Formenbau beschleunigen: Design & Produktion optimieren mit fortgeschrittenem CAD/CAM & CAE

Mit modernster CAD/CAM- und CAE-Software können Formenbauer Design drastisch beschleunigen und den Fertigungszyklus für hochwertige Formen und Werkzeuge komprimieren

Formenbauer stehen unter ständigem Druck, den Formenbauprozess zu beschleunigen, ihre Prozesse und Produktqualität zu verbessern und die Produktivität zu steigern. Um ihre Ziele zu erreichen, setzen Formenbauer die neueste Formenbau-Software ein, nutzen neue Techniken in CAD/CAM und CAE mit stark verbesserten Simulationen für konforme Kühlung und andere Schlüsselfeatures in der Formen- und Werkzeugherstellung.

Anwendungen in Formen- und Werkzeugprozessen reichen von CAD/CAM-Software der meisten großen Softwareentwickler bis hin zu anspruchsvoller CAE-Software mit detaillierten Simulationen und Analysen von Passgenauigkeit, thermischer Performance und entscheidenden Differenzierungsfaktoren. Zu diesen Formenbau-Paketen gehören integrierte Pakete, die innerhalb der Haupt-CAD/CAM-Software des Designers laufen und nahtlose Übergänge von Design zu Simulation und Analyse eines Teils ermöglichen.

Schnell und präzise machen

Die primären Softwareanforderungen von Formenbauern sind in den letzten Jahren konsistent geblieben und fokussieren hauptsächlich auf höhere Produktivität, so Ben Mund, Senior Market Analyst bei CNC Software Inc. (Tolland, CT), Entwickler von Mastercam CAD/CAM-Software. „Dieser Bedarf zieht sich durch den gesamten Prozess und treibt die Trends in der CAD/CAM-Softwareentwicklung an – schneller auf der Maschine, schneller von der Maschine, und Qualität so hoch wie möglich.

„Ein weiterer wachsender Trend ist Konnektivität in der Fertigung – sicherzustellen, dass Software, Maschinen und Shopfloor-Prozesse alle miteinander kommunizieren“, sagte Mund. „Bei CAM sehen Sie das bei Verbindungen zu Werkzeugbibliotheken, Inspektion, Shop-Monitoring und anderen Elementen. Es ist alles Teil der Sicherstellung, dass Betriebe bereit für den Shift zu Digital Manufacturing sind.“

Schlüssel zum Produktivitätsstreben ist ein effizientes CAD/CAM-System, so Mund – eines, das Anwendern eine Fülle von Werkzeugen bietet, um den Job schnell und einfach zu erledigen. „Es beginnt mit CAD; Betriebe haben zunehmenden Bedarf an Spezial-CAD-Tools, die ihnen helfen, ein Konzept oder Teilmodell in eine Produktionsform umzuwandeln“, erklärte Mund. „Das bedeutet Design-Tools für Modellvorbereitung, Solid-Modell-Reparatur, Lückenfüllung, Vorrichtungsdesign und hochfokussierte Bedürfnisse wie Elektroden, Kern-/Kavitäten-Modelltrennung und Teilungslinien-Erstellung – all das, was passieren sollte, bevor ein Werkzeug auch nur Metall berührt.“

Sobald das Rohmaterial auf der Maschine ist, drängen Betriebe weiter aggressiv auf schnellere Zykluszeiten, fügte er hinzu. „Einer der größten Bereiche, auf die Formenbauer schauen, ist der effizienteste Weg, Grobmaterial auf Nahe-Netto-Form zu bringen. Fortschritte bei ‘smarten’ Schrupp-Werkzeugpfaden treiben die Bearbeitungszeit dramatisch nach unten. Natürlich ist die Präzision und Qualität der finalen Form am wichtigsten, und hier schauen Betriebe genauer hin – nicht nur auf neue Werkzeugpfadbewegungen, sondern auf neue Werkzeuge, die alle von ihrer Programmiersoftware unterstützt werden müssen.“

Features wie CNC Softwares „CAD for CAM“-Vorbereitungstools bleiben ein Fokus, sagte Mund, und das Unternehmen wird in seinem kommenden Mastercam-Release neue Tools für Formenbauer haben, um Modelle schnell und sauber zu reparieren, Löcher zu füllen und Fehler in CAD-Modellen zu korrigieren, die sie erhalten. „Diese Probleme können lange Verzögerungen verursachen, und ihre Minimierung hilft sicherzustellen, dass die Form so schnell wie möglich auf die Maschine kommt.“

