Produktionseffizienz meistern mit fortschrittlichen Simulationswerkzeugen

Simulationswerkzeuge machen es Herstellern viel einfacher, ihre Prozesse zu optimieren, indem sie den gesamten Produktionspfad visualisieren – von NC-Metallbearbeitungssimulationen über 3D-Design bis hin zur Fabrikhallenbildgebung. Mit heutigen Simulationswerkzeugen können Werkzeugbahn-Designer und Fertigungsingenieure genau sehen, wo NC-Werkzeugbahnen kollidieren werden und Situationen sofort beheben, was die Simulation und Verifikation des Metallbearbeitungsprozesses enorm beschleunigt.

Einige der neuesten Entwicklungen in Simulationssystemen bieten neue Fähigkeiten, die auf die aufstrebenden additiven Fertigungsprozesse angewendet werden, die Hersteller für Rapid Prototyping und additive Fertigung von Produktionskomponenten einsetzen. Neue NC-Simulationssoftware wird angepasst, um diese additiven Prozesse zu unterstützen, was die Berechnung und Simulation der für den schichtweisen Aufbau von Teilen in additiven Prozessen erforderlichen Zeit sowohl für Prototyping als auch für die Produktion von Metallteilen stark vereinfacht.

In der traditionelleren subtraktiven Bearbeitung konzentrieren sich Hersteller weiterhin auf den anhaltenden Trend, High-End-Simulationswerkzeuge zu demokratisieren und deren Nutzung – einschließlich Computer-Aided Engineering (CAE), typischerweise nur von hochspezialisierten Fachleuten genutzt – über die gesamte Fertigungsdesign-/Produktionskette zu verbreiten.

Simulation für Additive und Subtraktive Fertigung

Die neuesten NC-Simulations- und Verifikationswerkzeuge, einschließlich Vericut von CGTech (Irvine, CA) und NCSimul von Spring Technologies (Boston), fügen additive Fähigkeiten hinzu, um Prozesse genauso zu simulieren und zu verifizieren wie bei traditioneller Bearbeitung.

„Additive Fertigung ist der neueste Trend, mit immer mehr Herstellern, die diese Methode in ihren Fähigkeitskatalog aufnehmen“, sagte Gene Granata, CGTech Produktmanager für Vericut. „CGTech arbeitet derzeit mit Technologiepartnern wie GE, Dassault Aviation, Mazak, der University of Sheffield und dem Connecticut Center for Advanced Technology [CCAT] zusammen, um unser AM-Modul zu kollaborieren und zu kultivieren, das in Vericut 8.1, das später dieses Jahr erscheinen soll, veröffentlicht werden soll.“

Das neue Vericut fügt optimierte Werkzeugbahnen hinzu, die Daten aus der Cloud herunterladen. „Mit unserer neuesten Vericut-Software-Version 8.0.2 haben wir unser Force-‚physikbasiertes‘ Werkzeugbahnoptimierungsmodul aktualisiert, das jetzt Eingabewerte direkt von cloudbasierten Werkzeugdaten erhält und von mehreren neuen Funktionen profitiert, die die Optimierungseinrichtung vereinfachen“, bemerkte Granata. „Durch die Mikroanalyse der beim NC-Programm auftretenden Schnittbedingungen stellt Force sicher, dass NC-Programme optimale Vorschübe und ideale Spandicken haben, die sichere Kraft- oder Leistungsgrenzen nicht überschreiten. Dies verbessert die Produktivität enorm.“

Technische Verbesserungen im neuen Vericut umfassen mehr als 100 Benutzeranfragen in Vericut 8.0.2, die Einrichtung vereinfachen und Benutzererfahrungen verbessern, helfen, Werkzeuglebensdauer zu verlängern, und kostspielige Maschinenspindelschäden zu vermeiden. „Einige spezifische Verbesserungen sind Updates im Force-Optimierungsmodul, der Tool Manager importiert jetzt mehr verfügbare Daten über Werkzeugnutzung und -leistung, und das Vericut Drill and Fastener [VDAF] Simulationsprodukt profitiert von einer aktualisierten grafischen Benutzeroberfläche [GUI]“, fügte Granata hinzu. „All diese Verbesserungen sind darauf ausgelegt, unseren Kunden zu helfen, ihren NC-Code so effizient wie möglich zu verifizieren und zu optimieren.“

