Reduktion von thermischen FEM-Simulationsmodellen zur Nutzung für Online-Anwendungen in Werkzeugmaschinen - SimTherm

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Uwe Heisel
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 157640986

Die Werkzeugmaschinenbranche stellt nach wie vor einen bedeutsamen Industriezweiginnerhalb Deutschlands dar. Um diese wirtschaftliche Position – insbesondere auch vor demHintergrund der aktuellen Weltwirtschaftskrise - zu halten, müssen die betroffenenIndustrieunternehmen dafür Sorge tragen, dass ihre Produkte im internationalen Vergleichständig qualitativ besser werden und dass neue Produkte entwickelt werden, die eineMarktführung bzw. „Wettbewerbsfähigkeit“ gewährleisten. Wettbewerbsfähigkeit heißt für diekonventionelle Werkzeugmaschinentechnik die ständige Erhöhung der Fertigungsgenauigkeitbei steigender Produktivität der zu produzierenden Teile.Nach wie vor stellen jedoch die durch den Temperatureinfluss von inneren und äußerenWärmequellen sich einstellenden Verlagerungen und Verformungen, bedingt durch ihreKomplexität, weiterhin ein erhebliches Problem hinsichtlich der erreichbarenFertigungsgenauigkeit dar. Neben dynamischen Einflüssen stellen die thermisch bedingtenVerformungen und Verlagerungen die Hauptursache für Genauigkeitsabweichungen vonWerkzeugmaschinen dar. Auf Grund dessen wurden in der Vergangenheit großeAnstrengungen unternommen, die Auswirkungen von Wärmequellen zu reduzieren bzw. zukompensieren. Eine Vorhersage ist auf Grund des bislang hohen Simulationsaufwands sehraufwändig bzw. nur in sehr groben Grenzen möglich.Ziel dieses Forschungsvorhabens ist deshalb, Wärmevorgänge zu untersuchen und Grundlagenfür die Simulation von thermischen Vorgängen in Strukturen von Werkzeugmaschinen auf Basisder FEM-Methode zu erarbeiten, um bereits während des Entwicklungsprozesses desSimulationsmodells dem Entwickler entsprechende Modellreduktionsmethoden undSimulationsbausteine zur Verfügung zu stellen. Dem Konstrukteur wird dies ermöglichen, dasModell einerseits während des Konstruktionsprozesses sowie anschließend online in derMaschinensteuerung einzusetzen. Hierzu werden zunächst thermische Untersuchungen anexemplarischen Baugruppen, insbesondere an komplexen, rotierenden, sich bewegenden oderfür eine berührende Temperaturmessung nicht zugängliche Baugruppen und Schnittstellen mitdefinierten Wärmequellen durchgeführt, deren Daten die Basis für die Entwicklung derSimulationsmodelle darstellen. Sensitivitätsanalysen, mit dem Ziel, die FE-Modelle ohne einen(merklichen) Genauigkeitsverlust zu reduzieren, begleiten diese Untersuchungen. Den Kernder Untersuchungen bildet daher die Ermittlung von Methoden und Maßnahmen, die eineReduzierung der Komplexität und somit auch der Rechenzeit eines Simulationsmodellsermöglichen. Die Reduzierung der Komplexität bedingt im ersten Schritt eine Abstraktion desModells sowie einzelner Teilmodelle und die Entwicklung von standardisiertenSimulationsmodulen, welche bereits im CAD-Modell berücksichtigt werden müssen, da dieErstellung und Vernetzungen des FEM-Modells in erster Linie von den geometrischenEigenschaften des CAD-Modells abhängen. Hierfür ist zunächst eine Untersuchung vonprinzipiellen Möglichkeiten vorgesehen, auf deren Basis beispielhaft gezeigt werden soll, wiedie Anwendung eines Simulationsbausteins automatisiert in der CAD-Software in der Arteines sog. Features durchgeführt sowie funktionsgesteuert auf das FEM-Modell übertragenwerden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Dr.-Ing. Thomas Stehle