DMG Mori & Siemens: Komplettlösungen für CAD/CAM/CAE & CNC in der Luftfahrtbearbeitung

DMG Mori (Hoffman Estates, IL) liefert Fertigungstechnologien an Luftfahrt-OEMs und Fertigungsbetriebe, unterstützt durch ein Paket aus CAD/CAM/CNC-Hardware, -Software und Engineering-Services von Siemens Industry Inc. (Elk Grove Village, IL) für die Luftfahrtbearbeitung. Als langjähriger Partner von Siemens baut DMG Mori eine Vielzahl konventioneller Span- und Ultraschallbearbeitungszentren.

Herausforderungen in der Luftfahrtbearbeitung

Für die Luftfahrtindustrie sind größte Sorgfalt und Planung im Bearbeitungsprozess erforderlich, um gewünschte Genauigkeiten und gesamtproduktive Effizienz zu erreichen. Typische Komponenten bestehen aus leichten, aber harten Materialien wie Titan und Legierungen sowie Aluminiumwerkstücken, bei denen große Materialvolumen abgetragen werden. Aufgrund langer Zykluszeiten und hoher Rohmaterialkosten ist die Bearbeitung solcher Komponenten anspruchsvoll.

Zwei aktuelle Anwendungen zeigen, wie DMG Mori Siemens nutzte, um die Teilefertigung zu verbessern: Reduktion von Design-zu-Teil-Prozessen, Bearbeitungszeit, Werkzeugstandzeit, Oberflächengüte, Maßgenauigkeit und gesamtproduktive Effizienz.

Anwendung 1: Rückschub-Komponente für Strahltriebwerk

Ein Rückschub-Komponente für ein Strahltriebwerk sollte aus Ti-6Al-4V gefertigt werden, einem in der Luftfahrt häufig verwendeten Material wegen seiner elastischen Steifigkeit. Ausgehend von der CAD-Datei führte das Siemens PLM-Team das Programm durch NX CAM mit dem VoluMill-Add-on, das maximale Materialabtragsraten berechnet. Die User-Defined Events (UDE) in NX ermöglichen Checkboxen für das Auslösen von Postprozessor-Referenzen für Kühlmitteldruck, Amplitude, Ultraschallgenerator-Einstellungen u. v. m. Dies vermeidet manuelle Programmierung und reduzierte die Programm-Übergangszeit von bis zu zwei Tagen auf ca. 30 Minuten.

Sobald das Programm für die Steuerung bereit war, ermöglichte die Sinumerik 840D sl CNC eine straffere Simulation des tatsächlichen Schnittpfads. Die 3D-Quick-Set-Compressor-Funktion liefert eine parametrische, itemisierte Datendatei für alle Pfadbewegungen, eliminiert Kollisionen und gewährleistet den optimalen Werkzeugpfad in Verbindung mit dem NC-Kernel und der PLC auf der Werkzeugmaschine.

Randy Pearson, Technical Applications Center Manager bei Siemens: „Diese Funktion ist ein enormer Zeitgewinn für unseren Kunden, da der Testball und die Spindelmechanik an jedem Punkt im Zyklus gefahren werden können, um die tatsächlichen Maschinenkinematiken jederzeit zu testen. Der Vorgang kann auch automatisiert in vorgeschriebenen Zeitintervallen auf dem Tisch laufen.“

Das High-Speed-Machining-Feature wird durch Cycle 800 hervorgehoben, eine statische Ebenentransformation, die einer Fünf-Achs-Maschine erlaubt, eine rotierte Arbeitsebene im Raum zu definieren – im Branchenjargon als 3+2-Programmierung bekannt. Der Zyklus konvertiert den tatsächlichen Werkstücknullpunkt und Werkzeugversätze auf die rotierte Oberfläche. Besonders: Der Zyklus berücksichtigt spezifische Maschinenkinematiken und positioniert die physischen Achsen normal zur Arbeitsebene – referenziert als TRAORI (Transformationsorientierung).

Die Sinumerik CNC Operate Benutzeroberfläche ermöglicht dem Bediener integriertes Werkzeug- und Informationsmanagement, alles transportierbar per USB oder Netzwerkverbindung.

In der Simulation werden Beladung und Spannen des Werkstücks virtuell in NX CAM durchgeführt, das auch eine konsistente Spanlast berechnet – kritisch bei großen Materialabtragsanwendungen. Die Simulation überprüft zudem die Werkzeuglänge an jedem Schneidabschnitt und finalisiert das Programm für den Maschinenstart. Es ist buchstäblich wie die Arbeit mit einem „Digital Twin“ der Maschine.