„Während die Simulation für additive Fertigung relativ neu ist, zeigt sie großes Versprechen für Fertigungskunden“, bemerkte Silvere Proisy, General Manager, Spring Technologies, Entwickler von NCSimul Machine und verwandten Simulationsangeboten. „Für additive simulieren wir die Maschinenbewegung und berechnen die Zeit, die für das Schichten des Metalls benötigt wird.“

Spring Technologies hat sichmostly auf metallische additive Fertigungsprozesse konzentriert, so Proisy, und arbeitet mit Tier-1- und Tier-2-Zulieferern in der Luftfahrt/Verteidigungsbranche zusammen, einschließlich Hersteller von Triebwerken und Fahrwerken, die Simulationen entwickeln, um Fähigkeiten innerhalb der NCSimul-Software für diese additiven Prozesse zu nutzen.

„Simulation jedes Fertigungsprozesses ist kritisch, und mit Springs NCSimul 4CAM-Software erhalten Fertigungsbetriebe große Flexibilität auf dem Shopfloor“, sagte Proisy. Ein Vorteil von NCSimul ist, dass Benutzer den Fertigungs-Schneide- oder Additivprozess im tatsächlichen G-Code simulieren können, und wenn Schnitte oder Bewegungen gemacht werden, die nicht gemacht werden sollten, ist es einfach, zurückzugehen und den Prozess neu aufzubauen. „Man muss den Prozess nicht neu starten, man kann die Simulation ‚on the fly‘ bearbeiten und das ermöglicht den Wiederaufbau des Teils.“

Weitere Simulationssoftwareanbieter, die in das additive Spiel einsteigen, sind Software-Schwergewichte Dassault Systèmes (Paris) und Siemens PLM Software (Plano, TX).

Dassaults Einstieg in die AM-Arena umfasst den Additive Manufacturing Engineer, verfügbar in Cloud- und On-Premises-Versionen, der Hersteller in die Lage versetzt, AM-Prozesse vorzubereiten und zu validieren. Die Software spart Zeit, indem sie Best Practices zur Wiederverwendung archiviert, Teilpositionen automatisch optimiert und verschiedene Strategien für den additiven Prozess entwickelt.

Der 3DExperience 2017x Release soll Design, Simulation und Fertigung mit einem viel höheren Integrationsgrad transformieren. Mit der neuen Function Generative Designer Rolle geben Designer die funktionale Spezifikation (einschließlich 3D-Hülle, Belastungsszenario, Materialien, Gewichtsreduktionsziele, gewünschter Fertigungsprozess) an, und ein Knopfdruck führt eine Simulation durch und generiert die optimierte Konzeptform. Dies ermöglicht Designern und Ingenieuren, die Flexibilität der additiven Fertigung im Vergleich zu traditionelleren Fertigungsprozessen wie Fräsen, Gießen und Schmieden zu nutzen. Zwei neue digitale Fertigungs- und Produktionsrollen für additive Fertigung definieren und optimieren Setup und Prozess für Pulverbettfusion und industrielles 3D-Drucken und programmieren den Laserpfad.

Im Januar 2017 kündigten Siemens AG (München) und der additive Entwickler Materialise NV (Leuven, Belgien) eine Partnerschaft an, unter der die Unternehmen an der Integration von Siemens PLMs NX-Software mit Materialises Technologien im AM-Sektor zusammenarbeiten würden. Unter der Vereinbarung integrierten die Unternehmen Materialise-Technologie in NX CAD/CAM/CAE-Software, was es ermöglicht, CAD-Modelle für Pulverbettfusion und Material-Jetting 3D-Druckprozesse präzise zu entwerfen. Die resultierende Software soll den Prozess der Erstellung voll 3D-gedruckter Teile um 30 % oder mehr beschleunigen, so die Unternehmen.