Zusätzlich zu Mastercams Dynamic-Motion-Engine hat die Software auch eine neue NC-Programmiertechnik namens Accelerated Finishing, fügte Mund hinzu. „Sie ermöglicht Betrieben den Einsatz neu geformter Werkzeuge so, wie sie intendiert sind. Wir arbeiten eng mit Werkzeugherstellern bei der Entwicklung von Schneidstrategien für Ovalformfräser, Barrel Mills, Taper Cutter, Linsenformfräser etc.“, sagte er. „Richtig programmiert, können diese Fräser einem klein Durchmesser-Werkzeug einen großen effektiven Schneidradius geben, was Zykluszeit reduzieren, Oberflächenqualität erhöhen – oder beides – kann.“

Einfachere, smarttere Lösungen finden

Software-Bedienkomfort steht bei Formen-Designern und -Bauern ganz oben, sagte Anthony Yang, President und Co-Founder von CoreTech System Co. Ltd. (Farmington Hills, MI und Hsinchu, Taiwan), Entwickler der Moldex3D-CAE-Suite von Formenbau-Simulationsanwendungen.

Features wie konforme Kühlung machen den Kunststoffspritzguss-Prozess einfacher und effizienter, aber Nutzer suchen Software, die weit einfacher zu bedienen ist, merkte Yang an. „Der aktuelle Trend geht zu Upfront-Simulationen mit DFM [Design for Manufacturability]“, fügte er hinzu, „und ein weiterer Haupttrend ist, die Software smarter zu machen.“

Heutige Software ermöglicht Nutzern, Boundary Conditions einfacher einzurichten und ein Netz zu erstellen, sagte er. „Sie simulieren, wie die Form reagiert, und müssen angeben, wo die Wärme herkommt. Es ist nicht einfach zu designen.“ Je einfacher die Software zu bedienen, desto besser für Formenbauer, die nach besseren User Interfaces suchen, die schnellere, effizientere Formendesign-Prozesse ermöglichen.

CoreTechs Moldex3D-Software wird primär in Engineering-Abteilungen, aber auch von Teil-Designern genutzt. Die Moldex3D-Software ist integriert mit Software wie NX Mold von Siemens PLM und das Unternehmen arbeitet auch mit den Angeboten großer Entwickler wie Dassault Systèmes' SolidWorks und PTCs Creo CAD/CAM-Software.

Bei Faurecia Interior Systems India Pvt. Ltd. (Pune, Indien) nutzte der Automobil-Sitz- und Interieur-Designer Moldex3D-Simulationen, um Verzug von kunststoffgespritzten Interieur-Teilen zu reduzieren und die Dimensionsgenauigkeit zu verbessern. Das Unternehmen setzte die Software an einem Dashboard-Mittelkonsolen-Fascia ein mit Ergebnissen, die Folgendes umfassten: Vermeidung von Nahtlinien in sichtbaren Bereichen; Reduktion der Teileverformung, um Spalt und Flush gut innerhalb der Toleranz für die Teilemontage zu halten; 68% Reduktion der Werkzeugnachbearbeitungskosten; und Senkung einer traditionell hohen Ausschussrate auf eine vernachlässigbare Zahl. Dies wurde teilweise durch Moldex3Ds Verzugsvorhersage-Simulationen ermöglicht.

Komplexität treibt Prozesse

Da Werkzeuge für komplexe Produkte zugenommen haben, wenden sich Formen- und Werkzeugbaubetriebe gemeinsam mit anderen Herstellern fortgeschrittenen Fertigungsprozessen zu. „Automatisierung und Integration sind Enabler für unsere Kunden, um Werkzeugverbesserungen zu machen, mit Werkzeugdesign-Workflow-Optimierung und Validierungstools, um Produkte präziser zu machen“, merkte Himanshu Iyer, NX Product Marketing Manager, Siemens PLM Software (Plano, TX), an. Entscheidend für Hersteller sei, „sicherzustellen, dass Fehler, falls vorhanden, so früh wie möglich im Designzyklus erfasst werden. Wir alle wissen, wie teuer es ist, sich später im Prozess damit auseinanderzusetzen, und wir müssen den Prozess effizienter machen.“