Während der Produktion ergab dieser Prozess eine 2,25-fache Verbesserung der Werkzeugstandzeit an diesem sehr harten Material, so Luke Ivaska, National Product Manager bei DMG Mori. „Mit der Kombination aus NX CAM, der Sinumerik 840D sl auf der Maschine und all ihren Fähigkeiten hatten wir zunächst Herausforderungen, da die meisten Softwarepakete zweckgebundene CAM-Pakete sind, die schnelle und einfache Nutzung durch jedermann erlauben. Sie haben jedoch signifikante Limitations, da die Software den Werkzeugpfad vorgibt und der Bediener wenig Kontrolle hat. Mit NX CAM und Sinumerik haben wir viel mehr Einfluss auf die Erstellung des Werkzeugpfads. Ich habe noch kein Problem gefunden, das ich nicht mit NX lösen konnte.“ Ergebnis: Das fertige Teil läuft in 4,5 Stunden mit Oberflächenverbesserung von 62,5 Ra auf 35 Ra dank des Ultraschall-Aktors.

Anwendung 2: Fünf-Achs-Bearbeitungszentrum für Impeller-Lüfterrad

Im zweiten Beispiel wird ein konventionelles Fünf-Achs-Bearbeitungszentrum, das Einstiegsmodell DMU 50, genutzt, um einen Block aus 6061-Aluminium (7 Zoll Durchmesser × 2 Zoll Höhe) in ein Impeller-Lüfterrad für die Luftfahrt zu fräsen, mit über 90 % Materialabtrag. Wieder begann die NX CAM Software die Prozesskette, mit initialer erheblicher Zeitersparnis beim Fünf-Achs-Setup und umfassender G-Code-Simulation und -Verifikation in einem System.

Wegen der blattförmigen Struktur des Impeller-Rads war nur 0,5 mm Freiraum zwischen Teil und Werkzeughalter während der Bearbeitung zulässig. Die NX CAM Simulation verhinderte Kollisionen von Werkzeug und Teil. DMG Mori Engineering zog den langjährigen Werkzeugpartner Haimer und dessen Slim-Line-Halter für eine tragfähige Lösung heran. Gleichzeitig wurden interpolierte Werkzeugachsen- und Querschnittsansichten in NX CAM zur Verifikation des Werkzeugbetriebs im engen Arbeitsraum genutzt.

In der Sinumerik 840D sl sorgte die gleiche 3D-Quick-Set-Compressor-Funktion für den korrekten Werkzeugpfad, während High-Speed-Machining-Setup und Cycle 800 erneut genutzt wurden. Sinumerik Operate, die grafische Benutzeroberfläche der CNC, gibt dem Bediener und Fertigungsingenieuren Zugriff auf Produktionsbedingungen – alle Schrupp- und Schlichtdaten in Klartext, plus alle Fünf-Achs-Transformationsorientierungsdaten geloggt für Neustart nach Unterbrechung und manuellen Neustart.

Der variable Streamline-Betrieb der Werkzeugmaschine kombiniert mit einem interpolierten Vektor erzeugt eine glattere Oberfläche beim Fräsen von Blattflächen in einem einzigen Werkzeugpfad. Die Maschine wechselt von quadratisch-zu-rund-Bearbeitung zu den extremen Winkelpfaden, die für die präzise Bearbeitung der Blattinnenbereiche nötig sind. Der einzelne Blattflossen-Anteil des Programms wurde automatisch erfasst, sodass ein Step-and-Repeat-Programm aufgebaut werden konnte.

Die Simulation jedes Blattflossen-Schnittpfads erfolgte sowohl in NX CAM als auch im CNC-Programm. Dieser vektorisierte Programmieransatz ist auf jede Maschine mit vergleichbaren Ergebnissen übertragbar, so Randy Pearson und Matthias Leinberger, PLM Director of Business Development bei Siemens: „Genau weil die Maschinenkinematiken bekannt sind, kann dieses Programm, einmal erstellt, auf mehrere Maschinen innerhalb derselben Anlage oder in Werkstätten weltweit übertragen werden, alle durch die Steuerung verbunden. Es gibt totale Kontinuität zwischen Operationen, Datenerfassungsprotokoll und Feedback für die Produktionsanalyse.“

Beide Projekte wurden mit dem neuen CELOS an Bord der DMG Mori Maschinen durchgeführt. CELOS erleichtert die Interaktion zwischen Bediener und Maschine. Es bietet zahlreiche Apps für den sofortigen Abruf aktueller Bedingungen, vollen Datenvergleich durch Link zu CAD- und CAM-Produkten, volle Schnittstelle zum ERP-System des Kunden für Logging und Analyse mit In-Prozess-Fernjustage. Für diese Luftfahrtkunden wird auch interaktive Kommunikation zu einem globalen Produktionsnetzwerk bereitgestellt.