Qualität beschleunigen: Top-CAD/CAM-Lösungen für überlegene Bauteile

Die ewige Frage in der Fertigung mit CAD/CAM-Software: Wie helfen wir Fertigern, Teile schneller, günstiger und besser herzustellen – immer? Mit den neuesten CAD/CAM-Releases verfeinern Entwickler ihre Angebote durch generative Design-Fähigkeiten, mehr Automatisierung häufiger Shopfloor-Prozesse und mehr Tools für den aufstrebenden Bereich der additiven Fertigung.

Zudem werden Simulationen kritischer: Hochkomplexe Mehrachsmaschinen erfordern präzise Berechnung von Werkzeugmaschinenelementen, um katastrophale Kollisionen beim Zerspanen zu vermeiden – eingebaute Visualisierungsfunktionen in CAD/CAM sind daher hochbegehrt.

Generative Design und additive Fertigung drängen schnell in den Vordergrund. „Wir sehen mehr Anwendungen für additive Fertigung, neue Materialhandling-Fähigkeiten, gesteigerte Maschinenkapazität und -leistung“, so Paul Brown, Senior Marketing Director NX Product Engineering bei Siemens Digital Industries Software (Plano, TX). „Das erhöht die Anforderungen an CAD-Technologien, damit Ingenieure neue Designs erkunden und die Leistungsfähigkeit und Flexibilität neuer Fertigungsmethoden nutzen können.“

Unternehmen wollen ihre Design-zu-Fertigungs-Zyklen weiter straffen. Anhaltendes Interesse an Design for Manufacturability (DFM), Prüfung zur Erhöhung der Vertrauenswürdigkeit, dass Designtes auch gefertigt werden kann, so Brown.

Der generative Ansatz

Generatives Design beschleunigt und verfeinert den Designprozess – Teile werden effizienter designed und leichter fertiger.

„Unter größerem Druck denn je, bessere Produkte schneller und günstiger zu liefern, wird die Notwendigkeit kritisch, Design- und Fertigungsprozesse zu vernetzen und zu automatisieren, um Iterationen, Fehler und Lieferzeiten zu reduzieren“, sagt Sanjay Thakore, Business Strategy Manager Fusion 360 Go-to-Market Strategy bei Autodesk Inc. (San Rafael, CA).

„Die Konvergenz von Industrie und neuer Fertigungstechnologie schafft neue Automatisierungsmöglichkeiten. Komplexe Design- und Engineering-Herausforderungen lassen sich mit generativer Designtechnologie – wie in Autodesk Fusion 360 – zu einem Bruchteil der Kosten traditioneller Designprozesse lösen.“

Generatives Design ist ein Erkundungstool, das simultan mehrere CAD-fähige Lösungen basierend auf realen Fertigungsrestriktionen, Produktleistungsanforderungen und Kostenvorgaben generiert. „Ingenieure können den Designraum durch Betrachtung mehrerer Materialien und Fertigungsmethoden erkunden und die Option wählen, die Performance und Kosten optimal ausbalanciert.“

Einige Firmen beginnen, generative Ansätze für Designprobleme zu nutzen, so Brown von Siemens. „Das eröffnet mehr Möglichkeiten, alternative Formen und Materialien zur Problemlösung zu erkunden. Die Herausforderung: Integration in traditionelle Prozesse. Mit Convergent Modeling haben wir die Technologie, generative Designs – Resultate aus Simulation und Optimierung – als Kernmodellgeometrie zu nutzen, kombiniert mit traditionellen Modellierungs- und Fertigungstechniken.“

Additive Fertigung treibt dies weiter an, da sie Formen und Ansätze ermöglicht, die traditionell nicht machbar sind – wie Gitterstrukturen, die Bauteilgewicht drastisch reduzieren bei Erhalt mechanischer Eigenschaften wie Steifigkeit.

