Forschungseinblicke

Präzisionsfertigung von Großbauteilen


Bei Großbauteilen nehmen Störeinflüsse auf die Bearbeitungsgenauigkeit mit zunehmender Größe zu, die Toleranzen jedoch in vielen Fällen nicht:

Wie ist trotzdem eine Präzisionsbearbeitung von Großbauteilen möglich?


Dieser Herausforderung stellt sich die Industrie in Zusammenarbeit mit dem Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen und dem Fraunhofer IPT  in einem gemeinsamen Arbeitskreis.

Präzisionsfertigung von Großbauteilen

Toleranzen in der Großbauteilbearbeitung bewegen sich im unteren Bereich bis hin zu wenigen Mikrometern. Die präzise Fertigung ermöglicht Effizienzsteigerungen u.a. im Turbinen-, Schiffs- und Flugzeugbau und ist damit ein wesentlicher Treiber für die Produktion in Hochlohnländern.

Stand: 2015
Stand: 2015

Ein wesentlicher Einflussfaktor auf die Bearbeitungsgenauigkeit ist der sich ständig verändernde thermo-elastische Zustand der Werkzeugmaschine und des Bauteils. Unterschiedliche interne und externe Wärmequellen und -senken bewirken eine Verformung der Werkzeugmaschinen-struktur sowie des Bauteils. Zu nennen ist zum Beispiel ein plötzlicher Temperatursturz in der Fertigungshalle durch geöffnete Hallentore bei der Anlieferung neuer Bauteile. Während eine solche Störung planbar ist und damit relativ einfach beseitigt werden kann, ist beispielsweise der Einfluss der Prozessabwärme in Verbindung mit Kühlschmierstoffen auf die Geometrie von Werkzeugmaschine und Bauteil weitaus komplexer.

Darüber hinaus verfügen große Bauteile über eine Art „Eigenleben“, da ihr Temperatur- und damit Dehnungszustand teils von der über Wochen zurückliegenden Bearbeitungshistorie abhängt. Die massiven Werkzeug-maschinentische mit Gewichten bis zu mehreren hundert Tonnen speichern dabei diese Historie ebenso wie die zu fertigenden Großbauteile selbst. Abweichungen zwischen Planung und Realität durchziehen den gesamten Produktions-entstehungsprozess, beginnend bei der Qualifizierung von Zulieferern und der Beschaffung von maßhaltigen Zukaufteilen, über die unternehmensinterne Fertigung und Montage bis hin zur Auslieferung, da die Großbauteile während des Transports weiteren Umwelteinflüssen unterliegen und den Kunden in einem anderen Zustand erreichen als sie das Produktionswerk verlassen haben.


Bisher existiert keine systematische Vorgehensweise zur Bestimmung und Minimierung der einzelnen Fehleranteile. Die Fertigung präziser Bauteile erfordert ein umfassendes Expertenwissen, das meist erst durch langjährigen praktischen Erfahrungs-aufbau in den Betrieben aufgebaut wird. Im Konsortium des Arbeitskreises besteht die Möglichkeit des problembezogenen Erfahrungsaustausches unter den Mitgliedern. Des Weiteren entstehen durch die enge Zusammenarbeit zwischen Forschung und Industrie neue innovative Ansätze zur messtechnischen Erfassung und Kompensation von Abweichungen an Fertigungsmaschine und Bauteil.

Dazu ist es aus technologischer Sicht erforderlich, verstärkt Messtechnik in die Regelkreise der Produktionssysteme zu integrieren, um ein möglichst vollständiges Abbild der Produktion zu erhalten. Insbesondere die Einflüsse von Gravitation und Temperaturänderungen, die sich auf große Strukturen besonders stark auswirken, müssen erfasst werden. Dazu sind Berechnungsmodelle zu entwickeln, um aus den Daten die Auswirkungen von Umwelteinflüssen genauer abschätzen und Strategien zur Kompensation oder sogar Vorhersage und Vermeidung von Abweichungen ableiten zu können.

Mit Hilfe entsprechender Software müssen die komplexen physikalischen Zusammen-hänge zwischen Bauteil, Prozess und Produktions-system beschrieben und für eine automatisierte Prozessüberwachung und
‑regelung genutzt werden können.


Die hochgenaue Werkzeugmaschine

Moderne Werkzeugmaschinen zur Großbauteilbearbeitung erreichen im thermisch stabilen Zustand bereits Positionier-unsicherheiten im einstelligen Mikrometer-bereich bei Bauteilgrößen von deutlich über 10m.

