Teilehandling beschleunigen: Wie CAD/CAM-Software Rüstzeiten verkürzt und Effizienz steigert

Software-Fortschritte fokussieren auf Werkzeugbahn-Verbesserungen, Reduzierung der Rüstzeiten, Integration mit digitalen Werkzeugbibliotheken und Verbesserung von Maschinen-Simulation, Verifikation und Analysetools

Fragt man fast jeden CAD/CAM-Anbieter, woran sie arbeiten, wird man hören, dass es heute dasselbe ist wie vor fünf Jahren und dass es in fünf Jahren dasselbe sein wird: Das Teil so schnell wie möglich auf die Maschine bringen und so schnell wie möglich wieder herunter. Hier ist der aktuelle Stand in diesen beiden Hauptbereichen.

In den letzten Jahren gab es verschiedene Änderungen an CAD/CAM-Software, um Effizienz zu steigern und Rüstzeiten zu verkürzen. Aber „es gibt keine Silver Bullet“, wie Vyncent Paradise, Director of Product Development für NX CAM bei Siemens PLM Software (Plano, TX), es ausdrückte. Er verwies auf Automatisierung als wichtigste Hilfe, einschließlich der Nutzung vorgefertigter Templates sowie der vermehrten Nutzung von Product and Manufacturing Information (PMI) innerhalb von CAD-Dateien.

„Wir versuchen immer, mehr Informationen in den CAD-Modellierungsprozess einzubringen, die nachgelagert in der CAM genutzt werden können, wie Toleranzen und Oberflächenanforderungen“, erklärte Paradise. „Und wenn man das intelligente digitale Modell lesen kann, kann man es nutzen, um Bearbeitungsmethoden basierend auf der geforderten Toleranz automatisch auszuwählen.“

Alan Levine, Managing Director von Open Mind Technologies USA (Needham, MA), bekräftigte den Wert der Automatisierung der CAM-Programmierung durch Makros, die die Best Practices eines Betriebs speichern. „Angenommen, Sie bohren Ihre Tieflochbohrungen auf eine bestimmte Art, mit verschiedenen Pecking-Schritten und Vorschüben. Wir machen es einfach, diese Prozesse als Makros zu speichern, damit der Programmierer nicht ständig diese Schritte durchlaufen muss“, sagte er. Die Software von Open Mind hilft Anwendern auch, die Makros zu kategorisieren, sodass sie leicht zu finden und anzuwenden sind. Zudem automatisiert ein Programming-Assistant-Modul bestimmte Rüstaufgaben, die von Betrieb zu Betrieb unterschiedlich, aber innerhalb eines gegebenen Betriebs allgemein standardisiert sind – wie das Setzen des Nullpunkts.

Das hyperCAD-S-Modul in Open Minds hyperMILL-Software beschleunigt CAD-orientierte Aufgaben für NC-Programmierer, indem es die Auswahl von Punkten, Kurven, Flächen, Volumenkörpern oder Polygonnetzen erleichtert. Levine sagte, Elemente könnten schnell hinzugefügt, gelöscht, modifiziert, angezeigt oder ausgeblendet werden, und alle Funktionen seien auf die Aufgaben von NC-Programmierern zugeschnitten. Darüber hinaus umfasst das Modul die Positionierung von Spannvorrichtungen, was die Anpassung an die jeweils bearbeitete Werkstückseite ermöglicht. So können Elemente wie Spannbacken linear oder radial in die optimale Position bewegt werden.

In ähnlicher Weise merkte Mark Gadsden, Manager of Product Marketing für PowerMill und FeatureCAM bei Autodesk (San Rafael, CA), an, dass Anwender von FeatureCAM eine Maschine nicht Stufe für Stufe programmieren müssen; stattdessen programmieren sie sie mit alltäglichen Werkstattbegriffen wie „drehen“, „bohren“, „schrauben“ usw. „Es verfügt über ausreichend Intelligenz, um Bedürfnisse und Anforderungen aus solchen Begriffen zu erkennen und automatisch die richtigen Drehzahlen und Drehmomente zu übernehmen, ohne zeilenweise instruiert werden zu müssen.“

Gadsden verwies auch auf FeatureCAMs Directed Automated Feature Recognition (DAFR)-Fähigkeit, die „Löcher, Zapfen, Seiten und Taschen in einem einzigen Workflow automatisch erkennt, was schnelleres Programmieren ermöglicht. Während Standard-AFR das Modell in der aktiven Z-Achse schneidet und auf dem Weg nach unten vollständige Features erzeugt, erlaubt DAFR dem Anwender, die gewünschten Features noch vor Beginn der Erkennung auszuwählen. Es minimiert die Programmierzeit und hilft, die Zykluszeit zu reduzieren. In einem Bruch mit der Konvention kann DAFR auch bei Drehprojekten eingesetzt werden. Es gibt Anwendern die Option, Indexwinkel zu wählen. Dies hilft, die Anzahl der Z-Achs-Bewegungen zu reduzieren und so das Schneiden zu beschleunigen.“