Schlechte Kommunikation zwischen OEMs und Lieferanten verursacht oft Schmerzen weiter unten in der Produktentwicklung. „Eines der Probleme ist, Kunden früh in der Designphase einzubeziehen“, merkte Daks Azhagappan, Product Manager für NX Mold Wizard, an. „Man muss alle Fertigbarkeitsfragen betrachten. Es kostet sie Zeit und Geld, es sei denn, sie arbeiten sehr eng zusammen. Viele unserer Kunden, meist Werkzeugbaubetriebe, fragen: Wie arbeite ich früh mit OEMs zusammen?“

Mit CAE-Tools in NX, angetrieben von der Moldex3D-Engine, können Nutzer Netze verbessern, um bessere Gesamtdesigns zu erhalten. „Eines in der Vergangenheit war, Tryouts durchzugehen“, sagte Azhagappan. „Ein Problem, dem sie begegnen, ist Verzug. Eines ist, zurück ins Design zu gehen und die Kühlung zu ändern. Dann sagen sie vielleicht: ‘Wie kann ich den Verzug kompensieren?’“ Der Mesh Transformer, hinzugefügt in NX 10, ermöglicht Nutzern, Netze zu optimieren und diese Informationen in ihre CAD-Umgebung zu übernehmen.

Die neuesten Tools erlauben Mesh-Transformationen in zwei Stufen – in der Designphase und in der CAE-Software, merkte er an. Mit der Moldex3D-Moldflow-Analyse „haben wir viele [dieser] Fähigkeiten in NX integriert“, fügte Azhagappan hinzu.

Schnellere Bearbeitungstechniken in NX CAM spielen ebenfalls eine große Rolle bei der Steigerung der Formenbau-Produktivität und Erreichung schnellerer Bearbeitungszeiten mit High-Speed-Technologie, merkte Sashko Kurciski, Siemens Product Marketing Manager, Manufacturing Solutions und NX CAM, an. „Wir reduzieren Bearbeitungszeiten in einigen Fällen um 60%“, sagte er. „Es kann [auch] Werkzeuglebensdauer um das Vierfache verlängern.“

Mit dem neuesten NX 12 CAM hat Siemens eine intern entwickelte High-Speed-Schruppstrategie hinzugefügt, die Komponententechnologie nutzt. „Es ist eine neue Technologie für uns, die Volumill ähnelt, aber in manchen Fällen besser ist“, sagte Kurciski. „Es ist kein Add-on.“

Additive Technologie ist ein weiterer wichtiger Faktor. „Sie wird mehrere Auswirkungen auf die Werkzeugindustrie haben, unserer Meinung nach. Einer dieser Bereiche ist konforme Kühlung“, sagte Iyer. „Mit additiven Techniken sehen wir Kunden, die bereits anfangen, Dinge anders zu denken.“

Mit hybriden subtraktiven/additiven Maschinen am Markt liegt der Vorteil darin, Prozesse auf beiden Seiten der Maschine und zwischen ihnen zu automatisieren, so Kurciski. Ein Betrieb kann eine Form mit der additiven Seite mit internen Kühlkanälen bauen und dann „dasselbe Gerät nutzen, um die hochwertigen Oberflächen zu erreichen, die sie für Formen brauchen.“

Bearbeitung beschleunigen, AM hinzufügen

Schnelleres Bearbeiten ist der Schlüssel für Formenbauer, und CAD/CAM-Entwickler bieten vielfältige Wege dorthin. „Es ist keine große Offenbarung, dass Formenbauer heute unter genauso viel Druck stehen wie je zuvor“, merkte Clinton Perry, Product Marketing Manager für PowerMill bei Autodesk Inc. (San Rafael, CA), an. „Sie stehen der täglichen Herausforderung gegenüber, Kundenanforderungen zu erfüllen: Lieferzeiten reduzieren, Teilequalität halten oder verbessern und Kosten minimieren, alles für ein [hohes] Level an Kundenservice. Gleichzeitig müssen Formenbauer ein Auge auf aufkommende Technologien haben, die ihnen einen Wettbewerbsvorteil geben könnten.“

