Software

CAM in der universitären Ausbildung

Gunther Reinhart, Markus Hornauer, Thomas Hensel Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) Technische Universität München

Bild 4: Als Beispiel werden die seitliche Kreistasche sowie die Konturtaschen des Schwungrads programmiert.
Die universitäre Ausbildung dient der Vermittlung von Fach- und Methodenwissen. Um die Studierenden zu befähigen ingenieurwissenschaftliche Lösungen zu erarbeiten, ist ein fundiertes Wissen über moderne Verfahren und Abläufe bei der Produktentstehung im Alltag eines Unternehmens eine Voraussetzung. Welche Methoden- und Fachkompetenzen im CAM-Bereich soll ein junger Ingenieur nach seinem Universitätsstudium in die Industrie mitbringen und wie kann dies vermittelt werden?

Diese entscheidende Frage stellten sich im Frühjahr 2008 Mitarbeiter des Instituts für Werkzeugmaschinen und Betriebswissensschaften (iwb) der Technischen Universität München. Das Ergebnis dieser Überlegungen ist ein neu gestaltetes CAM-Praktikum, in dem der aktuelle Stand der Technik mit modernen Software-Werkzeugen, vom Entwurf bis zum realen Bauteil, von Studenten hautnah erfahren und selbständig angewendet werden kann (Bild 1). Der folgende Beitrag beschreibt die Kerninhalte und den Ablauf dieses Praktikums.
Im Rahmen eines einsemestrigen CAD/CAM-Praktikums im Hauptstudium, das in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Produktentwicklung der Technischen Universität München erfolgt, können Studenten schon seit mehreren Jahren Einblicke in die CAM-Welt gewinnen. Am Beispiel eines Stirling-Motors werden im ersten Teil des Praktikums die CAD-Modelle und Werkstattzeichnungen erstellt, sowie die kinematische Funktion des Motors simuliert (Bild 2). Als Entwicklungs- und Simulations-Software dient hierbei Catia V5.

Anzeige

Im zweiten Teil des Praktikums wurde bisher exemplarisch das Schwungrad des Motors im CAM-Modul von Catia V5 simulativ bearbeitet und ein APT-Code (Automatically Programmed Tool) erzeugt. Die vollständige Umsetzung der CAD/CAM-Kette bis hin zur Erstellung eines CNC-Codes über einen Postprozessor erfolgte jedoch nicht. Mittels einer Simulationsumgebung für CNC-Code wurden erste Grundlagen in der Programmierung von Werkzeugmaschinen gemäß DIN 66025 gelegt. Ein weiterer Praktikumsversuch demonstrierte anhand einer Simulation die Programmierung eines Industrieroboters, da diese zunehmend in Verbindung mit Werkzeugmaschinen eingesetzt werden. War zum Zeitpunkt der Erstellung des bisherigen CAM-Praktikums am iwb der Einsatz von CAM-Systemen aufgrund der hohen Komplexität und Kosten der Software noch hauptsächlich der Großindustrie vorbehalten, so sind CAM-Systeme heute überall im Einsatz. Eine rein simulationsorientierte Ausbildung entsprach daher nicht mehr dem Stand der Technik. Aus diesem Grund wurde der Entschluss gefasst, neben den bisherigen simulativen Aspekten, verstärkt reale Aspekte aus dem Bereich der Fertigung zu vermitteln. Hierzu sollen Studenten zukünftig das Schwungrad des Stirling-Motors real auf einer CNC-Fräsmaschine fertigen (Bild 3). Ein besonderes Augenmerk liegt vor allem darauf, den von Studenten erzeugten Maschinencode, nicht etwa eine Musterlösung, für die Fertigung zu verwenden.

Wie die Erfahrung der letzten Jahre zeigt, ist das konkrete Wissen über automatisierte Fertigungsverfahren, das die Basis für die modellbasierte CNC-Programmierung bildet, bei vielen Studenten im Bereich Maschinenwesen nur rudimentär vorhanden. Im Gegensatz dazu verfügen die Praktikumsteilnehmer in aller Regel über ein hervorragendes Wissen im Umgang mit CAD-Systemen. Im Rahmen des neuen Praktikums sollte daher zuerst ein einheitlicher Stand an praxisorientiertem Basiswissen aus dem Bereich der Fertigung gebildet werden. Kerninhalte sind dabei der grundlegende Aufbau und die Steuerung von CNC-Dreh- und Fräsmaschinen, verschiedene Möglichkeiten zur Werkstück- und Werkzeugaufnahme, die Ermittlung von Zerspanungsparametern und die Erstellung eines Arbeitsplans.

