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NC-Simulation und Shop Floor-Digitalisierung

Digitale Zwillinge für die CNC-Fertigung

CNC-Fertiger müssen immer flexibler auf Kundenanforderungen reagieren. Dabei helfen durchgängige und vernetzte Prozesse von der Konstruktion bis zur Fertigung. Ein digitaler Zwilling für Werkzeugmaschinen liefert die Basis für präzise Simulationen. Doch an die erforderlichen Daten kommt man oft nicht so ohne weiteres heran.

NC-Simulation und Shop Floor-Digitalisierung - Digitale Zwillinge für die CNC-Fertigung

Bild: geralt/pixabay.com

Immer kürzere Entwicklungszeiten und schnellere Modellwechsel prägen die Anforderungen in der spanenden Fertigung. Doch die Realität im Shop Floor hinkt oft hinterher. Am Anfang stehen Produktvorgaben und Design, CAD-/CAM-Programme bilden dabei den Standard, sind aber meist abgekoppelt von der Fertigung. Innerhalb der Programme laufen Prüfungen nur auf Basis interpolierter – nicht der tatsächlichen – Maschinenbewegungen ab. Kollisionen lassen sich dadurch nicht sicher ausschließen, weshalb neue Programme an der Maschine nur mit stark gedrosselter Geschwindigkeit eingefahren werden können. Die folgenden Abstimmungs- und Änderungsschleifen zwischen Bediener und Programmierer nehmen mehrere Stunden bis zu Tagen in Anspruch – und in dieser Zeit kann die Maschine nicht produktiv genutzt werden. Michael Hüttl, Consultant Anwendung und Entwicklung bei Spring Technologies, verweist auf eine weitere Hürde: Die im Entwurf vorgesehenen Produktionsmittel wie Werkzeuge oder Spannvorrichtung stehen oft gar nicht zur Verfügung. „Gut 30 Prozent der Rüstzeit verbringen die Einrichter mit der Bereitstellung der benötigten Komponenten“, schätzt Hüttl. An den Mitarbeitern liegt es nicht, im Gegenteil. Wenn es trotz technischer Hürden noch immer gut läuft in der CNC-Fertigung, ist das zum großen Teil dem Erfahrungswissen der Maschinenbediener und Fertigungsplaner zu verdanken. Das Problem sind vielmehr die althergebrachten Prozesse, Medienbrüche, fehlende Schnittstellen und Vernetzungen.

Digitales Abbild für Maschinen

Besser wären durchgehende, vernetzte Prozesse vom Design und CAD/CAM bis zum fertigen Produkt – reproduzierbar, visualisierbar, teilbar auf einer Datenplattform. Bei der Umstellung auf eine solche Prozesslandschaft sollten Zerspaner dem Software-Hersteller Spring Technologies zufolge beim Fertigungsprozess an der Maschine anfangen. Dafür hat das IT-Unternehmen eine Simulationslösung auf Basis der tatsächlichen Maschinendaten im Portfolio, eine Werkzeugdatenverwaltung mit 3D-Funktionen sowie eine übergreifende Dokumentation. Die Simulation setzt ein genaues virtuelles Modell der realen Maschine voraus. Viele Anwender überrascht, wie umfangreich die Datenbasis dafür ist: Nicht nur 3D-Modelle der Maschinen und Zubehörteile (im Format Step AP214), auch Archivdateien, technologische Daten wie Verfahrwege, Zeiten für Werkzeugwechsel, Beschleunigung, Verzögerung, kundenspezifische Ergänzungen in der Maschine, Bearbeitungszyklen, Unterprogramme und Makros fließen in die Berechnungen ein. Senior Consultant Mike Weißenborn erklärt das Konzept: „Für eine realistische Simulation müssen wir zunächst jede Maschine Eins-zu-eins abbilden.“ Zwar würden meist 3D-Daten von Herstellern zur Verfügung gestellt, jedoch in zu komplexer und nicht simulationsgerechter Form. „Zudem werden Maschinen so gut wie immer auf Kundenwunsch mit speziellen Optionen geliefert. Deshalb extrahieren wir die Steuerungsdaten der tatsächlichen Maschine beim jeweiligen Kunden vor Ort“. Der Aufwand lohnt sich, denn langwierige Vorbereitung und vor allem Kollisionen kommen kaum noch vor, bis zu 90 Prozent der Rüstzeit könnten Anwender einsparen, schätzt der Software-Hersteller. Bereits beim Laden werden automatisch die Technologiedaten und die Durchführbarkeit auf der Maschine überprüft. Die anschließende Simulation prüft nicht nur sicher auf Kollision, sondern analysiert auch Feinheiten wie Oberflächengenauigkeiten, Einhalten der Werkzeugbahnen oder wie sich die Schnittkräfte auf die Werkzeuge auswirken. Die Bearbeitung kann auf Knopfdruck optimiert werden. „Wir können so den realen Workflow vollständig und im 3D-Format abbilden- aber dafür brauchen wir die virtuelle Maschine, den digitalen Zwilling“, ergänzt Michael Hüttl. Dass in der Fabrik der Zukunft solche Digital Twins verbreitet sein werden, glauben 43 Prozent der für eine Bitkom-Studie befragten IT-Dienstleister. Einen digitalen Zwilling einzurichten, fiele mit umfangreicheren und simulationsgerechten Maschinendaten von ihren Herstellern deuitlich leichter.