Um diese Anforderungen zu erfüllen, brauchen Formenbauer Software, die Kunden-Designs rasch in hochwertige Werkzeuge umwandelt. „Geschwindigkeit ist zweifellos die Nummer-eins-Herausforderung hier. CAD/CAM/CAE-Software muss den gesamten Design-, Simulations- und Fertigungs-Workflow straffen, um die Gesamt-Time-to-Market zu verkürzen“, sagte Perry. „Verbesserungen in der Hardware-Leistung haben sicher geholfen – wie 64-Bit-Prozessoren, Multicores und Cloud Computing – aber es gibt etwas Fundamentaleres. Autodesk und andere Softwarefirmen entwickeln weiterhin Modellierungstools, die Kundenmodelle importieren und sie rasch in nutzbare Werkzeuge umwandeln. Dieser Prozess erfordert oft einen Grad an Modellreparatur, um Fehler in importierten Daten zu beheben.“

CAD-Modellierungsprodukte wie Autodesk PowerShape bieten Tools, um Reparaturen davon abzuhalten, Verzögerungen zu verursachen, fügte er hinzu. Die leistungsfähigste Modellierungssoftware kann importierte CAD-Dateien analysieren, um Probleme zu identifizieren und (automatisch) zu beheben, die die nachgelagerte Fertigung komplizieren könnten, so Perry. Surface-, Solid- und Direct-Modelling-Tools erlauben Formenbauern dann, Kunden-Designs rasch in Werkzeuge umzuwandeln.

Ein weiterer großer Trend ist physikbasierte Simulation, sagte Mark Hennebique, Autodesk Simulation Business Line Manager. Simulation erlaubt Designs, „abgesegnet“ zu werden, bevor ein Stahlblock bearbeitet wurde.

Simulationssoftware wie Autodesk Moldflows Analysetools kann im Entwicklungsprozess eingesetzt werden, um die Fertigbarkeit des Teildesigns und die Performance des Formwerkzeugs in einem frühen Designstadium zu optimieren, so Hennebique. „Simulation erlaubt, mehrere Designs auszuprobieren und zu testen, mit schnellem Feedback zur Bestätigung des Impacts auf Zykluszeit und Teilequalität. Variablen wie Angussposition, Wandstärke, Formprozess, Kühlkreislaufdesign und Materialeigenschaften können alle mit schnellem Feedback modifiziert werden, um Vertrauen aufzubauen, dass die Form beim ersten Zyklus erwartete Ergebnisse liefert.“

Im neuesten Moldflow-Release haben Nutzer nun Zugriff auf über 10.000 Materialien in der öffentlichen Materialdatenbank, sagte er. „Mit Zugang zu mehr Materialien können Nutzer den Impact des Fertigungsprozesses auf finale Teileform und Fertigbarkeit sehen, was ihnen die Fähigkeit gibt, die richtige Prozess/Material-Kombination zu wählen, um Projekterfordernisse zu erfüllen. Nutzer werden auch andere Performance-Verbesserungen sehen, von Solver-Geschwindigkeit bis operativer Geschwindigkeit, was es noch einfacher macht, auf eine Lösung zuzusteuern.“ Zusätzlich wird Moldflow mit Autodesk Fusion 360 ausgeliefert, was Nutzern verbesserte Interoperabilität und CAD/CAE-Fähigkeit zur Iteration von Designs und Datenaustausch bietet, unter anderen Vorteilen.

Das Aufkommen von 3D-Druck als Fertigungswerkzeug bietet Formenbauern die Chance, zu ändern, wie Formen designed und gefertigt werden, fügte Perry hinzu. „Ein großartiges Beispiel sieht 3D-Druck, der genutzt wird, um Formen zu designen, die Kühlkreisläufe enthalten, die den geformten Formen enger folgen. Diese konformen Kühlkreisläufe erlauben, Formzykluszeiten drastisch zu kürzen.“ Formenbauer wie Fado, so Perry, nutzen nun Autodesk Design- und Fertigungssoftware, um konforme Kühlung einer zunehmenden Zahl ihrer Formen hinzuzufügen.