Um den Praktikumsteilnehmern die Vorzüge der modellbasierten Codegenerierung zu demonstrieren und sie in die Lage zu versetzen, den im weiteren Praktikumsverlauf durch das CAM-System erzeugten Code – und somit die Richtigkeit der Simulation – zu überprüfen, erfolgt eine Einführung in die konventionelle CNC-Programmierung gemäß DIN 66025. Anhand einfacher Konturen, werden die grundlegende Syntax der G-Code-Programmierung und einfache Beispiele der Zyklenprogrammierung geübt, wie etwa der Umgang mit Schleifen und Variablen. Hierbei sollen die Studenten nicht in der Programmierung einer speziellen Maschinensteuerung ausgebildet werden, sondern grundsätzliche Möglichkeiten der Programmerstellung erlernen.

Als konkretes Beispiel werden hierzu in einem Versuch die seitliche Kreistasche sowie die Konturtaschen des Schwungrads in MTS-TopMill programmiert. Die Bearbeitung soll dabei in mehreren Arbeitsgängen mit unterschiedlichen Werkzeugen erfolgen. Als Hilfestellung sind für die Programmierung benötigte Zwischenpunkte in der Werk- stattzeichnung gesondert bemaßt (Bild 4). Auf dieser Basis wird im Anschluss mit der modellbasierten Programmierung von Werkzeugmaschinen begonnen. Auch hier sollen die Praktikumsteilnehmer keine Experten für eine bestimmte CAM-Software werden. Vielmehr sollen grundlegende Arbeitstechniken und Möglichkeiten beim Einsatz von CAM-Systemen gezeigt werden. Ein besonderes Augenmerk liegt sowohl auf einer strukturierten und systematischen Arbeitsweise im CAM-System, als auch auf der Sensibilisierung für Probleme, die bei der Übernahme und Weiterverarbeitung von CAD-Modellen entstehen können. Unter anderem werden den Teilnehmern mögliche Konsequenzen von erzwungenen Konturauflösungen, Zwangsbemaßungen oder ungünstig strukturierten Layern bei der späteren Bearbeitung des Bauteils im CAM-System demonstriert.

Zusätzlich werden technische Fehler behandelt, die beim Datenaustausch zwischen verschiedenen Konstruktions- und Fertigungssystemen auftreten können, beispielsweise beschädigte Basisflächen oder Löcher in der Oberfläche durch unterschiedliche Diskretisierungsstufen in den Systemen.

In Gruppen von je zwei Personen pro Rechner, müssen die Studenten unter Anleitung zuerst das Bauteil und die Aufspannung im Maschinensimulator positionieren. Für die spätere Fertigung kommt eine CNC-Fräsmaschine Emco Concept Mill 155 zum Einsatz, die funktional als Modell im Tebis-Simulator hinterlegt ist. Somit können die Praktikumsteilnehmer durch Verfahren der Bearbeitungsachsen im Simulator die Erreichbarkeit bestimmter Positionen für die spätere Fertigung testen und erhalten dadurch einen Eindruck von der Bearbeitungskinematik (Bild 5). Parallel hierzu erfolgt eine Einführung in die Bedienweise und die Komponenten der Software. Entsprechend der Abläufe im Zuge der Arbeitsvorbereitung wird daraufhin in einer Excel-Vorlage ein Arbeitsplan für die Fertigung des Schwungrads mit den entsprechenden Arbeitsschritten vom Halbzeug bis zum Bauteil erstellt (Bild 6). Um im Rahmen des Praktikums die Kette vom CAD-Modell bis zum realen Bauteil demonstrieren zu können, werden vorgefertigte Rohteile für die spätere Bearbeitung des Schwungrads verwendet. Aufgabe der Studenten ist es, im Folgenden die nötigen Bearbeitungsoperationen und den CNC-Code für die Fertigung der Konturtaschen mit dem Tebis-System zu generieren.

Die Bearbeitung des Schwungrads im CAM-System beginnt mit einer Analyse der Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils. Mit Unterstützung der Praktikumsbetreuer sollen die Studenten im vorgegebenen CAD-Modell des Schwungrads gefundene Fehler beheben. Hierbei müssen Löcher in den Flächen geschlossen und fehlerhafte Basisflächen durch neue ersetzt werden. Zudem überprüfen die Betreuer regelmäßig, ob eine strukturierte und übersichtliche Arbeitsweise im Umgang mit verschiedenen Layern beachtet wird.

Zum Fräsen der Konturtasche sollen gemäß der Aufgabenstellung sowohl Schrupp- als auch Schlichtprogramme erstellt werden. Anhand unterschiedlicher Werkzeuge werden Möglichkeiten zur Restmaterialbearbeitung und zum maschinellen Entgraten der Kanten gezeigt. Die entsprechend benötigten Werkzeuge, einschließlich der Zerspanungsparamter, müssen von den Praktikumsteilnehmern selbstständig angelegt werden.

