Beitrag zum automatisierten Bearbeiten von Keramikguß mit Industrierobotern

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Diss. Reihe Fertigungstechnik, Band 20

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2020-08-10
Issue Year
1991
Authors
Schmid, Joachim
Editor
Geiger, Manfred
Feldmann, Klaus
Publisher
Carl Hanser
ISBN
3-446-16560-6
Abstract

Slip casting is an important process for the production of free-form ceramic parts. The aim of the present work was to develop methods that are suitable for plastering slip castings for technical applications with industrial robots, as well as the sensor technology measures required for this. In addition, approaches for the implementation of technology-specific continuous process chains with computer support should be shown. First, the material and process engineering peculiarities of slip casting production were compiled. In addition to the low strength of unfired ceramics, the multi-stage production process should be mentioned, which is characterized by repeated changes in the state of the material and the associated anisotropic shrinkage and warping processes. An analysis of the quantity spectrum showed that with only three product groups the vast majority of sales of slip castings are generated in engineering ceramics. The shape and size tolerances that occur are considerable. Shrinkage-related stochastic influences clearly decline compared to handling-related deformations. These can be easily determined by measuring a few points on the workpieces. The plastering of slip casting consists of two process steps: deburring and so-called sponging, a surface treatment under the influence of water. The cleaning processes and machines used in the ceramic industry are not suitable for engineering ceramics. Due to the special material properties of unfired ceramic, the deburring concepts developed for other materials cannot be transferred. Comparative experimental investigations of deburring processes showed that scraping, especially in the newly developed special form of wire scraping, best meets the requirements. It has a very good inherent adaptability to different workpiece contours and is the only method with a burr-selective removal effect. These properties are due to the elastic, brittle cutting process and the exponentially decreasing surface pressure between the cutting edge and the workpiece as the chip width increases. From the test results with different ceramics, reference values for the optimal technological parameters and their limits could be derived. A comparison of alternative sponge concepts with different kinematics of the active organ led to a solution with a continuous, endless sponge belt. This principle fulfills all requirements regarding the accessibility to the workpiece as well as the adaptability and the manufacturing quality. Online tracking of the ridge course of slip-cast moldings cannot be achieved with the current state of the art. For this reason, a multi-stage sensor concept was developed for tolerance compensation using the inherent resilience in the tool, which consists of an intermittent workpiece pre-measurement to record global position deviations and a process-related measurement of the tool deflection with feedback in the position control loop of the handling device for local path adjustment. At the same time, the requirements regarding the number and accuracy of the path bases to be programmed can be significantly reduced. The first step in creating a computer-aided process chain for slip casting production is the shift in product design from manual model making to a 3D free-form surface CAD system. This was implemented as an example in the form of an interactive variant program for ambidextrous diving forms, which creates new models from parameterized basic types, whereby different approaches for describing free-form surfaces were compared. A prerequisite for a computer-aided generation of work documents and control programs for the means of production is that the geometries of the intermediate technological states of the product are also available in the computer. To do this, the shape of the end product must be subjected to the shrinkage and distortion that occurs during drying and fire. The solution implemented for this in the form of a workpiece-specific variant program can only be viewed as an intermediate stage. Approaches to predict shrinkage processes in ceramics are already described in the literature. Their further development and integration into a technology processor, including knowledge-based system components, would be a worthwhile subject of further research. At the workshop level, progress is to be made, particularly in the area of sensors. By further miniaturization of optical sensors, tracking of the ridge course and recognition of the local ridge thickness could be realized as an important technology parameter. The introduction of image processing systems for workpiece pre-measurement would increase the flexibility of the plastering system and provide additional data for quality assurance. The current ongoing development of fast robot controls with powerful, flexible sensor interfaces can be seen as an essential condition for increasing the working speed.

