtverformung der Zapfen f hren Ein weiteres Problem besteht darin dass die Position der Bauteilschicht im Maschinen schraubstock nicht reproduzierbar ist So kann diese vor dem Aufbringen der Spannkraft des Maschinenschraubstockes entlang der Spannbacken in x Richtung verschoben werden vgl Abbildung 2 16b F r die Fr sbearbeitung ist unbedingt erforderlich dass die Position der Bauteilschicht der Fr smaschine durch Einm
187. ten zum Einf gen der Prismenverzahnung sowie zum Trennen des CAD Modells des herzustellenden Prototyps in einzelne Bauteilschichten Der Grund daf r ist dass die in Kapitel 2 2 2 beschriebene automatisierte Verfahrensweise zum Trennen und Einf gen der Bohrung Zapfen Kombination f r die Prismenverzahnung nicht genutzt werden kann Dies ist mit der Geometrie der Prismen verzahnung zu begr nden was zum Ende des Kapitels eingehend diskutiert wird Unter Ber cksichtigung der erweiterten Funktionalit t des Programm Moduls ergeben sich aus der Anwendersicht f r den Benutzer folgende abzuarbeitende Teilprozesse welche durch das Programm Modul unterst tzt werden Positionsangaben zum Einf gen der Prismenverzahnung in das CAD Modell Geometrieangaben zur Prismenverzahnung 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 92 Festigkeitsnachweis der Prismenverzahnung Einf gen der Prismenverzahnung Trennen des CAD Modells und Speichern der Bauteilschichten mit Prismenverzahnung Im Folgenden wird anhand der genannten Teilprozesse der Leitungsumfang des Programm Moduls erl utert Ausgangssituation f r die Nutzung des Programm Moduls ist ein im CAD System ge ffnetes Einzelteil des herzustellenden Prototyps Die Aktivierung des Programm Moduls wird ber einen Auswahl Button in der Men leiste des CAD Systems vorgenommen Teilprozess Positionsangaben Im
188. terschiede im NC Code zwischen den einzelnen Werkzeugmaschinenherstellern Nach der Erzeugung des NC Codes wird dieser in einer Datei gespeichert und auf die CNC Steuerung der Bearbeitungsmaschine bertragen 2 3 2 Zweiseitige Bauteilbearbeitung Die Bearbeitung der einzelnen Bauteilschichten wird sowohl aus der Richtung der Unter als auch der Oberseite vorgenommen um eine vollst ndige Herstellung der Bauteilschichten zu gew hrleisten Um Werkst cke fr stechnisch bearbeiten zu k nnen und um ihre relative Lage auf 2 Stand der Technik 23 dem Maschinentisch klar zu definieren ist es notwendig diese fest einzuspannen Bei einfachen geometrischen Strukturen wie Quader Zylinder etc kann die Einspannung dabei ber herk mmliche Spannelemente wie beispielsweise die Spannbacken eines Maschinen schraubstockes erfolgen Komplexe geometrische Strukturen wie z B Freiformfl chen k nnen jedoch nicht ohne weiteres mit herk mmlichen Techniken gespannt werden Um auch Bauteile komplexerer Struktur problemlos spannen bzw fertigen zu k nnen werden daf r die in Kapitel 2 2 2 vorgestellten inneren Hilfsgeometrien genutzt F r eine eindeutige Lagepositionierung auf dem Maschinentisch sowie unter dem Aspekt der sp teren Nutzung als Positionier und F getechnik ist es erforderlich dass die Hilfsgeometrie sowohl translatorische als auch rotatorische Bewegungen unterbindet Die Geometrie einer einzelnen Bohrung Zapfen Kombination unterbindet j