„Integrierte CNC-Programmierfähigkeiten sind kritisch für Fertigteile, was die Industrialisierung additiver Fertigung ermöglicht. Diese integrierten Technologien erweitern sich schrittweise vom Prototyp in die Serienfertigung – da liegt Siemens' Fokus. Wir schauen, wie wir AM im industriellen Maßstab ermöglichen, von Losgröße 1 bis 1.000.“

Generative Design-Techniken erzeugen hochorganische Formen, so Alan Levine, Managing Director Open Mind Technologies USA Inc. (Needham, MA), Entwickler von hyperMILL CAD/CAM. „Diese Formen lassen sich mit traditionellem Fräsen oder additiven Verfahren fertigen. Bei additiver Fertigung wird Fräsen oft als Nachbearbeitung für gewünschte Oberflächenqualität genutzt.“

Überlegene Oberflächengüte erfordert präzise CAM-Einstellungen, hochwertige Werkzeughalter und präzise Werkzeugmaschinen. „Die meisten CAM-Systeme nutzen ein angenähertes Mesh auf der Modell-Oberflächentopologie – Vorteil: einheitlicher Berechnungsprozess unabhängig davon, wie CAD-System oder -Übersetzer Oberflächenentitäten definieren.“ Open Mind fügte kürzlich ein Hochpräzisionsmodell hinzu, das direkt auf Bauteiloberflächen maschiniert und so Oberflächenqualität verbessert.

Additives rasantes Wachstum

Neue Techniken für additive Anwendungen wachsen rasant, besonders in CAM-Systemen für gerichtete Energie (Pulver oder Draht) Deposition, so Levine. „Einige CAM-Anbieter adressieren dieses Marktpotenzial mit neuer additiver Strategie oder modifizierten Techniken aus Pulverbett-Systemen. Letztere limitieren irgendwie die Werkzeugbahnstrategien. Open Mind entwickelte einen additiven Programmierprozess, der nahezu alle Fräs-Werkzeugbahnen für additive Fertigung adaptiert und die Extra-Technologie für diesen Markt umfasst. Nutzer erhalten Freiheit, Programmierprozesse inkl. 2D/3D-Werkzeugbahnstrategien und 5-Achs-Steuerung bei Bedarf zu erstellen.“

Additive und hybride Fertigung (additiv und subtraktiv auf derselben Maschine) gewinnen an Beliebtheit. Grund: Die meisten additiven Metallprozesse liefern keine geeignete Oberflächengüte. Hybridlösungen ermöglichen Fräsfinish auf derselben Maschine und im selben Setup, das die additiven Bereiche erzeugte.

„Diese Maschinen interessieren Endanwender. Open Mind ist aktiv in additiven Fertigungsprozessen basierend auf gerichteter Energie Deposition“, sagt Levine. Nutzung umfasst Demos mit Maschinenpartnern, Uni- und Forschungsaktivitäten sowie frühe industrielle Anwender für additive und hybride Metallbearbeitung.

„Der additive Fertigungstrend führt uns zu hybriden CAM-Systemen“, sagt Chuck Mathews, EVP bei DP Technology Corp. (Camarillo, CA), Entwickler von ESPRIT CAM. „Beispiel: ESPRIT Additive für Direct Energy Deposition ist im vollumfänglichen ESPRIT CAM verfügbar – Programmierung, Optimierung und Simulation für additive und subtraktive Prozesse in einer integrierten Lösung.“

ESPRITs Additive App bietet Programmierung für Multitasking-, Multifunktions-, Multikanal-, Dreh-Fräs-, additive und subtraktive Werkzeugmaschinen. Additive und subtraktive Prozesse werden in einer Oberfläche gemeinsam programmiert, optimiert und simuliert.

Additive Techniken finden Eingang in nahezu jedes CAD/CAM-Produkt, da additive Fertigung Designfreiheit bietet, die subtraktive Methoden nicht kennen.

„Diese neuen Techniken eröffnen innovative Wege, Teile zu erstellen, die früher unmöglich waren“, sagt Ben Mund, Senior Market Analyst bei CNC Software Inc. (Tolland, CT), Entwickler von Mastercam. „Kombiniert man hochpräzise Oberflächen aus subtraktiver Fertigung mit additiven Techniken, erreicht man das Beste aus beiden Welten.“

CAD/CAM-Software muss Ingenieure befähigen, additive Prozesse so zu steuern wie subtraktive – mit ähnlichen Tools. Mund nennt Features wie Stützmaterial, graduierte Materialdefinition, 3D-Nesting und optimierte Bauteilorientierung, um alle Aspekte des Fertigungsprozesses zu kontrollieren.