Daniel Remenak, Product Manager bei 3D Systems (Rock Hill, SC), sprach ebenfalls über Programmierhilfen, die über das Fräsen hinausgehen: „GibbsCAMs MTM-Produkt bietet eine vollständige Bearbeitungslösung für Mehrkanalmaschinen, die es ermöglicht, Fräsen, Drehen und andere Operationen über mehrere Spindeln hinweg zu programmieren, um alle Seiten eines Teils zu erreichen, und unterstützt Synchronisation und automatische Werkstückübergabe, was einrüstiges, unbeaufsichtigtes Bearbeiten ermöglicht. Ebenso bietet GibbsCAMs Tombstone Management System automatisiertes Teilelayout für einen oder mehrere Aufträge auf Tombstone-Spannvorrichtungen, sodass die Maschine voll ausgelastet ist, während der nächste Tombstone außerhalb der Maschine eingerichtet wird.“

Ben Mund, Senior Market Analyst bei CNC Software (Tolland, CT), Entwickler der Mastercam-Software, merkte an, dass die meisten Betriebe Teildateien von verschiedenen Kunden in verschiedenen Formaten erhalten. „Ein großer Teil unseres Fokus lag daher auf der Erstellung von CAD-Werkzeugen für Zerspaner, die darauf ausgelegt sind, ein Teil vorzubereiten und schneller auf die Maschine zu bringen. Dinge wie Lochfüllung, Spannvorrichtungserstellung und Reparatur von Flächen oder Volumenkörpern kommen oft beschädigt oder unvollständig an.“ Mund fügte hinzu, dass Zerspaner oft mit Situationen konfrontiert sind, die der Konstrukteur beim Modellieren des Teils möglicherweise nicht bedacht hat – ein weiterer Anreiz, dem Zerspaner spezialisierte CAD-Fähigkeiten zu geben.

Simulieren oder ignorieren

Die dreidimensionale Bearbeitungssimulation war eine enorme Programmierhilfe und wird immer besser. Nehmen Sie die Simulation des kompletten Werkzeugmaschinen-Systems, einschließlich Roboterbeladung und sogar des Logos an der Schiebetür. Aus rein bearbeitungstechnischer Sicht mag das nicht notwendig sein, aber wie Mund beobachtete:

„Der Bediener wird ein Werkzeug durch einen Metallklotz fahren. Alles, was Sie tun können, um sein Vertrauen in die Genauigkeit zu stärken, ist gut. Und es ist ein großartiger Weg, Vertrauen in die Verifikation als Ganzes zu schaffen.“ Er fügte hinzu, dass bei komplexen Mehrkanalmaschinen die Simulation jedes Details wichtig wird, weil es sonst für den Programmierer schwierig ist, Kollisionen vorherzusehen und zu vermeiden.

Remenak stimmte zu, dass CAM-Anbieter den Umfang der Simulation erweitern, „da Programmierer präzise Simulation für neue Bearbeitungsarten fordern, wie Wälzdrehen, Gewindewirbeln und Polygondrehen, Stoßen oder sogar additive Metallauftragsprozesse.“

Siemens' Paradise machte die interessante Beobachtung, dass „CAM-Systeme schon lange viel mehr über den Werkzeugweg wussten, als wir den Programmierern zugänglich gemacht haben. Aber in den letzten Jahren haben wir begonnen, viel mehr Werkzeugweginformationen anzuzeigen.“ Beispiele sind die Anzeige des Werkzeugwinkels, der Dicke des Restmaterials und die Anzeige von Problemen, die den Programmierer direkt an die betreffende Stelle führen.