Abstract

Das Schlickergießen ist ein wichtiges Verfahren zur Herstellung von Freiformteilen aus Keramik. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung von Verfahren, die sich für das Verputzen von Schlickergußteilen für technische Anwendungen mit Industrierobotern eignen, sowie der hierfür notwendigen sensortechnischen Maßnahmen. Ferner sollten Ansätze zur Realisierung technologiespezifischer durchgehender Verfahrensketten mit Rechnerunterstützung aufgezeigt werden. Zunächst wurden die Werkstoff- und verfahrenstechnischen Besonderheiten der Schlickergußproduktion zusammengestellt. Hier ist neben der geringen Festigkeit ungebrannter Keramik insbesondere der mehrstufige Produktionsprozeß zu nennen, der durch wiederholte Zustandsänderungen des Werkstoffs und damit verbundene anisotrope Schwindungs- und Verzugsvorgänge gekennzeichnet ist. Eine Analyse des Mengenspektrums zeigte, daß mit nur drei Produktgruppen der weit überwiegende Teil des Umsatzes von Schlickergußteilen in der Ingenieurkeramik erwirtschaftet wird. Die auftretenden Form- und Maßtoleranzen sind erheblich. Schwindungsbedingte stochastische Einflüsse treten hierbei deutlich gegenüber den handhabungsbedingten Deformationen zurück. Diese lassen sich durch die Vermessung einiger weniger Punkte an den Werkstücken gut bestimmen. Das Verputzen von Schlickerguß besteht aus zwei Verfahrensschritten: dem Entgraten und dem sogenannten Verschwämmen, einer Oberflächenbehandlung unter Wassereinwirkung. Die in der keramischen Industrie gebräuchlichen Putzverfahren und Maschinen sind für die Ingenieurkeramik nicht geeignet. Aufgrund der speziellen werkstofftechnischen Eigenschaften ungebrannter Keramik können auch die für andere Werkstoffe entwickelten Entgratkonzepte nicht übertragen werden. Vergleichende experimentelle Untersuchungen von Entgratverfahren zeigten, daß das Schaben, speziell in der neu entwickelten Sonderform des Drahtschabens, den gestellten Anforderungen am besten gerecht wird. Es besitzt ein sehr gutes immanentes Anpassungsvermögen an unterschiedliche Werkstückkonturen und weist als einziges Verfahren eine gratselektive Abtragwirkung auf. Diese Eigenschaften liegen in dem elastisch-spröden Zerspanungsvorgang und der mit zunehmender Spanbreite exponentiell abnehmenden Flächenpressung zwischen Schneide und Werkstückbegründet. Aus den Versuchsergebnissen mit verschiedenen Keramiken ließen sich Anhaltswerte für die optimalen technologischen Parameter sowie ihre Grenzen herleiten. Ein Vergleich alternativer Verschwämmkonzepte mit unterschiedlicher Kinematik des Wirkorgans führte zu einer Lösung mit umlaufendem, endlosem Schwammband. Dieses Prinzip erfüllt alle Anforderungen sowohl an die Zugänglichkeit zum Werkstück wie auch an die Adaptionsfähigkeit und an die Fertigungsqualität. Eine Online-Verfolgung des Gratverlaufs schlickergegossener Formlinge läßt sich beim derzeitigen Stand der Technik nicht verwirklichen. Daher wurde zur Toleranzkompensation ein mehrstufiges Sensorkonzept unter Ausnutzung der werkzeugimmanenten Nachgiebigkeiten entwickelt, welches aus einer intermittierenden Werkstück-Vorvermessung zur Erfassung globaler Lageabweichungen und einer prozeßbegleitenden Messung der Werkzeugauslenkung mit Rückführung in den Lageregelkreis des Handhabungsgeräts zur lokalen Bahnanpassung besteht. Damit können gleichzeitig die Anforderungen an Zahl und Genauigkeit der zu programmierenden Bahnstützpunkte deutlich reduziert werden. Erster Schritt bei der Schaffung einer rechnergestützten Verfahrenskette für die Schlickergußfertigung ist die Verlagerung der Produktgestaltung vom handwerklichen Modellbau zu einem 3D-Freiformflächen-CAD-System. Dies wurde exemplarisch in Form eines interaktiven Variantenprogramms für Ambitextrous-Tauchformen realisiert, welches aus parametrisierten Grundtypen neue Modelle erstellt, wobei verschiedene Ansätze zur Beschreibung von Freiformflächen verglichen wurden. Voraussetzung für eine rechnergestützte Generierung von Arbeitsunterlagen und Steuerprogrammen für die Fertigungsmittel ist, daß im Rechner auch die Geometrien der fertigungstechnologischen Zwischenzustände des Produktes verfügbar sind. Hierfür muß die Gestalt des Endprodukts mit den bei Trocknung und Brand auftretenden Schwindungen und Verzügen beaufschlagt werden. Die hierfür realisierte Lösung in Form eines werkstückspezifischen Variantenprogramms kann nur als Zwischenstufe betrachtet werden. In der Literatur werden bereits Ansätze zur Vorhersage von Schwindungsvorgängen bei Keramiken beschrieben. Ihre Weiterentwicklung und Integration zu einem Technologieprozessor unter Einbeziehung wissensbasierter Systemkomponenten wäre ein lohnender Gegenstand weiterer Forschungen. Auf der Werkstattebene sind Fortschritte insbesondere im Bereich der Sensorik anzustreben. Durch weitere Miniaturisierung optischer Sensoren könnte eine Verfolgung des Gratverlaufs und ein Erkennen der lokalen Gratdicke als wichtigem Technologieparameter realisiert werden. Eine Einführung von Bildverarbeitungssystemen zur Werkstückvorvermessung würde die Flexibilität des Verputzsystems steigern und zusätzliche Daten für die Qualitätssicherung liefern. Die derzeit laufende Entwicklung schneller Robotersteuerungen mit leistungsfähigen, flexiblen Sensorschnittstellen ist als wesentliche Bedingung für eine Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit anzusehen.

Series
Fertigungstechnik - Erlangen
Series Nr.
20
Notes
Nach Rechteübertragung des Meisenbach-Verlags auf die FAU digitalisiert und online gestellt durch Geschäftsstelle Maschinenbau und Universitätsbibliothek der FAU im Jahr 2020. Koordination der Reihe: Dr.-Ing. Oliver Kreis. Für weitere Informationen zur Gesamtreihe siehe https://mb.fau.de/diss
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