ISAC@OTH –TP 1
Transcript of ISAC@OTH –TP 1
Entwicklung eines Expertensystemszur Bewertung und Weiterentwicklung
innovativer Fertigungsverfahren und Materialien
ISAC@OTH – TP 1
Ergebnispräsentation ISAC@OTH-AW
Teilprojekt 1 - 15.10.2020
ISAC@OTHTeilprojekt 1
Zielsetzung
• Beurteilung von Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz von Herstellungsprozessen
• Key Performance Indicators basierend auf Versuchsergebnissen
• Leitfaden zur Implementierung des Expertensystems in Unternehmen
• Fokus: Zerspanung und 3D-Druck
Entwicklung eines Expertensystems zur Bewertung und Weiterentwicklung innovativer Fertigungsverfahren und Materialien
Nutzen
• wettbewerbsübergreifende Bewertung von Fertigungsverfahren und -strategien
bezüglich Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz
• Verbesserungspotentiale aufspüren
• Prozess-, Energie-, Maschinen- sowie Werkzeugkosten im Voraus abschätzen
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Erreichbare Ziele für viele Betriebe
Benchmarkuntersuchung bei 3 Unternehmen und einem WerkzeugherstellerBearbeitung: Edelstahl rostfrei
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Fertigungstechnische, Energetische und Wirtschaftliche Beurteilung von Zerspanungsprozessen – FEW-Expertensystem zur Bewertung von Fertigungsprozessen
FEW-AutomationFEW-Optimisation
FEW-Reaction
• CAD/CAM-Programmierung• Maschinensimulation zur Kollisionskontrolle
• „Test“ der Prozessparameter erst auf der Maschine
• Nachkalkulation der Kosten
FEW-Planning
ISAC@OTH
• Abbildung maschinenspezifischer Parameter in der Maschinensimulation zur Strategieoptimierung und genauere Kalkulation der Fertigungszeit
• Kennzahlensystem zur wirtschaftlichen Auswahl effektiver Fertigungsprozesse
• Nutzung des Werkzeugpotentials durch neue CAM-Strategien und Optimierungsansätze
• Simulation der Eingriffsverhältnisse• Werkstoff- und werkzeugabhängige Prozessauslegung
… …
• Integration der Prozessbewertung sowie relevanter Werkzeug- und Maschinendaten in CAD und CAM
• Integration der Prozessauslegung und der Bewertungssysteme in die Zerspanungsmaschine
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FEW-Optimisation: Prozessanalyse und -auslegung
Kennzahlensystem zur Bewertung von Fertigungsprozessen
konstante Spandickegeometrische Einflussgrößen
Fräsbahn
Arbeitseingriff
zeitlicheEinflussgrößen
Zahnvorschub
Vorschubgeschwindigkeit
4 EinflussgrößeMaschinendynamik
Vorschubinterpolation
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FEW-Optimisation: praktische Prozessanwendung
Kennzahlensystem zur Bewertung von Fertigungsprozessen
CAM (exemplarisch)
1 mm
Optimierung (OTH)
1 mm
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ISAC@OTH - Teilprojekt 1Expertensystem aus Sicht der Produktentstehung
Funktion
Belastung
Einsatzgebiet
Einzelkomponente
Serienteil
Prototyp
EntwicklungAnforderungen Fertigung
Genauigkeit
Oberfläche
BauteilfeaturesGeometrie/AbmessungenRoh-/ Fertigteilvolumen
Werkstoff
Vergütung
Fräsen
Drehen
Bohren
additive Fertigung
…
alle Informationen der Produktentstehung entscheidend für Kalkulation
definieren die Randbedingungen für die Produktion
ermöglichen zielgerichtete Prozessbewertung und -empfehlung
FEW-Planning: Definition der Randbedingungen
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FEW-Planning: Struktur der Kalkulation
Expertensystem zur Bewertung von Fertigungsprozessen
Benutzereingaben
Werkstoff Rohteilvolumen Fertigteilvolumen
Stückzahl Maschine …
technische Randbedingungen
wirtschaftliche Randbedingungen
Kalkulation Fertigungsverfahren
BohrenFräsen
Additive
Manufacturing
Erweiterungsmodelle
Drehen
Preprocessing
Energiebedarf
Postprocessing
Mitarbeiter
Maschinenstundensatz Mitarbeiterstundensatz Energiekosten
Software …
Prozessmodelle
Wirtschaftlichkeit
Werkzeugkosten
Bearbeitungsdauer Leistungsaufnahme Mitarbeiterzeitaufwand
Maschinenkosten Mitarbeiterkosten Energiekosten
Gesamtkosten: Stückzahlabhängig Strategieabhängig
Werkzeugabhängig
Gegenüberstellung zu anderen Verfahren
Abschätzung Effizienz neuer Werkzeuge
Software …
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Teilprojekt 1 - 15.10.2020
Praktische Anwendung des KI-systems
