Werkzeugkorrektur auf Basis optischer 3D-Messtechnik

Optische 3D-Messverfahren sind in der Industrie seit vielen Jahren etabliert. Gegenüber der taktilen Messtechnik bieten sie den Vorteil einer vollständigen Erfassung der äußeren Flächengeometrie. Innere Bereiche können zudem partiell durch Öffnungen erfasst werden. Ein weiterer Vorteil: Die optische 3D-Messtechnik lässt sich mobil einsetzen, etwa zur Messung großer Objekte vor Ort. Eine vollständige Erfassung von Bauteilen und Baugruppen ist mittels industrieller Computertomographie (CT) möglich.

Anfänglich wurden die gemessenen Punktewolken für Soll/Ist-Vergleiche, einfache Auswertungen sowie für das Reverse Engineering (Flächenrückführung) verwendet. Durch die Weiterentwicklung der Auswertesoftware wurde das Leistungsspektrum der optischen 3D-Messtechnik im Laufe der Zeit immer größer, sodass sich heute alle geforderten Zeichnungsmerkmale (zum Beispiel Form- und Lagetoleranzen) auswerten lassen. Ein zusätzlicher Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass die Abweichungen am Bauteil visualisiert und mittels Falschfarbendarstellung gekennzeichnet werden.

Die Abbildungen demonstrieren die Optimierung eines Bauteils durch Werkzeugkorrektur auf Basis von 3D-Messdaten. Von links nach rechts: CAD-Modell des Bauteils, Ist-Bauteil vor der Optimierung, Bauteilkompensation, Ist-Bauteil nach der Optimierung. (Bildquelle: Digimold)

Die Abbildungen demonstrieren die Optimierung eines Bauteils durch Werkzeugkorrektur auf Basis von 3D-Messdaten. Von links nach rechts: CAD-Modell des Bauteils, Ist-Bauteil vor der Optimierung, Bauteilkompensation, Ist-Bauteil nach der Optimierung. (Bildquelle: Digimold)

Die Abbildungen demonstrieren die Optimierung eines Bauteils durch Werkzeugkorrektur auf Basis von 3D-Messdaten. Von links nach rechts: CAD-Modell des Bauteils, Ist-Bauteil vor der Optimierung, Bauteilkompensation, Ist-Bauteil nach der Optimierung. (Bildquelle: Digimold)

Die Abbildungen demonstrieren die Optimierung eines Bauteils durch Werkzeugkorrektur auf Basis von 3D-Messdaten. Von oben nach unten: CAD-Modell des Bauteils, Ist-Bauteil vor der Optimierung, Bauteilkompensation, Ist-Bauteil nach der Optimierung. (Bildquelle: Digimold)

Auf die vielfältigen Möglichkeiten der Auswertung von Scandaten soll hier nicht weiter eingegangen werden.  Schwerpunkt der folgenden Ausführungen ist die weitere Datenbearbeitung der Punktewolke (STL-Datei) nach erfolgter Digitalisierung zur Korrektur der Artikel- beziehungsweise Werkzeugflächen. Die verwendete Datenquelle der Punktewolke – Laser, Streifenlicht oder CT –  ist dabei unerheblich. Die Korrekturen werden in der Fachwelt zum Beispiel als Bombierung, Gegenfederung oder Werkzeugkorrektur bezeichnet. Im Folgenden werden diese Anpassungen unter dem Oberbegriff „Kompensation“ zusammengefasst. Erläutert werden soll die Berechnung kompensierter Artikel- oder Werkzeugdaten nach erfolgter Digitalisierung eines oder mehrerer Bauteile. Bei der Digitalisierung mehrerer Bauteile kann die Kalkulation auf Grundlage eines den Mittelwert repräsentierenden Bauteils oder aber durch Berechnung eines gemittelten Netzes (Golden Mesh) erfolgen.

Selbstverständlich kann eine Werkzeugkorrektur auch vorab mithilfe von Simulationsdaten – generiert zum Beispiel durch „Moldflow“ oder „Virtual Moulding“ – durchgeführt werden. In der Praxis werden diese Simulationsdaten jedoch meist nur für die Werkzeugkonstruktion und die Optimierung technologischer Parameter und der Angussposition(en) verwendet. Da die Simulationsdaten nicht als Flächenmodell vorliegen, werden die Daten des Bauteils nach der erforderlichen Skalierung oft unverändert in das Werkzeug übernommen.