„Der Deal stellt einen riesigen Sprung nach vorne dar, um additive Fertigung zu einer Mainstream-Produktionspraxis für Kunden zu machen“, sagte Zvi Feuer, Senior Vice President Manufacturing Engineering Software für Siemens PLM Software, in einer Stellungnahme. „Bislang erforderte der additive Fertigungsprozess, dass Hersteller mit zwei getrennten Systemen arbeiten – einem für Produktdesign und einem anderen, um dieses Design für den 3D-Druck vorzubereiten. Die Datentranslationsprobleme und der Mangel an Assoziativität zwischen diesen beiden Systemen schufen einen zeitaufwändigen und fehleranfälligen Prozess. Durch die Beseitigung dieser Probleme helfen wir, die Akzeptanz der additiven Fertigung als universell anerkanntes Produktionswerkzeug zu erweitern.“

NX nutzt nun Technologie aus dem Materialise Magics 3D Print Suite, was gängige AM-Prozesse für Endteilfertigung ermöglicht, einschließlich Pulverbettfusion und Material Jetting, die versprechen, AMs Evolution vom Prototyping zur vollwertigen Fertigungstechnologie weiter zu beschleunigen. Die Lösung verknüpft NX nahtlos und assoziativ mit Materialise Gittertechnik, Stützstrukturdruck, 3D-Nesting, Bauplattenvorbereitung und Build-Processor-Framework-Technologie für additive Fertigung. Dies eliminiert Datentranslation, Konvertierungen und stellt sicher, dass Änderungen an digitalen Produktdesignmodellen automatisch und assoziativ in den 3D-Druckjobs widergespiegelt werden. Das Ergebnis ist höhere Modellgenauigkeit, bessere Qualität und ein viel schnellerer Design-to-Production-Prozess.

CAE mit der Masse teilen

„Einige der Trends, die die Fertigung insgesamt beeinflussen, spiegeln sich auch in Simulationssoftware wider. Dazu gehören additive Fertigung und verwandte Simulationsverfahren, Topologieoptimierung und Simulation von Verbundwerkstoffen auf der Produktseite“, bemerkte Ravi Shankar, Director Global Simulation Product Marketing, Siemens PLM Software. „Additive Fertigung hat auch Auswirkungen auf die Erstellung von Werkzeugen für verschiedene traditionelle Fertigungsprozesse. Zudem werden Simulationsverfahren auch auf den Fertigungsprozess angewendet, wie Montagesimulation, Robotersimulation, Materialflusssimulation und Mensch-Simulation und Ergonomie.“

Simulation ermöglicht eine viel frühere Erkennung potenzieller Probleme und befähigt Unternehmen, solche Probleme zu vermeiden, bevor sie auftreten, so Shankar. „Dies wirkt sich direkt auf die Produktivität aus, indem es Fertigungsausfallzeiten verringert, schnellere Verarbeitung ermöglicht, Werkzeuglebensdauer und -nutzung erhöht und Materialkosten reduziert.“

Der Digitalisierungsprozess ist essenziell für ein gutes additiv gefertigtes Produkt, fügte Shankar hinzu. „Siemens hat mehrere Initiativen, um Design, Simulation und Produktion für additive Produkte zu straffen. Dazu gehören jüngste Innovationen für generatives Design, das Designern, die NX nutzen, ermöglicht, Topologieoptimierungstechniken einzusetzen, um leichte, organische Formen zu erstellen, diese Designs mit Convergent Modeling zu verfeinern und dann die Fertigungsprozesse anzutreiben. Ebenso für Verbundwerkstoffe bietet Siemens Lösungen zur Optimierung von Composite-Layups, Simulation des Drapierprozesses und der Auswirkungen auf die Teile, Simulation von Aushärtung und Federungseffekten etc.“

Obwohl es Fortschritte bei der „Demokratisierung“ von CAE-Werkzeugen gab, wie von CAD/CAM-Forscher CIMdata Inc. (Ann Arbor, MI) vor einigen Jahren in seiner Simulationsforschung beschrieben, gibt es noch einen weiten Weg, um die Adoption solcher Simulationen weiter voranzutreiben, so Shankar. „Wir sehen sicherlich einige Unternehmen, die bei der Adoption von Simulations-technologien führend sind, aber wir sehen auch viel Potenzial, die Nutzung auszuweiten und den Wert dieser Technologien für den Fertigungsingenieur zu bringen. Simulations-technologien werden für Strukturanalyse, Simulation von Formenfluss und Kühlung, Verbundwerkstofffertigung und andere eingesetzt. In den meisten Fällen werden diese noch von dedizierten Simulationsspezialisten durchgeführt. Daher ist unsere Überzeugung, dass die Demokratisierung von CAE, obwohl im Gange, noch nicht ihr volles Potenzial erreicht hat.“

Optimiertes Bohren

Die Bearbeitung teurer korrosionsbeständiger Materialien ist extrem belastend für Bohrer, und eine kürzlich durchgeführte Studie von Forschern der Technischen Universität Dortmund (Dortmund, Deutschland) nutzte Strömungs- und Strukturanalysetools von Ansys Inc. (Pittsburgh), um die Verteilung des Prozesskühlmittelflusses zu analysieren und längere Werkzeugstandzeiten zu erreichen.