Neues Mold-Modul

Ein weiteres neues Update von Vero Software ist VISI 2018 R1, das ein neues Mold-Tool-Modul basierend auf VISIs Assembly-Ng-Technologie einführt. Dieses überarbeitete Modul bietet größere Flexibilität bei der Konstruktion von Lieferanten- und Nicht-Standard-Werkzeugkonfigurationen. Anpassbare Templates, einschließlich der Verwaltung von Rohlingen und vorgebohrten Platten, ermöglichen einfache Werkzeuglayout-Erstellung und erweitertes Editing in jedem Designstadium.

„Das neue Mold Tool bietet ein höheres Maß an Flexibilität sowohl für Werkzeugerstellung als auch für fortgeschrittenes Editing. Das ermöglicht Anpassungen in jedem Stadium des Werkzeugdesigns. Alle Assembly-Komponenten werden automatisch aktualisiert, wenn Platten angepasst werden, einschließlich Komponenten-Hohlraum-Fertigungsdaten“, sagte Marco Cafasso, VISI-Produktmanager bei Vero.

Verbesserungen wurden im Kunststoff-Flow-Verzugsvorhersage-Modul vorgenommen, um die Ergebnisgenauigkeit für komplexe technische Polymere zu erhöhen. Diese Verbesserungen wurden durch eine vollständige Überarbeitung der Algorithmen für die Nachdruckphase erreicht, so das Unternehmen. Druck- und Durchsatzberechnungsanpassungen in Kombination mit dem neuen Shape-Solver können die Berechnungszeiten für den Prozess um bis zu 40% reduzieren.

Simulationen verifizieren

Formendesigner haben enge Toleranzen, daher ist die Verhinderung kleiner Fehler und Gougen wichtig, merkte Gene Granata, Vericut-Produktmanager bei CGTech (Irvine, CA), an. „Formprogramme sind typischerweise zahlreich und groß, daher ist Offline-Verifikation entscheidend, um Maschinen am Laufen zu halten. Nutzer können Simulationen im Batch-Prozess laufen lassen, um sicherzustellen, dass [alle] NC-Programme die finale Form erstellen, die sie erwarten. Auch mit mehr verfügbaren Fertigungsmethoden zur Formenerstellung [Bearbeitung, AM, EDM-Senkerosion etc.] kann Simulationssoftware wertvolle Informationen liefern, um Fertigungszeiten vorherzusagen und optimale Produktionsraten zu halten.“

Komprimierte Zeitpläne bedeuten, dass Formenbauer nach Wegen suchen, leaner und schneller zu arbeiten, fügte er hinzu. „Vericut Force ist ein physikbasiertes NC-Programm-Modul, das Schneidbedingungen mikro-analysiert und Programmvorschübe optimiert, um ideale Spandicken zu erreichen, aber ohne die Kraftgrenzen des Werkzeugs oder die Spindelleistung der Maschine zu überschreiten. Force-Optimierung erstellt das effektivste NC-Programm für ein gegebenes Schneidwerkzeug, Werkstückmaterial und Bearbeitungsbedingungen. Das Resultat: signifikante Zeitersparnis, höherwertige Teile mit besserer Oberflächenqualität und verbesserte Werkzeug- und Maschinenlebensdauer“, sagte er.

Das Interesse an AM unter Formenbauern ist groß, merkte Granata an, und das neue Vericut Additive Modul simuliert sowohl additive Materialauftrag als auch traditionelle Bearbeitungsfähigkeiten auf neuen hybriden CNC-Maschinen. „AM auf hybriden Maschinen kann den Bau bestimmter Präzisionsformen und Formreparaturen einfacher und schneller machen. Und mit additiver Programmierungssoftware, die leistungsfähiger wird, sehen wir einen neuen Trend: den Wunsch, jeden Fertigungsprozess in beliebiger Reihenfolge zu simulieren, um das Vertrauen zu erhalten, [dass sie] das finale Teil erstellen, das intendiert war“, sagte Granata. „Nutzer verlassen sich auf unsere Software, um sicherzustellen, dass alle NC-Programme korrekt und optimal auf ihren CNC-Maschinen laufen. Um den besten Job zu machen, sollten Nutzer [Simulationssoftware wählen], die vom gleichen NC-Code angetrieben wird, der die Maschine antreibt, wodurch das höchste Verifikationslevel sichergestellt wird.“