189. tion Private Function SwAddin Disconneerfrom WV As Boolean Dim bRet Aa Boolean Remove any UI that vas added earlier bRet i51dWorks FemoveHenui swbocN NE Sample I bRer iSldWorks RemoveMenu swDbocPART Sample nm bRet i5S1dWorks FBemovelHenui swDboch53EHELT Sample nm bket i5ldVorks RBemoweMenuilswbocbRAWING Sample ni bRet i51ldWorks FBemowveToolbarz iCookie iToolbar ID Set i5SldWorks Nothing Swaddin DisconneetfromSW True End Function Abbildung 5 53 Quellcodeger st in der Entwicklungsumgebung Microsoft Visual Studio 6 0 Dieses entspricht in der verwendeten Entwicklungsumgebung einem ActiveX DLL Projekt und besteht aus einem Modul einem Klassenmodul und einem verbundenem Dokument Bei dem Modul handelt es sich um die Konstantendefinitionen von SobdWorf s Ab der Version SolidWorks 2004 besteht jedoch die M glichkeit das Modul durch eine Typelibrary zu ersetzen welche ber die Verweise der Entwicklungsumgebung einzubinden ist Zum Umfang der SohdWorks API geh ren auch Projektvorlagen f r die Erstellung eigener Zusatzapplikationen Mit diesen so genannten Application Wizzards lassen sich f r die Programmiersprachen Visual Basic und C bereits Programmger ste erstellen die ber die 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 114 fundamentalen Funktionen f r die Anbindung an So4dWorks verf gen
190. tzlich mit u eren Hilfsgeometrien an den Platten fixiert Das f hrt zu einem relativ hohen Zerspanvolumen da diese zusammen mit den Schichten aus der Platte herausgearbeitet werden m ssen Ein weiterer Nachteil liegt darin dass sich die Sp ne in der Rahmenstruktur ansammeln Das f hrt einerseits 2 Stand der Technik 9 zu einer eingeschr nkten W rmeabfuhr welches sich negativ auf die Standzeit des Werkzeugs auswirkt und f hrt andererseits zu unkontrollierten Schleifwirkungen der nicht abgef hrten Sp ne an der Bauteiloberfl che was Ungenauigkeiten an der Schichtgeometrie hervorrufen kann 4 F r den zweiten Fertigungsschritt zur Bearbeitung der Unterseite der Platte muss diese um 180 gedreht werden Dieser Vorgang verlangt eine pr zise und reproduzierbare Spanntechnik 4 Dazu wird zum einen die Platte von Mat automatisch mit zwei Bohrungen versehen welche eine gedachte Rotationsachse f r die 180 Drehung darstellt und zum anderen muss der Maschinentisch mit speziell auf die Bohrungen abgestimmten Spannstiften versehen werden vgl Abbildung 2 4 Zur Aufnahme unterschiedlich gro er Platten ist der zweite Spannstift entlang der x Achse verschiebbar Der erste Spannstift ist dagegen in seiner Position unver nderlich und stellt einen Bezugspunkt f r die Fr sbearbeitung dar a feste x y Koordinaten des 1 Spannstiftes Spannstifte mmm gt variable x Koordinate Bi de 2 Spannstiftes Rotationsachse
191. u einer Belastungserh hung von bis zu 50 und mehr f hren 29 Der Nachteil der Tabellen liegt darin dass diese nicht stetig um fehlende und neue Werkstoffe erg nzt werden In der g ngigen Literatur wird bis heute auf ein Tabellenwerk 30 von K mg und Pei aus dem Jahre 1982 verwiesen Im vorliegenden Fall musste daher f r die Berechnung auf die spezifischen Zerspankraftkomponenten einer vergleichbaren Aluminiumlegierung zur ckgegriffen werden Die Zerspankr fte sind neben dem Werkstoff und den Korrekturfaktoren zudem abh ngig von der Drehzahl der Vorschubgeschwindigkeit der Schnitttiefe und der Art und Beschaffenheit des Werkzeugs 27 28 F r die rechnerunterst tzte Auslegung der Prismen Verzahnung wird ein Schruppvorgang betrachtet da dort aufgrund der hohen Vorschubgeschwindigkeit der hohen Schnitttiefe und des gro en Fr serdurchmessers die gr ten Zerspankr fte zu erwarten sind F r die Bearbeitung wurde folgender Fr ser verwendet und folgende Prozessparameter eingestellt Fr sertyp Vollhartmetall Schaftfr ser mit scharfen Schneiden Fr serdurchmesser D 20mm 6 Exemplarische Verifikation 141 Anzahl der Schneiden g 4 Einstellwinkel K 70 Schnitttiefe o 3mm Vorschub pro Zahn CG 0 12mm FEingriffswinkel o 90 Die Ermittlung der Zerspankr fte f r den Ersatzwerkstoff A Mg4 1Mn ergab eine Vorschubkraft F 130N und eine Passivkraft F 78N Die Zur ck