Am Institut für Spanende Fertigung (ISF) der Technischen Universität Dortmund analysierte ein Forschungsteam unter Leitung von Professor Dirk Biermann Methoden zur Verlängerung der Lebensdauer von Bohrern für den Superalloy Inconel 718. Die geringe Wärmeleitfähigkeit dieser Legierung bedeutet, dass eine große Menge Wärme aus der Bohrzone mit externen Methoden abgeführt werden muss, sonst kann sich das Werkzeug verformen. Dies kann zu schlechter Bohrqualität oder Bruch des Hartmetallbohrers führen. Relativ niedrige Bohrgeschwindigkeiten unter 50 m/min werden verwendet, um die Temperaturen in der Schnittzone niedrig zu halten, aber ein Flüssigkeitskühlmittel ist dennoch erforderlich. Um das Kühlmittel dorthin zu leiten, wo es gebraucht wird, wird es durch zwei winzige Kanäle im Land, dem festen, spiralförmigen Muster des Bohrers, gepumpt.

Um die komplexe Wechselwirkung zwischen Bohrerstruktur, Kühlmittelfluid und Inconel-Werkstück zu verstehen, nutzte das ISF-Team Simulationswerkzeuge von Ansys zur Prozessoptimierung durch Durchführung einer Fluid-Struktur-Interaktions-(FSI)-Analyse. Der Prozess umfasste das Erstellen vollständiger Fluidnetze, dann nutzten die Ingenieure Ansys CFD-Software (CFX), um die Verteilung des Kühlmittels durch die Fluiddomäne zu modellieren. Das Team nutzte auch Ansys Mechanical mit einer zusätzlichen Randbedingung der Kühlmittelkräfte, die von CFX berechnet wurden, um die FSI-Analyse abzuschließen. Alle verschiedenen CFD- und Mechanical-Simulationen eingeschlossen, schloss das ISF seine rechnerische Analyse innerhalb von vier Wochen ab. „Bohren in eine Inconel-Legierung wird sorgfältig gemanagt, um schnellen Verschleiß und Schäden an den Werkzeugmaschinen zu verhindern“, bemerkte Biermann. „Das Team modifizierte seinen Kühlprozess, um die Werkzeugstandzeit um etwa 50 % zu verbessern.“

Validierung der Digitalen Fabrik

Abgesehen von additiven und CAE-Entwicklungen war der Bedarf der Hersteller, Fabrikhallenlayouts schnell zu entwerfen, nie größer. Neue digitale Fertigungssimulationswerkzeuge wie FastSuite Edition 2 von Cenit North America (Auburn Hills, MI) helfen Herstellern, Fabriklayouts zu entwerfen und alle Fertigungsprozesse im Voraus zu validieren, was den Prozess beschleunigt und Designs optimiert.

„IoT oder Industry 4.0 repräsentiert den radikalen Wandel, der die Grundlagen des Shopfloors erschüttert. Digitale Fabriksoftware und 3D-Tools treiben diesen Wandel voran“, bemerkte Lee Van Every, Senior Account Manager bei Cenit North America. „Die digitale Fabriksoftware hilft Unternehmen, effizient in Smart Manufacturing einzusteigen. Heutzutage muss die Software mit allen CAD-Systemen kompatibel sein und mit jedem Hersteller von Robotern und Maschinen funktionieren. Dies ist eine zwingende Voraussetzung für Kundenbeziehungen, die immer vielfältiger und anspruchsvoller werden.“

Heutige 3D-basierte Simulationssoftware ermöglicht Visualisierung und Validierung von Prozessen und Produktionsaufgaben, so Van Every. „Produktionsanlagen werden selten von Grund auf neu errichtet, sondern oft neu geplant, während die Produktion läuft. Virtuelle Fabriken und Modellanlagen als exakte Abbilder der realen Produktionssysteme zu haben – nicht nur geometrisch und kinematisch, sondern auch in Bezug auf das logische Verhalten und die Steuerung der Fertigungseinheiten – garantiert agile, selbstorganisierte Produktionseinheiten.“

