Mit Simulation prozesssicher fräsen

Nach Auffassung des Vorsitzenden des Metav-Komitees, Dr. Detlev Elsinghorst, wird es künftig in den produzierenden Unternehmen noch mehr darum gehen, Kundenwünsche bei hoher Produktqualität und Prozesssicherheit, flexibel, schnell und kostengünstig zu erfüllen. Werkzeugmaschinenhersteller bieten dazu Fertigungslösungen an, die die Prozesskette durch Simulation verkürzen.

In der einfachsten Stufe wird dabei Mithilfe des Programms ein animiertes Werkzeug über ein dreidimensionales Modell des Werkstücks gefahren und der Werkzeugweg in Relation zum Werkstück analysiert (Tool Path Verification). Eine solche Werkzeugmaschinen-Simulation liefert aber meist nur ungenaue Werte, die für heutige schnell arbeitende Ausrüstungen mit winzigen Spielräumen nicht mehr ausreichen. „Komplexere Werkzeugmaschinen mit unterschiedlichen Stufen von grundsätzlicher Bewegungsfreiheit oder mit Einsatzfähigkeiten für verschiedenste Aufgaben benötigen eine andere Art von Simulation“, weiß Vynce Paradise Marketing-Direktor, NX CAM Siemens PLM Software: Wir müssen die Bewegungen und Wege der Werkzeugmaschine als Gesamtsystem betrachten und nicht nur die isolierten Bewegungen des Werkzeugs auf dem Werkstück. Der NC-Programmierer muss sich wirklich darauf verlassen können, dass das, was in der digitalen Welt dargestellt wird, auch ein tatsächliches und reales Produkt der Werkzeugmaschine ist. „Er möchte ganz genau sehen können, wo sich die wichtigsten Elemente der Werkzeugmaschine sowie die Werkzeughalter und Schneidwerkzeuge zu jedem beliebigen Zeitpunkt befinden“, sagt der Experte. Das ist ganz besonders in der Phase der Fall, wenn der Entwickler mit Hilfe der Software wait- und sync-Codes zur Programmabfolge für den Arbeitsablauf der Maschine hinzufügt. „Diese Codes zur Steuerung des Verkehrs an hochfrequentierten Kreuzungspunkten verhindern, dass aus einer Maschine mit Mehrprozessbetrieb eine Maschine mit „Mehrkollisionsbetrieb“ wird“, betont Paradise.

Genau genommen benötigten die meisten Werkzeugmaschinen einen G-Code-Treiber im internen Werkzeugmaschinen-Simulator des CAM-Systems. Damit hat der NC-Programmierer alles in einer Hand und in ein und derselben Software, sagt Paradise. Die Option einer Erweiterungs-Version der Steuerungssoftware, die zur Software des Werkzeugmaschinen-Simulators hinzugefügt werden kann, sei derzeit aber nur bei sehr wenigen Steuerungsherstellern erhältlich. Einer davon ist die Nürnberger Siemens AG mit ihrer Sinumerik 840D Steuerung, die über eine PC-basierte Software verfügt, die als CAM-basiertes, steuerungsbetriebenes Simulationssystem im NX-CAM-System angeboten wird.

In der Fräsbearbeitung setzt Metav-Aussteller Tebis seit Erscheinen der Version 3.3 voll auf die Materialverfolgung mit Abtragssimulation. Ausgehend vom Rohguss wird der Materialabtrag bei jeder Fräsoperation auch im Tebis CAD-Modell nachgeführt.