192. ung gekennzeichnet Im Zuge dessen dient die Hilfsgeometrie in ihrer positiven und negativen Auspr gung als Spanntechnik w hrend der Bearbeitung 2 3 1 NC Code Generierung Unter der Generierung eines NC Codes wird die Erstellung von Steuerinformationen zur Bearbeitung eines Werkst cks auf einer CNC Werkzeugmaschine verstanden Das Programmieren solcher NC Codes kann grunds tzlich manuell an der CNC Steuerung der Werkzeugmaschine oder rechnerunterst tzt am PC erfolgen Mit steigender Komplexit t des Werkst ckes in Bezug auf eine dreidimensionale Fr sbearbeitung Freiformfl chen ist jedoch eine manuelle Programmierung u erst aufw ndig und in der Praxis nicht mehr realisierbar Die Erstellung der NC Codes erfolgt daher fast ausschlie lich computerunterst tzt am PC Daf r ist eine spezielle Programmiersoftware notwendig CAM Software Durch den Einsatz von CAD Systemen nutzt die CAM Software f r die Generierung des NC Codes das dort bereits vorliegende Datenmodell des Bauteils Damit entf llt eine aufw ndige manuelle Geometrie definition des Bauteils 7 Neben einer grafischen Benutzeroberfl che zur Auswahl von Bearbeitungswerkzeugen Bearbeitungsstrategien usw bietet die CAM Software die M glichkeit der grafischen Simulation der Bearbeitung anhand des erstellten NC Codes Damit kann eine Kontrolle durchgef hrt werden bevor der NC Code zum Einsatz freigegeben wird Die Abbildung 2 14 zeigt die CAM Software CamW
193. ung im Gegensatz zur Querkraftbelastung immer beide Bohrung Zapfen Kombinationen zur Verf gung stehen vgl Abbildung 5 9 Bei der Quer kraftbelastung ist das abh ngig von der Einleitungsrichtung der Querkraft F Zur Veranschaulichung werden zwei Extremf lle betrachtet Wird die Querkraft F aus Position 1 eingeleitet so muss diese von einer Bohrung Zapfen Kombination allein aufgenommen werden Der Grund daf r besteht in der Spielpassung zwischen Bohrungen und Zapfen zur Kompensation der mechanischen berbestimmung Geschieht die Kraft Einleitung aus der Position 2 oder aus einer Torsionsbeanspruchung so tragen beide Bohrung Zapfen Kombinationen zu gleichen Teilen wodurch aufgrund einer doppelt so gro en Scherfl che eine gr ere Querkraft F bertragen werden kann Bei einer umlaufenden Querkraft F ist immer mit einer Bohrung Zapfen Kombination zu rechnen Der Festigkeitsnachweis f r die Bohrung Zapfen Kombination kann wegen der geometrisch hnlichen Form analog zur Auslegung von Nieten und Bolzen durchgef hrt werden Dort wird in der Regel aufgrund der meist kurzen und dicken Niete bzw Bolzen die Biegung vernachl ssigt 10 Da sowohl Querkraft als auch Torsionsbelastung die Bohrung Zapfen Kombination auf Schub und Pressung beanspruchen gelten die folgenden Auslegungsformeln f r beide Belastungsarten gleicherma en Zudem k nnen sie problemlos berlagert werden 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von