„Additive Fertigung ist Teil unserer DNA bei 3D Systems, und wir sehen viel Side-by-Side und integrierte additive/subtraktive Fertigung in der Industrie“, sagt Daniel Remenak, Product Manager GibbsCAM bei 3D Systems Inc. (Rock Hill, SC). „Da diese Workflows häufiger werden, steigen Kundenerwartungen an Programmiersoftware, die diese Technologien effizient verknüpft. Unser 3DXpert-Produkt fokussiert primär additive Workflows, nutzt firmengruppenweites CAD-Know-how für Support- und Gittergenerierung und subtraktive Bearbeitungsexpertise für fortschrittliche Slicing-Engine und Post-Print-Bearbeitung.“

Das GibbsCAM-Team arbeitet seit Jahren mit CNC-Maschinenherstellern und Forschern an dedizierten Techniken für hybride subtraktive und deposition-additive Maschinen.

Strategien für schnelle Produktion

Das „Brot und Butter“ der Zerspanung liegt in der Automatisierung häufig genutzter Funktionen für Shopfloor-Anwender, die schnelle, präzise Ergebnisse brauchen, um Teile in hoher Qualität, oft in hohen Volumen, termingerecht zu fertigen. Schlüssel dazu: In-CAD-Simulationen, die Shops am Laufen halten, indem sie sicherstellen, dass Teileprogramme korrekt laufen – ohne kostspielige Kollisionen – und der eher unspektakuläre Bereich „CAD für CAM“, der Nutzern die Nuts-and-Bolts-Optionen gibt, um Teile schnell herzustellen.

„Der Hauptfokus all unserer CAD-Funktionen und -Erweiterungen basiert auf ‚CAD für CAM‘ – das Teil fertigungsreif machen. Das ist Ziel Nr. 1. Ob Nutzer ein komplexes Teil von Grund auf in Mastercam erstellt oder Problemzonen eines in einem anderen CAD-System erzeugten Teils analysieren und reparieren muss: Unser Wireframe-, Surfacing- und Solid-Tool-Suite macht alles maschinenreif ohne Verzögerung.“ – Ben Mund, CNC Software

Mehrere Faktoren beeinflussen CAD/CAM-Design: Innovation, Kostensenkung, Time-to-Market, Effizienzsteigerung. „Wir hören ständig auf Kundenbedürfnisse zu ihren Teilen und Problemen, um neue Tools zu entwickeln, die mehr im Mastercam-CAD-Tool-Suite möglich machen. Je schneller ein Nutzer ein neues Teil erstellen oder ein importiertes bearbeiten kann zur Unterstützung der Fertigung, desto schneller kann es programmiert und auf die Maschine kommen.“

Time-to-Market ist entscheidend. „Viele Anpassungen lassen sich in Mastercam mit unseren CAD-Tools machen, was Zeit und Kosten spart, das Teil zurück zum ursprünglichen CAD-System zu schicken. CAM-Programmierer können Änderungen vornehmen, die den Zerspanprozess unterstützen – ob Vorrichtung designen, temporäre In-Prozess-Geometrie erstellen oder Probleme in der ursprünglichen CAD-Datei reparieren.“

„Effizienz bedeutet, all unsere Tools auf das Ziel auszurichten: Teil fertigungsreif machen – Wireframe, Surfaces, Solids arbeiten zusammen für diesen einen Zweck. Schließlich zählt Konnektivität: Teile aus jedem CAD-Modellierer lesen, der Industriestandards wie IGES, STEP und gängige proprietäre Formate wie SAT, DXF, DWG, X_T usw. unterstützt. Zudem: CAD-Modell in Mastercam-Teildatei ist mit CAM-Information assoziiert – Modell ändern, Werkzeugbahnen wissen Bescheid und lassen sich einfach aktualisieren ohne Neuanfang.“

Andere Anbieter verfolgen ähnliche CAD-für-CAM-Ansätze. „Open Mind hat hyperCAD-S Foundation (in hyperMILL) als CAD-für-CAM-Modul gestaltet. Beliebte CAD-Systeme bieten nicht immer die beste User Experience für CAM-Nutzer“, so Levine. „Fokus in hyperCAD-S: Funktionen vereinfachen, die ein CAM-System antreiben. Beispiele: Randauswahl, Flächenverlängerung, Filterauswahl wie koplanar/koaxial, Funktionen zum Heilen und Neuanpassen von Flächen.“

Open Mind ging weiter und bietet vordefinierte CAD-Utility-Sequenzen für CAM-Nutzer und innerhalb CAM-Strategien, ohne die zugrundeliegenden Selektionen.

