Mechanistic, finite elements and hybrid models for cutting force prediction in micro milling

Over the last few decades the demand for micro manufacturing processes has significantly increased, as the need of complex miniaturized components grew for a large variety of applications; being at the same time a well-known and a versatile process, micro machining nowadays is extremely widespread across a variety of different fields, from the automotive to aerospace and biomedical industries. Within this work, we compare two models to predict cutting forces in micro milling processes: by knowing these signals, it is possible to better determine tool requirements, foresee geometrical and dimensional errors and define the best combination of parameters to increase the performance of the process and the quality of the final product. In the first part we develop a mechanistic model written in the Python programming language for the prediction of cutting forces, then we make use of Third Wave Systems AdvantEdge © software to perform finite element simulations of micro machining processes: both models are finally validated by comparing results with experimental tests. In the end we propose a hybrid model that combines the readiness of the mechanistic model with the flexibility of the finite element simulation.

Negli ultimi decenni la domanda di processi di micro manifattura è aumentata significativamente a seguito della crescita della richiesta di prodotti miniaturizzati e di forma complessa; essendo al contempo un processo consolidato e flessibile, la micro fresatura oggigiorno è estremamente diffusa in diversi settori, dall’industria automobilistica a quelle aerospaziale e biomedica. In questa tesi, vengono confrontati due modelli per la previsione delle forze in micro fresatura: conoscendo tali segnali è possibile determinare al meglio i requisiti degli utensili, prevedere errori geometrici e dimensionali e scegliere il miglior set di parametri per migliorare le performance del processo e la qualità del prodotto finale. Nella prima parte viene sviluppato un modello meccanicistico in linguaggio Python per la predizione delle forze, successivamente viene introdotto l’impiego del software TWS AdvantEdge © per la simulazione ad elementi finiti di processi di micro fresatura: entrambi vengono successivamente validati confrontandone i risultati con quelli dei test sperimentali. Infine, viene proposto un modello ibrido capace di combinare la prontezza del modello meccanicistico con la flessibilità della simulazione ad elementi finiti.