„Das alles klingt sehr offensichtlich, ist aber ziemlich neu“, stellte er fest. „Diese Dinge können für einen Programmierer, der versucht zu verstehen, was vor sich geht, oder der eine herausragende Oberfläche erzielen will, recht wichtig sein.“ Und während automatische Kollisionserkennung ein gängiges Attribut in CAM-Paketen war, machten sie es nicht immer einfach, herauszufinden, wo und warum. Paradise sagte, das ändere sich. „Wir geben den Anwendern genauere Informationen darüber, was vor sich geht, um ihnen zu helfen, bessere Bearbeitungsoperationen zu erstellen.“

Mund von CNC Software fügte hinzu, dass Farbcodierung der Bewegung hilft. „Auf einen Blick können Sie Vorschübe und Drehzahlen, die Art der Bewegung oder die Art des verwendeten Werkzeugs sehen.“ Er teilte Paradises Ansicht, dass moderne CAM sowohl breite Werkzeugweganalysetools für Verifikation und das, was das Programm liefert, als auch Analysetools bietet, die es dem Programmierer erlauben, „hineinzugehen und ein Stück Bewegung auseinanderzunehmen und die Zahlen zu sehen, die es antreiben. Das wird seltener gebraucht, aber wenn, dann ist es wichtig, dass sie es haben.“

Umgekehrt ist es manchmal am besten, nicht alles genau so anzuzeigen, wie es ist. Mund sagte, der Übergang von CAD zu CAM könne unterstützt werden, indem man dem Zerspaner die Möglichkeit gibt, ein Feature vorübergehend zu unterdrücken – wie einen Radius an einer Teilecke –, um die Bearbeitung zu erleichtern.

Laut Paradise gibt es auch Zeiten, in denen es hilft, den Detailgrad des CAD-Modells zu reduzieren, während man dem CAM-Programm dennoch sagt, Features in diesem Bereich zu bearbeiten. „Ich spare Modellierzeit. Ich spare Dateigröße. Und ich automatisiere meine CAM. Alles im selben Prozess.“ Dieses letzte Beispiel erinnert daran, dass Siemens PLM wie Autodesk ein komplettes CAD/CAM-Paket mit NX anbietet.

Schließlich argumentierte Paradise, dass nicht alle CAM-Simulationen gleich genau und nahtlos sind. „Wir treiben unsere Simulation innerhalb von NX CAM mit dem endgültigen G-Code, der an die Werkzeugmaschine geht. Die Nachbearbeitung ist direkt in das System integriert. So generiert das System sofort nach dem Programmieren eines Pfades G-Code und wir nutzen diesen G-Code, um die Simulation anzutreiben.“

Paradise sagte, die meisten CAD/CAM-Pakete nutzten ein Drittprodukt für die Bearbeitungssimulation. „Sie müssen G-Code aus Ihrem Postprozessor exportieren und in ein anderes System importieren. Und Sie müssen Ihr Maschinenmodell, die Spannvorrichtungen und Schneidwerkzeuge in diesem System ebenfalls replizieren. Dann führen Sie Ihre G-Code-getriebene Simulation dort durch. Und wenn es eine Designänderung oder ein Problem gibt, müssen Sie zurück zu Ihrem CAM-System, eine Änderung vornehmen und den Zyklus erneut durchlaufen. Wir sind einzigartig darin, all das on-the-fly innerhalb von NX CAM zu erledigen.“

Teile runter

Die Fähigkeit, den optimalen Vorschub basierend auf einer volumetrischen Analyse des Materials direkt vor dem Schneiden automatisch zu programmieren, ist vielleicht das heißeste Thema im Bestreben, Zykluszeiten zu drücken. Jeder CAM-Anbieter bietet die Fähigkeit an, mit unterschiedlichen Namen und Variationen in den Operationen und Achsenkonfigurationen. In Mastercam heißt es Dynamic Motion, weil, wie Mund erklärte, die Software „ständig den Werkzeugeingriff ändert, damit die Spanlast konstant bleibt.“

Ein einfaches Beispiel: Auf einer Geraden schnell fahren und in der Kurve verlangsamen, während die alte Art, den Schnitt zu programmieren, darin bestand, einen Vorschub einzustellen, den das Werkzeug in der Kurve überlebt, und denselben Satz für den gesamten Umfang anzuwenden.

Das Ziel ist auch, so lange wie physikalisch möglich mit dem Werkstück im Eingriff zu bleiben, was die Technik sowohl vom konventionellen Schruppen als auch vom trochoidalen Fräsen unterscheidet, das einen Abschnitt des Teils schneidet und dann herumschleift, um einen weiteren kleinen Abschnitt zu schneiden. Von oben betrachtet können Dynamic Motions Werkzeugwege chaotisch wirken, während die Späne konsistent in Größe und Form sind. Es ist auch besser für das Werkzeug, da Aus- und Wiedereingriff zum Werkzeugverschleiß beitragen.

