Entwicklung eines Prognosemodells zur Vorhersage der Wechselwirkungen zwischen Struktur und Prozess beim Hochpräzisionsfräsen von Mikrostrukturen

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Die zunehmende Miniaturisierung von Produkten, Baugruppen oder einzelner Funktionsflächen eröffnet der spanenden Hochpräzisionsbearbeitung von Mikrostrukturen ein erhebliches Markt- und Entwicklungspotenzial. Die Prozessmechanismen beim Hochpräzisionsfräsen von Mikrostrukturen sind nach derzeitigem Stand der Forschung nicht in hinreichendem Maße erforscht. Es ist vielmehr bekannt, dass die Wechselwirkungen zwischen Struktur und Prozess bei der spanenden Bearbeitung von im Vergleich zu Mikrostrukturen großen Strukturen anderen Gesetzmäßigkeiten folgen. Um bei der Entwicklung geeigneter Werkzeugmaschinen und bei der Entwicklung von angepassten Bearbeitungsprozessen die Wechselwirkungen zwischen Struktur und Prozess berücksichtigen zu können, bedarf es des im Rahmen des Forschungsvorhabens zu entwickelnden Prognosewerkzeuges. Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist es, am Beispiel der spanenden Hochpräzisionsfräsbearbeitung von Mikrostrukturen Wechselwirkungen zwischen den beteiligten schwingungsfähigen und wärmeleitenden Strukturen und dem Bearbeitungsprozess im Hinblick auf das Bearbeitungsergebnis zu erforschen. Es wird ein Prognosemodell entwickelt, das unter besonderer Berücksichtigung der Koppelstellen zwischen Bearbeitungsprozess und Maschinenstruktur die Entwicklung von Methoden zur gezielten Beeinflussung des Bearbeitungsergebnisses ermöglicht. Denkbar ist die Anwendung der erarbeiteten Ergebnisse für Ansätze der Design- und Topologieoptimierung, Optimierung der Prozessparameter sowie für Ansätze zur Optimierung von Steuerungs- bzw. Reglerstrukturen. Die Identifikation der Wechselwirkungen erfolgt experimentell mit einer Hochpräzisionsfräsmaschine. Unter Variation verschiedener Prozessrandbedingungen, wie Bearbeitungsparameter und Werkstückwerkstoff sowie Strukturkomponenten wie beispielsweise Spannmittel werden die Wechselwirkungen quantifiziert. Die mathematischen Modelle, die die Wechselwirkungen beschreiben, basieren auf der Modellierung der Struktur als Starrkörper und als elastische Kontinua. Die Verifizierung des in der Kopplung der Teilmodellen bestehenden Prognosemodells wird durchgängig anhand von direkten (Struktur, Prozess) und indirekten Messungen (Bearbeitungsergebnis) durchgeführt, wobei neuartige Schwingungsmessverfahren zum Einsatz kommen sollen.