FEW-Planning: Prozesskennzahlen
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Praktische Anwendung des Expertensystems
FEW-Planning: Beispiel einer Prozesskalkulation
Prozess: Schruppen und BohrenStückzahl: 1Werkstoff: 42CrMo4Rohteil: 180 mm x 120 mm x 20 mm Abtragvol.: 53,6 cm3
Frästiefe: max. 20 mmBohrungen:4x Ø8,5 mm (t = 20 mm)
Maschine : GROB G350Spindel: max. 30000 1/minWerkzeug: Ø4 - 10 mm
Zeit
ca. 26 €
ca. 62 €
ca. 22 €
ca. 30 €
20 min 66 min 18 min 26 min
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Virtuelle Kraftsensorik
FEW-Automation: Prozessdatenanalyse (Big Data Analytics)
Qualität ausreichend für Prozess-beurteilung und Problemerkennung
Möglichkeiten:
Analyse und Kontrolle der Prozesskräfte ohne speziellen Messaufbau
Beurteilung des Werkzeugverschleiß
echtzeitfähige WZG-Überwachung
Brucherkennung
erkennen von hohen Belastungen oder Schwingungen
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Entwicklungsfelder
FEW-Automation: CAD-Modellanalyse zur Kostenberechnung
• Analyse der Bauteil-Features des Modells während/nach der Bauteilkonstruktion über CAD-API
• automatisierte Übertragung von Feature-Art und relevanter Parameter an das Expertensystem
• Interpretation der Daten im Expertensystem ( z.B. aktuell Programmierung über PHP)
Unterscheidung zwischen Schruppen, Schlichten und Bohren
Berechnung der Prozesskosten auf Basis der vorhandenen Versuchsdaten
Rückkopplung an das CAD-Tool bezüglich kostenintensiver Features
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Erkennung der Features am Bauteil
Durch ein AddIn für Autodesk Inventor lassen sich Parameter an eine angeschlossene SQL-Datenbank ausgeben. Mittels der übergebenen Werte lassen sich dann Kennzahlen zur wirtschaftlichen Beurteilung der Features am Bauteil berechnen. Derzeit wird der Prozess noch durch den Benutzer unterstützt.
FEW-Automation: CAD-Modellanalyse zur Kostenberechnung
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Geometrische Genauigkeit: 0,05 mm Geometrische Genauigkeit: 0,4 mm
Stratasys Objet 30 Pro
Multi-Jet-Modelling (MJM)
UV aushärtendes Photopolymer
„Kaltes“ Verfahren
Teuer, aber präzise
Anycubic Kossel Linear Plus
Fused Deposition Modelling
Thermoplast
„Warmes“ Verfahren
Günstig, aber ungenau
Kostenbewertung 3D Druck
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Teilprojekt 1 - 15.10.2020
5-Achsiges Nachbearbeiten Fazit
konventionelle Fertigung
Herstellungskosten je Stückca. 62 € (ohne Lohnkosten)
Hybrid-Fertigung
Herstellungskosten je Stückca. 55 € (ohne Lohnkosten)
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Teilprojekt 1 - 15.10.2020
5-Achsiges Nachbearbeiten Fazit
konventionelle Fertigung
Herstellungskosten je Stückca. 62 € (ohne Lohnkosten)
Hybrid-Fertigung
Herstellungskosten je Stückca. 55 € (ohne Lohnkosten) Dauer der Fräsbearbeitung je Teil
von 67 min auf 45 min reduziert
Werkzeugkosten halbiert
bessere Materialauslastung
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Teilprojekt 1 - 15.10.2020
Zusammenfassung
Ausblick
• Erweiterung der Datenbasis durch praktische Versuche und Simulation
• Exemplarische Umsetzung und Test des Expertensystems im betrieblichen Umfeld
• Erarbeiten von Ansätzen zur automatisierten Prozessbewertung und –gestaltung
• Anbindung von Werkzeugkatalogen in Kooperation mit Werkzeugherstellern
Zusammenfassung
• Aktueller Stand der Technik bei der NC-Programmierung: erhebliches Verbesserungspotential vorhanden!
• Durch Berücksichtigung der möglichen Maschinen- und Steuerungsdynamik schnellere und kostengünstigere Bearbeitung
• Erfolgreiche Entwicklung eines Kennzahlensystems zur Bewertung von Fertigungsprozessen
• Bewertung der kompletten Prozesskette
• Webbasierten Benutzerumgebung zur Anwendung des Kennzahlensystems
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Dank
Christoph Haller
Martin Borst
Bernd Gerlang Matthias Pohl
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Und:
- Bengart Caroline
- Diehl Brian
- Dobler Maximilian
- Friedsmann
- Hahn Stefan
- Morner Felix
- Plößner Michael
- Rosner Florian
- Scherzer Veronika
- Schimmer Jonas
- Sporrer Johannes
- Zehne Hannes
- Ziegler Stefan
- …..