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Berücksichtigung von Toleranzen und Oberflächenangaben zur Pre-Prozesssteuerung STEP-basierter Additiver Fertigung

Staudter, Georg (2022):
Berücksichtigung von Toleranzen und Oberflächenangaben zur Pre-Prozesssteuerung STEP-basierter Additiver Fertigung. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020498,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Berücksichtigung von Toleranzen und Oberflächenangaben zur Pre-Prozesssteuerung STEP-basierter Additiver Fertigung
Language: German
Abstract:

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

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

The application areas of additive manufacturing now extend across wide areas of the industrial landscape. Regardless of the quantity of a component to be additively manufactured, the process steps of data preparation in the so called pre-process remain the same. This process step has a significant influence on the characteristics of the process-related shape deviations resulting from the layer-by-layer manufacturing process. A major challenge is to prepare the data in such a way that production is ensured within the required tolerances and surface specifications. This dissertation provides a concept to automatically identify dimension, shape and position tolerances as well as surface specifications in the process step of data preparation, to calculate process-related shape deviations, to adapt the component orientation, to provide allowances for post-processes and thus to ensure compliance with tolerances and surface specifications. To this end, the availability of computer-readable tolerances and surface specifications in pre-processing is essential. In computer-aided design, tolerances and surface specifications can be attached to the geometry model as Product Manufacturing Information (PMI), but are lost when converted to the de facto industry standard for data exchange. This dissertation therefore aims at a continuous process chain with the data format STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data) and provides a concept to enable the control of the pre-process based on the representation of PMI and to integrate downstream processing steps into the digital process chain of additive manufacturing through the automated application of allowances. The method for considering tolerances and surface specifications is the core of the dissertation and is divided into the two essential components identification and integration. Starting from a geometric representation of a component to be manufactured additively, which has been modelled according to STEP, the identification method provides the permissible tolerances and surface specifications defined by PMI as well as the input variables required for a manufacturability analysis. The integration method searches for and, if necessary, defines the coordinate system for the printing process in the STEP data structure, transforms it with regard to an optimum and, if required, applies machining allowances to the geometric representation of the afflicted surfaces. To implement the method, dimensional, shape and positional tolerances as well as surface specifications are analyzed with regard to their representation in the STEP data model, possibilities for identification are developed and their association to elements of the geometric-topological representation is explained. On this basis, algorithms are developed that apply the method uniformly to the STEP data structure. The algorithms are then aggregated with existing solution approaches to form the overall concept and basis for the prototype implementation of the Additive STEP-PREP (STEP-based PRocEssing of PMI) application system. Additive STEP-PREP supports the pre-process employee in considering tolerances and surface specifications and ensures, based on the representation of PMI and geometric elements in the STEP data model, their manufacturability in an additive manufacturing process chain, which is extended by downstream processes. The concept is implemented in the programming language MATLAB and validated using a representative example component.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XIII, 165 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Department of Computer Integrated Design (DiK)
Date Deposited: 29 Mar 2022 12:04
Last Modified: 03 Aug 2022 09:30
DOI: 10.26083/tuprints-00020498
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-204989
Referees: Anderl, Prof. Dr. Reiner ; Löwer, Prof. Dr. Manuel
Date of oral examination: 14 July 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20498
PPN: 494261684
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