Algorithmen zur Fertigung von Freiformteilen
Durch das EU-geförderte GEMS-Projekt sollte der Industrie ermöglicht werden, Freiformteile kosteneffektiv und in großer Zahl herzustellen, und somit die Nachfrage nach besonderen Konstruktionen und Designs in der Architektur und anderen Feldern gedeckt werden. Freiformoberflächen verfügen im Gegensatz zu regelmäßigen Oberflächen wie ebenen, zylindrischen und kegelförmigen Flächen nicht über rigide festgelegte räumliche Abmessungen. Stattdessen zeichnen sie sich durch fließende Formen aus, wie sie etwa bei Turbinenschaufeln, Fahrzeugkarosserien und Schiffsrümpfen zu finden sind. Fertigungsverfahren für Freiformoberflächen wurden ursprünglich für den Automobilsektor und die Luft- und Raumfahrt entwickelt, sind heute jedoch im ganzen Ingenieurwesen weit verbreitet, etwa bei der Herstellung von Gebrauchsgütern und im Bauwesen. „In vielen Fertigungsbereichen steigt die Nachfrage nach Freiformoberflächen, da sie die Grenzen des Möglichen neu definieren“, erklärt der Dr. Marc Stautner, der Koordinator des GEMS-Projekts vom deutschen Unternehmen ModuleWorks. „Eine große Herausforderung bestand jedoch darin, das Fertigungsverfahren anpassbar zu machen, um diese Oberflächen kosteneffektiv und schnell herstellen zu können.“ Freiformoberflächen werden mithilfe von CAD-Software (Computer-aided Design) modelliert, um ästhetisch ansprechende Oberflächen für die Architektur und Designerprodukte zu erstellen und technische Oberflächen für gefertigte Komponenten zu entwickeln. Die Schwierigkeit besteht für die Industrie jedoch darin, dass es kein systematisches Verfahren gibt, um glatte Freiformoberflächen mit leicht herstellbaren Teilen exakt zu reproduzieren. Um dieses Problem anzugehen, untersuchten die Mitglieder des GEMS-Projekts zunächst Oberflächen, die mit verschiedenen Fräswerkzeugen hergestellt wurden. Anhand dieser Daten unterteilte das Team Freiformoberflächen in Segmente, die mithilfe eines Algorithmus, der in Softwareprogrammen wie CAD implementiert wird, hergestellt werden könnten. „Um angewendet werden zu können, mussten unsere mathematischen Ergebnisse mit Bezug auf Fertigungsverfahren wie NC-Fräsen, das Schneiden von Styropor oder das Herstellen von Gussformen aus einer Reihe einfacher Kurven ausgedrückt werden“, erklärt Stautner. „Unabhängig von der Anwendung – ob in der Architektur oder in der Fertigung – müssen einige bestimmte mathematische Berechnungen durchgeführt werden, um eine effiziente Produktion zu erreichen.“ Das Team verfolgte einen kollaborativen Ansatz und arbeitete mit Partnern aus der Industrie sowie mit weiteren Wissenschaftlern und Mathematikern zusammen. Ausschlaggebend für den Erfolg des Projekts war in der Tat, dass wir viele verschiedene Fachleute zusammenbringen konnten. Zu diesen zählten ein führender Anbieter für CAD-Softwarekomponenten, führende Wissenschaftler aus dem Bereich der Geometrie, ein international renommiertes Zentrum für rechnergestützte geometrische Konstruktion, ein Hightech-Startup-Unternehmen mit Schwerpunkt auf geometrischen Berechnungen für Architektur und Fertigung sowie ein Entwickler für Softwarelösungen für 5-Achs-Bearbeitung. Die Forschung wurde von der Europäischen Kommission im Rahmen der Marie-Curie-Maßnahmen („Industry-Academia Partnerships and Pathways“) gefördert. „Aus meiner Sicht konnten auch unsere Mitarbeiter erheblich von dem Projekt profitieren“, so Stautner. „Ein Teil des Projekts bestand im Austausch von Angestellten zwischen den Projektpartnern, sodass die Mitarbeiter sich beruflich weiterentwickeln konnten.“ Stautner fügt hinzu, dass einige der entwickelten Technologien die Grundlage für zukünftige Forschung bilden und neue Geschäftsmöglichkeiten eröffnen könnten. Kürzlich wurde eine neue zerspanende Fertigungstechnologie für Freiformoberflächen auf den Markt gebracht, und weitere werden folgen. „Im Projekt arbeiteten alle Partner gut zusammen, und auf dieser Kooperation werden wir in unserer zukünftigen Forschungsarbeit aufbauen“, merkt Stautner an. Das GEMS-Projekt wurde Ende Mai 2016 nach vierjähriger Laufzeit abgeschlossen. Weitere Informationen finden Sie auf: GEMS-Projektwebsite
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