194. von Schicht A aus der Richtung der Unterseite Hierbei zeigt die Fertigungsfolge 1 ein Bearbeitungsstadium zu Begin der Herstellung w hrend die Fertigungsfolge 2 das Ende des ersten Fertigungsschrittes darstellt Weiterhin ist zu erkennen dass die Bohrungen erst gegen Ende aller Bearbeitungsvorg nge des ersten Fertigungsschrittes hergestellt werden 1 Schicht A Spannleiste N VE mit abgesetzter Auflagefl che Vorrichtung Abbildung 6 7 1 Fertigungsschritt Herstellung von Schicht A aus der Richtung der Unterseite Im Anschluss an den ersten Fertigungsschritt wird der zweite und letzte Fertigungsschritt aus der Richtung der Oberseite durchgef hrt Dazu muss die Schicht A um 180 gedreht und auf den Zapfen gespannt werden Dazu m ssen die Spannleisten der Vorrichtung entfernt und durch die Spannbuchsenpaare ersetzt werden vgl Abbildung 5 14 Vor der fr stechnischen Bearbeitung muss auch hier die Position der Schicht der Maschinensteuerung der Fr smaschine bermittelt werden W hrend die Bestimmung der Position vor dem ersten Fertigungsschritt am Rohmaterial vorgenommen werden konnte ist dies vor dem zweiten Fertigungsschritt nicht immer m glich Dies liegt daran dass durch den ersten Fertigungsschritt Referenzfl chen welche mittels des 3D Tasters angefahren werden k nnen nicht mehr existieren Dieser Sachverhalt wird bei Betrachtung der durch den ersten Fertigungsschritt entstandenen komplexen Geometrie deutlich
195. weis ist diese A jedoch h her zu w hlen Da eine h her gew hlte Vorspannkraft F e auch eine Erh hung der Fl chenpressung p bewirkt ist eine erneute Durchf hrung des Festigkeitsnachweises notwendig 5 Konzept zur rechnerunterst tzten Auslegung von reversiblen F getechniken f r Funktionsprototypen 97 Dies wird durch die Eingabem glichkeit einer vom Benutzer definierten Vorspannkraft Fy realisiert Nach der Eingabe wird der Festigkeitsnachweis unter Ber cksichtigung des Belastungskollektivs automatisch aktualisiert Die Abbildung 5 42 zeigt die vom Programm Modul zur Unterst tzung des Teilsprozesses Festigkeitsnachweis bereitgestellten Funktionen Beschreibung Trennebenennummer Legt den Schnitt fest der berechnet werden soll Torsionsbelastung M Nm Legt das zu bertragende Torsionsmoment fest Querkraftbelastung P N Legt die zu bertragende Querkraft fest Biegebelastung M Nm Legt das zu bertragende Biegemoment fest Zul ssige Fl chenpressung p N mm Legt den Werkstoff der Prismenverzahnung fest Sicherheitsfaktor Legt die Sicherheit des Festigkeitsnachweises fest Legt den Fl chentraganteil der Zahnflanken der Pri h fest D i Eichen Bern nung a ist standardm ig f r gefr ste Fl chen auf 65 eingestellt Tats chliche Vorspannkraft F N vom Anwender festgelegte Vorspannkraft Abbildung 5 42 Funktions bersicht zum Teilprozess Festigkeitsnachweis T
196. wellengeometrie im berblick Die Abbildung 6 42 zeigt die montierte Einzylinderkurbelwelle Zu erkennen sind zwei der drei Innensechskantschrauben zum F gen der einzelnen Segmente 6 Exemplarische Verifikation 163 Segmen i 3 Innensechskan schraube Segmen 4 Segmen 2 e Segment 5 Innensechskani schraube Segmeni 2 Abbildung 6 42 prototypisch hergestellte Einzylinderkurbelwellengeometrie mittels Drehen und Fr sen 6 Exemplarische Verifikation 164 6 4 Genauigkeitsanalyse der Prismen Verzahnung Die Zentriereigenschaft der Prismen Verzahnung wird am Beispiel der in Kapitel 6 3 hergestellten Einzylinderkurbelwelle untersucht Aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten k nnen sich Lageabweichungen ergeben 32 Im Folgenden werden daher die Abweichungen bez glich der Konzentrizit t der