Der prinzipielle Ablauf einer Werkzeugkorrektur mittels optischer 3D-Meßtechnik kann folgendermaßen skizziert werden:

1. Analyse des digitalisierten Bauteils gegen das CAD-Modell
2. Berechnung der Artikelkompensation
3. Einschwenken der kompensierten Daten in das Werkzeugkoordinatensystem
4. Neukonstruktion des Werkzeugs (komplett oder partiell)

1. Analyse

Die Ausgangsdaten, die zu jeder Kompensation benötigt werden, erhält man – als Nebenprodukt – aus der standardmäßig erforderlichen Vermessung der Teile gemäß Zeichnung. Um eine exakte Korrekturberechnung durchführen zu können, muss das Bauteil nach geforderter  Zeichnungsvorgabe, zum Beispiel RPS, ausgerichtet werden. Bei einem Ist-/Soll-Vergleich erhält man die wesentlichen Informationen über die tatsächlichen Abweichungen der Ist-Teile (nach dem Spritzgießprozess) gegenüber den CAD-Daten. An dieser Stelle kann der Konstrukteur entscheiden, ob und welche Flächen des Bauteils modifiziert werden sollen. Aufgrund der meist immensen Werkzeugkosten werden dann vermutlich nicht alle (auch möglich), sondern nur bestimmte Funktionsflächen wie etwa Schweißflächen oder Stutzen separat modifiziert und in das Werkzeug eingebracht.

2. Berechnung der Kompensation im Artikel-Koordinatensystem

Bei der Kompensationsberechnung des Artikels werden die Original-CAD-Daten des Artikels modifiziert und aktualisiert. Der Kompensationsfaktor liegt standardmäßig bei 1 – das heißt, die  punktuelle Abweichung zum CAD beträgt 1 mm, woraus eine von Kompensation -1 mm folgt – , kann aber nach Absprache mit dem Auftraggeber auch frei bestimmt werden. Der Flächenaufbau und die Flächenstruktur bleiben dabei unverändert. Nach erfolgter Berechnung können die Daten an den Auftraggeber exportiert werden. In der Praxis zeigt sich hier aber das Problem, dass der Empfänger zwar die  bestmöglich korrigierten Artikeldaten, aber keine Informationen über die exakte Ausrichtung dieser Daten im Werkzeug erhält. Denn die Auswertung und Berechnung wurde im Artikelkoordinatensystem durchgeführt, das in der Regel nicht mit dem Werkzeugkoordinatensystem übereinstimmt.

3. Einschwenken der kompensierten Daten

Um das Werkzeug exakt modifizieren zu können, müssen die Daten entsprechend der Zeichnungsausrichtung in das Werkzeugkoordinatensystem eingeschwenkt werden. Das funktioniert entweder über eine vorgegebene Matrix (falls vorhanden). Alternativ können die (Artikel-)Daten aber auch von vorneherein im Werkzeugkoordinatensystem ausgerichtet und berechnet werden.

4. Werkzeugkonstruktion

Mittels der zuvor kompensierten Artikeldaten werden jetzt die formgebenden Flächen komplett oder auch partiell in das Werkzeugsystem eingefügt und an die vorhandenen Werkzeugdaten angebunden, um einen „wasserdichten“ Datensatz für den nachfolgenden Formenbau zu erhalten. Je nach Modifikation muss dabei auch die Werkzeugtrennung mit modifiziert werden.

Sonderfall bei bereits kompensierten Werkzeugen

Etwas komplizierter ist die Kompensation bei einer bereits vorher durchgeführten Kompensation oder vorher eingebrachten Korrektur durch Simulation oder aufgrund vermuteter Abweichungen. Hier muss bei der Berechnung der Kompensation neben den Ursprungs-CAD-Daten und den Scandaten auch der letzte Werkzeugstand mit berücksichtigt werden.

Praxiserfahrungen

In den bei Digimold bearbeiteten Projekten konnten wir bei vollständigem Austausch der formgebenden Flächen im Werkzeug sehr gute Ergebnisse erzielen. Bei partiellen Anpassungen – zum Beispiel nur Änderung der Düsen- oder Auswerferseite – muss das Ergebnis differenziert betrachtet werden, da es hier durch die einseitige Werkzeugänderung beispielsweise zu Wandstärkendifferenzen kommen kann. Eine Verbesserung der Bauteile wurde aber in allen bisherigen Projekten erzielt.