Der Zustand der Werkzeugmaschine ist jedoch nur in den seltensten Fällen thermisch stabil, da sie im Allgemeinen  einer Vielzahl von thermischen Randbedingungen unterliegt. Ausdehnungs-koeffizienten von Gussbauteilen von rund 8 µm/(m K) bewirken zusammen mit den großen Wirklängen der Großbauteil-industrie schnell enorme Verlagerungen. Bei 5 m sind es so schon 40 µm pro °C.
Einflüsse der Werkzeugmaschine wie die Abwärme der Motoren können bereits durch geschickte Konstruktionen passiv gedämpft oder durch aktive Temperierungen minimiert werden.

 

Die Bedingungen am Aufstellort sind hingegen meist schwieriger zu erfassen und zu korrigieren. Die auftretenden Verlagerungen sind dabei in beiden Fällen überwiegend lageabhängig, sodass diese im gesamten Maschinenvolumen betrachtet werden müssen [1].Für die erreichbare Bauteilgüte ist die durch geometrische Fehler und Verschiebungen bestimmte volumetrische Genauigkeit der Werkzeug-maschine im jeweiligen Temperaturzustand ausschlaggebend. Um die volumetrische Genauigkeit, welche sich auf die dreidimensionale Position des Werkzeugs bezieht, zeiteffizient zu erfassen und steuerungstechnisch zu steigern, ist modernste Messtechnik erforderlich.


Messtechnik intelligent einsetzen

Mit Hilfe moderner Messmittel ist es möglich, die Bearbeitungsgenauigkeit von Großwerkzeugmaschinen innerhalb weniger Stunden zu überprüfen. Dies kann zum Beispiel genutzt werden, um die Einhaltung der Bauteiltoleranzen durch eine kurze Maschinenprüfung unmittelbar vor der Endbearbeitung abzusichern. Zwei Prüfverfahren, die schon seit längerer Zeit bei der regelmäßigen Überwachung von Koordinatenmessmaschinen Anwendung finden bieten sich hierfür besonders an: die Lasermessung von Längenabweichungen entlang von Raumdiagonalen sowie das Abtasten von am Maschinentisch angebrachten Referenzenzkörpern [2].

 

Die Lasermessung ist besonders schnell, wenn ein sogenanntes Tracking-Interferometer (Laser-Tracker oder Laser-Tracer) eingesetzt wird, das den Laserstrahl automatisch in die Messrichtung ausrichtet. Innerhalb von wenigen Stunden können hiermit die Positionier- und Rechtwinkligkeits-abweichungen einer 3-Achs-Maschine mit einem Volumen von 10m x 3m x 2m hochgenau ermittelt werden.

Besitzt die Werkzeugmaschine einen Drehtisch als vierte Achse so kann die Maschinengenauigkeit im Bereich über dem Drehtisch ermittelt werden, indem die Positionsabweichung zweier Referenzkugeln für verschiedene Winkelstellungen des Tisches überprüft wird [2]. Mit einem berührungslosen 3D Sensor zur Erfassung der Kugelpositionen ist eine solche Messung innerhalb von 30 min durchführbar.

Im Einzelfall sollte immer abgewägt werden, ob eine Unterbrechung der Produktion zur Kurzprüfung der Maschine wirtschaftlich sinnvoll ist oder nicht. Bei Großbauteilen, deren Fehlbearbeitung leicht Schäden in sechsstelliger Höhe verursachen kann, ist diese Voraussetzung jedoch fast immer gegeben.


Das Eigenleben des Bauteils

Instabile thermische Bedingungen in der Produktionsumgebung führen zu zeitlich und örtlich inkonstanten, thermoelastischen Geometrieänderungen von Bauteilen. Daraus resultieren signifikante Fertigungs- und Messabweichungen, insbesondere bei der präzisen Fertigung und Messung kritischer Merkmale von Bauteilen mit großen Dimensionen. Während sich thermische Dehnungen proportional zur Bauteilgröße verhalten, gilt dies nicht für die spezifizierten Toleranzen, beispielsweise von Turbinenläufern, Turbinengehäusen oder Verzahnungen.

Messungen an geometrisch anspruchsvollen Großbauteilen zwischen unterschiedlichen Fertigungs- oder Montageschritten finden in der Regel in einer nicht klimatisierten Produktionsumgebung statt, was zu thermisch bedingten Geometrieänderungen des Werkstücks führt. Letzteres gilt ebenfalls für die Endprüfung, wenn kein klimatisierter Messraum geeigneter Größe vorhanden ist. Doch selbst wenn das Bauteil zur geometrischen Prüfung in eine temperierte Umgebung transportiert wird, muss das thermoelastische Verhalten berücksichtigt werden. Die geometrie-abhängige Temperierungszeit, hauptsächlich bestimmt durch die Temperaturdifferenz aufgrund des Umgebungswechsels oder gegebenenfalls noch gespeicherte Prozess-wärme kann bei großen Bauteilen Tage beanspruchen, ist in der Regel aber nicht annähernd bekannt und wird daher meist nicht eingehalten.