Mund fügte hinzu, dass ein weiteres Ideal darin besteht, so viel wie möglich von der Schneidoberfläche des Werkzeugs zu nutzen, tiefe axiale Schnitte zu fahren, „wobei der radiale Eingriff etwas flacher ist als beim konventionellen Fräsen. Es scheint kontraintuitiv, aber es ist viel schneller, einen tieferen axialen Schnitt mit flacherem radialen Eingriff zu fahren, als mit einer Reihe tiefer radialer Schnitte abzustufen.“

Mund räumte ein, dass die meisten CAD/CAM-Pakete eine ähnliche Technik haben und sagte, sie sei „in den letzten Jahren zur Standardmethode sowohl für komplexes Schruppen als auch für 2D-Schlichten geworden. Es ist so nah, wie wir an einen universell vorteilhaften Werkzeugwegtyp herangekommen sind. Wir haben Betriebe mit älteren Maschinen und nicht erstklassigem Werkzeug gesehen, die die Bearbeitungszeit um 50 bis 60 % reduzierten.“

Open Minds Ansatz war, das grundlegende VoluMill-Kit von Celeritive Technologies Inc. (Moorpark, CA) zu lizenzieren und eigene Methoden für Dinge wie Schichten für mehrere Tiefen, Sektionierung und Kollisionsprüfung hinzuzufügen. Angesichts der Anpassung wählten sie einen eigenen Produktnamen: Maxx Machining Schruppen.

Levine sagte, der einzigartigste Aspekt der Implementierung sei die Erweiterung auf Fünf-Achs-Bearbeitung. „Wenn Sie ein geformtes Bauteil wie eine Reifenform oder ein Flugzeugtriebwerksgehäuse haben, können wir es [mit] Fünf-Achs-Schruppwegen präsentieren. Wenn Sie traditionelles CAM auf einer gekrümmten Fläche wie einer Reifenform verwenden, machen Sie viele Z-Schnitte und enden mit vielen Stufen auf dieser Fläche. Wenn wir High-Performance-Schruppen in Fünf-Achs anwenden, morphen wir zur Form, lassen ein konstantes Material für den Schlichtweg. Der gesamte Prozess läuft besser und Sie können viele Zwischenschlichtschnitte einsparen.“

Mund sagte, Mastercam habe kürzlich Dynamic Motion zu Fünf-Achs-Schruppen und Drehen hinzugefügt, und Gadsden sagte, PowerMills neue „automatische Werkzeugachsen-Neigung … bietet eine einzige Lösung, die hilft, sanfte und sichere Fünf-Achs-Bewegungen für alle Modellformen und Werkzeugweg-Typen zu erzeugen, was es so einfach macht, Fünf-Achs-Programme zu erstellen wie mit Dreiachscode.“

GibbsCAM nutzt ebenfalls VoluMill, und Remenak schreibt ihm dramatische Verbesserungen bei Schnittzeit und Werkzeugstandzeit zu. Er fügte hinzu, dass „jüngste Fortschritte die Lektionen, die in diesen hocheffizienten Fräsalgorithmen gelernt wurden, aufs Drehen angewendet haben, und das Ergebnis ist eine neue Generation von Drehwerkzeugwegen wie VoluTurn, verfügbar in GibbsCAM 12. Diese neuen Drehwerkzeugwege bieten hohe Materialabtragsraten bei gleichzeitiger Reduzierung von Maschinen- und Werkzeugbelastungen, um Schnittqualität und Werkzeugstandzeit zu verbessern.“

Nicht-schneidende Zeit reduzieren

Natürlich minimiert moderne CAM auch die nicht-schneidende Zeit, indem sowohl Abhebehöhen als auch Abhebewege reduziert werden. „Abhebehöhe klingt nach einer Kleinigkeit, kann aber bei einem großen Teil einen großen Unterschied machen“, beobachtete Paradise. Er legt auch Wert auf die Wichtigkeit der Glättung sowohl von schneidenden als auch von nicht-schneidenden Wegen.

„Der einfache Weg, mit nicht-schneidender Bewegung umzugehen, ist, der Maschine zu sagen: anhalten, abheben, schnell zu einem Punkt über dem nächsten Bearbeitungsbereich fahren, wieder anhalten, herunterfahren und eingreifen. Das ist für ein paar Bewegungen in Ordnung, aber wenn es ein Teil ist, das Sie über längere Zeit bearbeiten, könnten das Tausende solcher Bewegungen an exakt denselben Positionen an der Mechanik sein, und das schadet der Maschine. Es ist auch langsamer. Die Berechnung der passenden Kurve und das Einbauen von Beschleunigung und Verzögerung an jedem Ende ist der beste Weg. Zum Beispiel hat ein großer Kunde kürzlich 10 % Zykluszeit an Hunderten seiner Maschinen eingespart, nur durch Glättung der nicht-schneidenden Wege.“

Das Glätten der nicht-schneidenden Zeit erfordert keine anspruchsvolle Steuerung oder teure Maschine. Es ist ein einfacher Weg, die Produktivität sogar einer wirtschaftlichen Maschine zu steigern. Und weil es auch den Verschleiß an der Maschine reduziert, erhöht es die Maschinenlebensdauer.