Winkelschiefstellungen und der Verdrehung ermittelt Die Ermittlungen der einzelnen Lageabweichung werden mit der Koordinatenmessmaschine 32 Olivetti Inspection Mini 23 V durchgef hrt Diese verf gt ber eine Gesamtgenauigkeit von F3um und ber eine Wiederholgenauigkeit von Zum 33 Unter Konzentrizit t werden beispielsweise Kreise verstanden die ein und denselben Mittelpunkt besitzen jedoch unterschiedliche Durchmesser aufweisen Zur Verdeutlichung sei hier eine Zielscheibe genannt Analog dazu k nnen auch Quadrate konzentrisch zueinander angeordnet sein Die Abbildung 6 43 zeigt den Messau
197. wirksame Spannung a a CL 4 2 Ge IN mm bei Zug bzw Druckbeanspruchung ist das Verh ltnis von Kraft zu Fl che wobei die Kraft durch die Eingabe der u eren Belastung angegeben und die Fl che aus der Gestalt bzw der Form und den Abmessungen berechnet wird F r eine korrekte Festigkeitsberechnung muss unbedingt die allgemein g ltige Struktur eingehalten werden 4 Anforderungen an eine rechnerunterst tzte Auslegung 40 4 1 3 Ausgabe Als Ergebnis der Festigkeitsberechung wird ein Sicherheitsfaktor in Form einer dimensionslosen Zahl ausgegeben Da der Benutzer die Ausgabe der Festigkeitsberechnung beurteilen muss sollte diese neben einer Visualisierung auch eine Interpretationshilfe des Ergebnisses beinhalten Die Interpretationshilfe soll den Benutzer automatisch vor einer nicht ausreichenden Festigkeit der F getechnik in Kenntnis setzen bzw warnen Dazu ist es erforderlich dass eine Klassifizierung des Sicherheitsfaktors vorgenommen wird Grunds tzlich kann dieser die folgenden zwei Werte annehmen Sicherheit lt 1 Sicherheit zl Liegt beispielsweise das Ergebnis bei einer Sicherheit lt 1 so w rde die Interpretationshilfe den Benutzer automatisch visuell als auch akustisch ber die nicht ausreichende bzw einfache Sicherheit der F getechnik informieren Dieser Hinweis hat unmittelbar eine neue Dimensionierung der F getechnik und oder die Wahl eines anderen Werkstoffes zur Folge Liegt
198. zu den einschrittigen Verfahren erkennbar sind werden diese als quasi generativ bezeichnet 4 Bei allen dreischrittisen Fertieunesverfahren ist die Funktion Schichten f gen von allen g gung 5 g anderen Funktionen entkoppelt und stellt daher einen eigenst ndigen Fertigungsschritt dar Das f hrt dazu dass die Wahl einer geeigneten F getechnik gro en Einfluss auf die Funktions eigenschaften quasi generativ hergestellter Prototypen hat und diesem Prozessschritt daher ein hoher Stellenwert zuteil wird 1 Einleitung 3 1 Schritt 2 Schritt 3 Schritt we Stereolithographie STL Er een und Acrylharze generativ Ph Photopoymere mem nn m I Fused Deposition Modelling S T EDM Multi Jet Modelling MJM Kunststoffe PA Metal le Sande Keramiken Kunststoffe Metalle Keramiken Kunststoffe Eee Th Eee Kunststoffe er er Control Metal Build Up CMD Spanbare Metalle Layer Object Manufacturing E Papier Kunststoffe LOM generativ Folien A Alle spanbaren Materia Fr sen Lo Abbildung 1 2 Klassifizierung der RP Verfahren nach der Anzahl an Prozessschritten 2 Zwar bietet die Literatur eine F lle von F getechniken zum Verbinden von Bauteilen jedoch ist deren Auswahl neben den Anforderungen an den Prototyp auch an deren Werkstoffe gekoppelt Das f hrt dazu dass bei gro er Werkstoffvielfalt auch die Anzahl an m glichen F getechniken zunimmt und dass der Benutzer

Rechnerunterstützte Auslegung von reversiblen

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