Dies kann zu Problemen bei der Montage führen, z. B. von Turbinenläufer und ‑gehäuse, wenn eine eigentlich notwendige Nachbearbeitung ausgelassen wurde oder zu einem problematischen Messergebnis bei der Abnahme durch den Kunden.

Infos zu Temperatur- & Temperierungszeit
Infos zu Temperatur- & Temperierungszeit

Im Rahmen des Arbeitskreises wird für das Konsortium eine intuitive Software entwickelt, welchen den Werker bei der Bestimmung und Beurteilung von thermoelastischen Bauteilabweichungen und vor dem nächsten Fertigungsschritt oder der geometrischen Zwischen- oder Endprüfung unterstützt. So nehmen die Industriepartner eine Vorreiterrolle bezüglich der Standardisierung im Bereich der Fertigung und Prüfung großer Bauteile ein und sind auf die Anforderungen zukünftiger Richtlinien oder Normen optimal vorbereitet.


Die messende Werkzeugmaschine

Der Einsatz spezifischer Messmittel oder gar von Koordinatenmessgeräten zur Bauteilprüfung ist zeit- und kostenintensiv und das Messen zwischen einzelnen Prozessschritten nicht immer durchführbar. Gleichzeitig verfügen moderne Werkzeugmaschinen jedoch über hochgenaue Linearmesssysteme in den Achsen. Warum also nicht die Werkzeugmaschine als Koordinatenmessgerät einsetzen?

Die Rückführbarkeit ist dabei der zentrale Forschungsaspekt. Erst durch die Rückführung werden die Messergebnisse valide und vergleichbar und können mit der Zuordnung einer Messunsicherheit zur Quantifizierung des Fertigungsprozesses und zur Qualitätssicherung herangezogen werden. Eine genaue Kenntnis der Maschine, des eingesetzten Tastsystems, der Umgebungsbedingungen und der Mess-aufgabe sind die Grundlage für die Betrachtung. Die Bestimmung der Messunsicherheit wird dabei unter Berücksichtigung der zuvor angesprochenen Unsicherheitsbeiträge von Werkzeugmaschine, Bauteil und Kalibrier-methode sowie von dem Auswerteverfahren in einer systematischen Vorgehensweise bestimmt. Durch die Entwicklung schneller und innovativer Kalibriermethoden für die Werkzeugmaschine verbunden mit einer Adaption bekannter Methoden aus der klassischen Koordinatenmesstechnik scheint der Paradigmenwechsel hin zu einer praktikablen und anwenderfreundlichen Lösung geschafft.


In den projektorientierten Arbeit des Arbeitskreises wird daher eine Richtlinie zum rückgeführten Messen auf großen Werkzeugmaschinen weiterentwickelt, um dem Anwender eine Systematik an die Hand zu geben. Die Richtlinie richtet sich in erster Linie an Hersteller von Großbauteilen mit hohen Genauigkeitsanforderungen und ist auf deren Herausforderungen zugeschnitten. Unter anspruchsvollen Großbauteilen werden Bauteile verstanden, deren Dimension Maschinensysteme mit Achslängen von über einem Meter erfordern, die vergleichsweise enge Toleranzen aufweisen und/oder in kleinen Stückzahlen bzw. als Einzelstücke angefertigt werden..

Die Richtlinie soll dabei helfen, die Erkenntnisse des Arbeitskreises bezüglich der Themen „Thermisches Verhalten von Maschine und Bauteil“ sowie „Schnelltests zur Erfassung der Werkzeugmaschinengenauigkeit“ zur Befähigung der Werkzeugmaschine als Koordinatenmessgerät anzuwenden und Eingang in die Normung und Richtlinienarbeit des VDI finden.

Literatur

[1] Brecher C, Fey M, Wennemer M. Volumetric thermo-elastic machine tool behavior. Production Engineering. 2015; Vol. 9 Issue 1:119-24

[2]  DIN EN ISO 10360-2 und DIN EN ISO 10360-3 Geometrische Produktspezifikation (GPS) - Annahmeprüfung und Bestätigungsprüfung für Koordinatenmessgeräte (KMG)