Weitere spannende Fortschritte

Weitere Verbesserungen umfassen den neuen 3D-optimierten Schruppzyklus in Open Minds hyperMILL, der für Anwendungen mit Hochvorschubfräsern (die flache Schnitte mit großen Überdeckungen fahren) verbessert wurde. Der Überdeckungsabstand kann aus der Schartenhöhe berechnet werden, gemessen an der Geometrie des Hochvorschubfräsers, und eine spezielle Werkzeugwegbewegung entfernt Restmaterial in Ecken, wenn eine große Überdeckung vorliegt.

Levine sagte, das Geheimnis liege in der präzisen Modellierung der Geometrie der Fräserunterseite, während „andere Software einen Hochvorschubfräser als Torusfräser mit Eckenradius approximiert. Die Unterseite eines Hochvorschubfräsers hat tatsächlich einen großen effektiven Radius, und wir modellieren ihn als solchen.“

Ein Vorteil ist die Möglichkeit, näher an Wände zu fräsen, weil die Software weiß, wo die Fräsergeometrie Platz lässt, während Simulationen, die den Fräser mit flachem Boden approximieren, Kontakt sehen, wo keiner ist. Levine fügte hinzu, dass die Modellierung des Fräsers auch bessere Berechnungen für den Abstand zwischen benachbarten Schnitten zur Kontrolle der Oberflächenqualität ermöglicht.

Eine weitere Open-Mind-Funktion, die nicht auf Hochvorschubfräser beschränkt ist, ist „intelligente Schnittteilung“. Wenn beispielsweise ein Abschnitt eines Werkstücks den Abzug von 4,1 Zoll (104 mm) Material erforderte und der Programmierer einen 1,0 Zoll (25,4 mm) Überdeckungsschritt spezifizierte, wäre der letzte Schnitt sehr dünn (und könnte noch dünner sein als in diesem Beispiel). Abgesehen von der Ineffizienz kann das Bearbeiten solcher Späne in manchen Materialien sehr nachteilig sein, sagte Levine. „Deshalb bieten wir diese Option an, die vorgeschriebenen Überdeckungen zu überschreiben, neu zu berechnen basierend auf der Gesamtzahl der Schritte, sodass jeder Schnitt gleich viel Material abträgt.“

Schließlich ermöglichen viele Unternehmen den Einsatz von „Kreissegment-Fräsern“ und anderen neuen konischen Laufwerkzeug-Designs. (Siehe „New Tool Designs Power Faster-Than-Ever Cutting“, ME Tooling & Workholding Ausgabe, Frühjahr 2018). Wie Levine erklärte, verfügen solche Werkzeuge über einen effektiven Radius von bis zu 1.500 mm, was Überdeckungsabstände von 6 und 8 mm für eine überlegene Oberflächengüte mit Zykluszeitreduktionen von über 90 % zur Realität macht. „Sie müssen den Fräser nicht wechseln, um angrenzende Bereiche wie abgerundete Innenkanten zu schlichten, und schwer zugängliche Bereiche können effizient und sicher bearbeitet werden.“

Gadsden sagte, sie hätten vor drei Jahren mit einem Kunden zusammengearbeitet, um die Fünf-Achs-Bearbeitung sehr komplexer Blisks mit Laufwerkzeugen zu optimieren, und konnten die Fräszykluszeiten von 200 Stunden auf 35 reduzieren. „Das ist eine Ersparnis von 83 %, und wir haben auch die Werkzeugkosten um 72 % gesenkt.“

Ein weiterer Verbesserungsbereich ist der 3D-Druck. Autodesks Gadsden hob die wachsende Verfügbarkeit von Maschinen hervor, die subtraktive und additive Prozesse kombinieren. „Diese Hybridmaschinen werden die Art und Weise, wie wir Teile fertigen, verändern, aber sie stellen eine Programmierherausforderung für CAM-Software dar, weil additive Prozesse nicht einfach subtraktive in umgekehrter Reihenfolge sind. Mit diesem Gedanken hat Autodesk spezialisierte Tools zu PowerMill hinzugefügt, um High-Rate-Additive-Fertigungsprozesse zu programmieren, zu steuern und zu simulieren.“