Werkzeugverwaltung in 3D

Bei den Werkzeugdaten sieht es schon etwas besser aus. Hier gibt es bereits große Datenbanken und etablierte Standards. Mit Mastermodellen nach DIN4003 und ISO13399 und den entsprechenden Schnittstellen wie etwa zur Datenbank Tools United knüpft die 3D-Werkzeugdatenbank von Spring Technologies daran an. Für die Anwender sind vor allem zwei Dinge wichtig: der Pflegeaufwand und die schnelle Auffindbarkeit. Dazu tragen eine automatische Importfunktion sowie die vordefinierte, auf Wunsch auch anpassbare Datenstruktur bei.

Digitale Zwillinge für die CNC-Fertigung: Die NC Simulation prüft nicht nur sicher auf Kollision, sondern kann im Rahmen einer weitergehenden Optimierung das NC Programm auch hinsichtlich Luftschnitte und Vorschub optimieren und eine schnellere Bearbeitung erzielen.

Bild: Spring Technologies GmbH

Dokumentationen verwalten

Dokumentationen werden in den Programmen automatisch und in Echtzeit erstellt, manuelles Einpflegen ist nicht notwendig. Die Daten sind durchgehend für alle Berechtigten verfügbar, ob als 3D-Film, Abbildung oder per Protokolldatei. So kann beispielsweise bei einem Folgeauftrag Monate später sofort eingesehen werden, auf welcher Maschine, mit welchem Rohteil und mit welchen Spannmitteln gefertigt wurde, inklusive Stücklisten für Fertigungsplanung und Einkauf. Bediener können einzelne Situationen per Screenshots festhalten, mit Bemerkungen ergänzen oder Bemaßungsskizzen erstellen. Anpassungen lassen sich an der Maschine vornehmen und simulieren.

Prüfen mit Alternativwerkzeug

Maschinenwechsel per Knopfdruck ermöglichen flexibles Umplanen und optimale Auslastung des Maschinenparks. Durch die Werkzeugverwaltung finden die Einrichter zügig das benötigte Werkzeug – oder eine Alternative. Es kommt nämlich gerade bei Projekten im Automobilbau häufig vor, dass die geplanten Werkzeuge noch gar nicht geliefert wurden, so wie auch Anlage- und Prozess-Layout noch nicht feststehen, schildert Weißenborn: „In der Werkzeugdatenbank kann man dann nach alternativen Produktionsmitteln suchen und so trotzdem schon mit der Prüfung beginnen.“

Die Fertigung früh im Blick

Auch Designer und Programmierer können in den Softwaresystemen Fertigungsabläufe und Werkzeugbestand einsehen. Der Datenaustausch ist bidirektional angelegt. Wurde das NC-Programm verbessert, lässt es sich über die Werkzeugdaten auch im CAM System einlesen. Die Berechtigungen können Anwender selbst einstellen und Freigabeprozesse festlegen. Insgesamt kann somit bereits eine hohe Durchgängigkeit der Prozesse von der Konstruktion bis zur Fertigung erreicht werden, wie Michael Hüttl einschätzt. Sein Wunsch an die Hersteller der CAD/CAM-Lösungen: Eine deutlichere Orientierung an den Standards, denn dann ließe sich der Arbeitsaufwand beim Datenaustausch noch einmal erheblich verringern.

Digitale Zwillinge für die CNC-Fertigung: Durchgehende, vernetzte Prozesse bis zum fertigen Produkt: Grundlage ist die NC Simulation auf Basis der tatsächlichen Maschinendaten, basierend auf einer bidirektionalen Datenbank.

Bild: Spring Technologies GmbH

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