Dies sorgt für gezielte Bearbeitung genau dort, wo noch Material steht. Da es die Simulationsfunktionen ermöglichen, bereits vor der Berechnung des ersten Werkzeugweges, das Werkstück mit entsprechenden Spannmitteln im Bearbeitungsraum der virtuellen Maschine zu platzieren, lässt sich vorab auch die beste Aufspannung ermitteln, ohne eine Maschine zu blockieren. Während der NC-Programmierung lassen sich so jederzeit einzelne kritische Bearbeitungssequenzen auf der virtuellen Maschine kontrollieren. Zuletzt zeigte Tebis auf der EMO die Bearbeitung eines BMW-M5-Zylinderkopfs. Dabei waren außer zahlreichen Planflächen mehr als 190 Bohrungen zu fertigen, darunter 80 Gewinde. Außerdem wurden Brennräume, Ventilsitze sowie die Ein- und Auslasskanäle bearbeitet. In den zwei Aufspannungen kamen über 30 Bohr- und Fräswerkzeuge zum Einsatz.

Für die CAD-neutrale Lösung EdgeCAM vom deutschen Reseller Camtech hat sich Siemens Turbomachinery Equipment am Standort Frankenthal entschieden, wo Dampfturbinen und Verdichter bis 5 MW gefertigt werden. Die Software bietet neben Fräszyklen in 2 bis 5 Achsen, Dreh- und Dreh-/Fräsfunktionen auch eine Maschinensimulation. Bis zu 50 NC-Programme für Düsenringe, Laufräder, Lager, Gehäuse werden pro Woche auf die Maschinen geschickt: Drei Hermle CNC-Bearbeitungszentren C800U und C40U mit teils angetriebenen Werkzeugzeugen und bis zu 9 Achsen oder CNC-Bohrwerke mit bis zu 7 Achsen und 5-Achs-Simultanbearbeitung. Eine exakt gefräste Turbinen-Laufradoberfläche ist dabei Pflicht, das entsprechende NC-Programm dazu extrem umfangreich und die Kollisions-Tücken der 5-Achs-Simultanbearbeitung hinreichend bekannt. „Wir benötigen Sicherheiten, wie der Bearbeitungsvorgang nachher tatsächlich abläuft“, so Thomas Meier, Arbeitsvorbereitung der Insel Serienteile bei Siemens Turbomachinery. Das EdgeCAM-Simulationsprogramm bietet da eine dynamische Simulation und Verifikation der Werkzeugbahnen auf dem Modell.

Auch mit der Maschinen- und Abtragssimulation der CAM-Lösung hyperMILL in Solidworks kann jetzt der Arbeitsraum sehr effizient überwacht werden. Dabei wird anhand des hinterlegten Maschinenmodells geprüft, ob die 2D-, 3D-, 3+2– beziehungsweise 5-Achs-Simultan-Bearbeitung im Arbeitsraum der geplanten Maschine ausführbar ist – schon bei der Planung der Maschinenbelegung, der Angebotserstellung oder beim Kauf einer neuen Maschine.

Das Fräsen von Werkzeugen und Formen mit anspruchsvollen Oberflächen, komplexen Topologien und hohen Anforderungen an die Geometrie bedeutet für die NC-Programmierung einen Flaschenhals in der Prozesskette. Mehrere Megabyte große Programme sind keine Seltenheit und dabei muss jeder einzelne NC-Satz frässtrategisch erst einmal so kalkuliert und mit den Folgeanweisungen abgestimmt sein: Luftschnitte sind ebenso kontraproduktiv, wie Absatzmarken, „rasierte“ Ecken und Radien oder „vergessene“ Restmaterialbereiche. Für solche Art NC-Programmierung von High-Speed-Fräszentren braucht es entsprechend HSM-taugliche (High-Speed-Machining) CAM-Systeme. Genau das verspricht SolidCAM mit seiner neuen Version. Nach Aussage von SolidCAM Gründer und Geschäftsführer Dr. Emil Somekh, „erweitert das vollständig in SolidWorks integrierte Modul die 3D-Bearbeitungsmöglichkeiten von SolidCAM um zahlreiche Funktionen, mit denen Anwender komplexe NC-Programme für Hochgeschwindigkeitsmaschinen unterschiedlichster Hersteller erzeugen und simulieren.“

Edgar Lange Fachjournalist, Düsseldorf