„Digitale Fabrik ermöglicht die Implementierung neuer Fertigungsprozesse, Anlagenkonzepte und Technologien, die ohne simulationsbasierte Lösungen zu teuer oder sogar unmöglich wären“, fügte er hinzu. „Je mehr Roboteranwendungen genutzt werden – nicht nur für einfache Handhabungsaufgaben, sondern auch für komplexe Produktionsschritte – desto größer der Vorteil von Programmier- und Simulationswerkzeugen. Softwarelösungen führen den Weg zu diesen komplexen Anwendungen und geben dem Bediener die notwendige Programmier- und Simulationsumgebung, um Anwendungen zu realisieren, die zuvor durch manuelles Einlernen dargestellt wurden oder nicht die notwendige Prozessqualität zeigten.“

Anstatt ein schnelles Layout mit 3D-CAD-Komponenten aus dem Katalog zu erstellen und dann Skripte und Makros für die Simulation von Materialfluss und Zellenverhalten zu programmieren, verwendet FastSuite Edition 2 mechatronische Komponenten und Ressourcen für die Layoutdefinition und definiert gleichzeitig eine schematische Logik für die Produktionsinsel, so Van Every. „Auf diese Weise wird sichergestellt, dass simuliertes und reales Verhalten übereinstimmen – weil die Simulation auf derselben Logik basiert, die während der SPS-Programmierung verwendet wird und daher dem späteren realen Systemverhalten entspricht.“

Cenits neue FastSuite-Software bietet benutzerfreundliche Funktionen für die Integration neuer, projektspezifischer Komponenten in das Layout, so Van Every. „Dieser Prozess muss für Benutzer ohne Programmierkenntnisse schnell und einfach durchführbar sein.“

Die Software-Infrastruktur basiert auf offenen Standards, fügte er hinzu, mit konsequenter Verwendung von AML (Automation Markup Language) als Beschreibungssprache für Systemmodelle, was Van Every zufolge erheblich einfachere Interaktion mit Engineering-Partnern durch standardisierten, systemneutralen Austausch vollständiger System- oder Anlagendaten einschließlich kinematischer und logischer Definitionen ermöglicht. Zusätzlich stellt PLC Open sicher, dass die Systemlogik, die den ersten Simulationskonzepten zugrunde liegt, auch für spätere SPS-Programmierung genutzt werden kann. Die Software verwendet einen Shared Memory, in den die Steuerungen die Simulationsdaten schreiben und aus dem die 3D-Visualisierung die Simulationsdaten liest.

„Produktionsprozesse wie Rollumformen, Dichten, Kleben oder Lackieren erfordern eine virtuelle Programmier- und Simulationsumgebung, damit sie auch bei kleinen Losgrößen oder Engineering-Änderungen, die ein Update neuer Offline-Programme für Roboterzellen erfordern, effizient betrieben werden können“, stellte Van Every fest. „Dann gibt es einen weiteren Aspekt, der den Vorteil einer modernen digitalen Fabrik zeigt: Es ist weitaus effizienter, nicht nur die CAD-Daten, sondern auch die Metadaten, die vom Engineering bereitgestellt werden [z. B. für Befestigungselemente], wiederzuverwenden, anstatt sie in der Produktion jedes Mal neu zu definieren.“

Auf der Produktionsseite ist Line Designer eine fortgeschrittene Anwendung zum Entwerfen und Visualisieren von Produktionslinienlayouts in NX-Software, so Siemens' Shankar. „Die integrierte Siemens PLM Software-Plattform ermöglicht Ingenieuren, das entworfene Layout einfach mit der Fertigungsplanung zu assoziieren. So kann das mit Line Designer entworfene Layout verwendet werden, um den Fertigungsprozess mit Tecnomatix Software für digitale Fertigung zu validieren. Mit der Process Simulate Anwendung können Sie eine breite Palette von Roboteranwendungen validieren, was die Simulation kompletter Produktionsysteme einschließlich Zellenvalidierung und Roboterplatzierungsoptimierung ermöglicht. Durch Simulation von Produktionsprozessen können Sie den optimalen Fertigungsprozess definieren.“