„Beispiel Formenbau: Scharfe Kanten sind kritisch für Passung von Kern und Kavität, um Grat beim Spritzgießen zu vermeiden. Um saubere Kante zu erhalten und Werkzeugabrollen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, diese Flächen zu verlängern und den Fräser korrekt auf und ab dem Bauteil zu führen.“

Das hyperMILL Z-Level Shape Finishing Modul beinhaltet automatische Tangentialverlängerung, was diesen Prozess für den Nutzer strafft. Ergebnis: bearbeitete Flächen und Kanten ohne aufwendige Selektionen und Extra-Schritte in der CAM-Programmierung.

Bei komplexer 5-Achs-Bearbeitung sind Simulationen Pflicht, und In-CAD-Simulationen werden populärer gegenüber teureren Drittanbieter-Simulationen. „Wir sehen starke Trends zu komplexen Multitasking-Maschinen und vermehrtem Einsatz und Vertrauen auf Maschinensimulation“, so Remenak von GibbsCAM. „Werkstätten fokussieren Software mit bester Programmierteffizienz, höchster On-Machine-Produktivität, stärksten Validierungstools mit bewährten, zuverlässigen Postprozessoren.“

Postprocessing vermeidet Umwege

Ohne gutes Postprocessing oder vollständiges CAD/CAM, das mit anderer Fertigungssoftware zusammenarbeitet, landen Nutzer in unvorhergesehenen Umwegen. „Was ein CAM-System ‚gut‘ macht, ist nach unserer Meinung die Qualität seines Postprozessors und der technische Support des Anbieters“, sagt Mathews von DP Technology. „Wenn Programmierfragen schnell und präzise beantwortet werden und das System guten Code produziert, wird Programmierung vereinfacht, Maschinenauslastung steigt, Rüst- und Zykluszeiten sinken.“

DP Technology strebt besten Postprocessing und Support an. „ESPRIT-Strategie: eng mit Maschinenherstellern zusammenarbeiten und einen Digital Twin jedes CNC bauen, inklusive werksentwickelter Postprozessoren für maschinenoptimierten, edit-freien G-Code.“ DP Technology sichert ESPRIT durch werksdirektes Training und technischen Support für nordamerikanische Kunden durch dediziertes Team von ESPRIT-Applikationsingenieuren.

One-Stop-Shopping

Komplettpakete ziehen Nutzer an, die One-Stop-Shopping in CAD/CAM suchen – Kombination mit Inspektion und Messtechnik oder mit PLM, ERP und MES.

„Einer der neuesten Trends von Kunden und Interessenten: Bedarf an kompletten Fertigungslösungen, nicht nur CAD/CAM-Software“, sagt Nick Spurrett, Regional Director Americas, Production Software, Hexagon Manufacturing Intelligence (North Kingstown, RI). „Anfragen reichen von MES-Lösungen bis hin zu vollständiger Werkzeugmaschinen-Verifikation. Mit NCSIMUL und WORKPLAN richtet Hexagon Production Software das Business darauf aus.“

Hexagon Manufacturing Intelligence zeigte kürzlich Demos seiner Digital-Production-Lösungen im Production Software Portfolio – bestehend aus mehreren CAD/CAM-Titeln von Vero Software (vor paar Jahren von Hexagon übernommen), plus NCSIMUL (High-End-Simulation und -Verifikation) sowie Hexagons traditionellen Inspektionslösungen.

„Wir entwickeln alle Fertigungsprodukte weiter: schnellere Werkzeugbahnerstellung, Waveform-Strategien im gesamten Produktset. Auch Advanced Toolform Technology mit Einführung von 5-Achs-Bearbeitung für jede Werkzeugform – Barrel, Oval, Parabel oder beliebige Form, berechnet über Bauteiloberflächen inkl. negativer Offsets (Zulagen).“

„Design for Manufacturing ist eine der Schlüssellösungen der letzten 12 Monate. Wir bieten CAD für CAM / CAD für Werkzeugmaschinen für Firmen, die CAD-Daten nutzen wollen – oder in CAD-Umgebung arbeiten, die Werkzeugmaschine/CNC-Programmierer nutzen können, weil sie genau die Funktionalität für Fertigung bietet. Direct Modeling erlaubt direkte Geometrieänderung durch Ziehen/Schieben von Modellstücken nach Bedarf.“