Nach erfolgreicher Simulation der einzelnen Bearbeitungsschritte wird der CNC-Code derjenigen Gruppe, die zuerst einen fehlerfreien Code produziert und eine strukturierte Arbeitsweise beachtet hat, auf die CNC-Fräsmaschine übertragen und das Schwungrad im Beisein aller Praktikumsteilnehmer gefertigt. Dieses Wettbewerbselement steigert die Motivation der Praktikumsteilnehmer. Durch die Verwendung des von den Studenten erzeugten Codes werden besonders hohe Anforderungen an die vorherige Absicherung in der Simulation gestellt. Neben möglichen Fehlern im CNC-Code, die bei der Umsetzung der Bearbeitungsoperationen durch das CAM-System entstehen können, sollen vor allem auch Programmierfehler durch falsche Benutzereingaben im Vorfeld ausgeschlossen oder zuverlässig erkannt werden. Dies fordert eine hohe Fehlertoleranz des Systems.

Zur Vorbereitung auf die einzelnen Versuche steht den Studenten ein umfassendes Skriptum zur Verfügung. Analog zum chronologischen Ablauf des Praktikums werden darin die Grundlagen der Arbeitsvorbereitung zusammengefasst. Zu den Werkzeugmaschinen, Werkzeugen und Werkstückaufnahmen für die Dreh- und Fräsbearbeitung erfolgt eine ausführliche Beschreibung und Darstellung. Um den Studenten den Umgang mit der im Praktikum verwendeten Software zu erleichtern, werden jeweils die wesentlichen Merkmale und Bedienelemente der Software beschrieben. Im Hinblick auf das Tebis-System bedeutet dies eine Darstellung und ausführliche Erklärung aller im Praktikum benötigten Bearbeitungsoperationen mit den entsprechenden Parametern.

Bei der Neugestaltung des Praktikums war vor allem eine schlüssige, funktionsfähige und aktuelle CAD/CAM-Kopplung von Bedeutung, um den Studenten eine Ausbildung entsprechend dem aktuellen Stand der Technik zu ermöglichen. Dank einer ausreichenden Anzahl an Catia-, MTS-, Excel- und Tebis-Lizenzen stehen für das Praktikum genügend Arbeitsplätze zur Verfügung, die auch außerhalb des Praktikumsbetriebs von den Studenten nutzbar sind.

Mit der Verwendung eines konsistenten Datensatzes zwischen CAD- und CAM-System ist es nun möglich, alle Ausbildungsinhalte an einem Bauteil zu demonstrieren. Der vermittelte Stoff kann somit zu jeder Zeit anschaulich dargestellt werden, was das Verständnis erleichtert. Zusätzlich zu den bisherigen simulativen Aspekten, konnte dank der im Rahmen eines Forschungsprojektes zur Verfügung stehenden Emco-Fräsmaschine die Kette bis zum realen Bauteil geschlossen werden. Das Ergebnis der in jedem Semester stattfindenden Evaluation der Lehrveranstaltung zeigte eine sehr positive Rückmeldung seitens der Studenten auf das neue Praktikum.

Um das Angebot auch zukünftig aktuell zu gestalten und noch weiter auszubauen, wird derzeit an einer Erweiterung des Praktikums gearbeitet. Zum Beispiel soll zukünftig auf einer Emco Concept Turn 155 der Arbeitskolben des Stirling-Motors als kombinierte Dreh-Fräs-Bearbeitung gefertigt werden. Im Weiteren ist geplant, auf einer Deckel-Maho-Fräsmaschine DMU 50 Evolution ein Tiefziehwerkzeug für eine Metallabdeckung des Kurbeltriebs als 5-Achs-Bearbeitung herzustellen. Auch hier sollen Studenten den Code für die spätere Fertigung selbständig mit der Tebis-Software generieren. Um Absolventen auch zukünftig praktische Grundlagen im Umgang mit Industrierobotern vermitteln zu können, wird derzeit ein eigenständiges Robotik-Praktikum erarbeitet und die Programmierung von Industrierobotern nicht mehr als Teil des CAM-Praktikums behandelt.

Selbstverständlich kann im Rahmen eines zehntägigen Praktikums keine umfassende CAD/CAM-Schulung erfolgen. Jedoch gewinnen die Absolventen hierdurch bereits solide Grundkenntnisse aus dem CAM-Bereich und ein fundiertes Verständnis für die CAD/CAM-Prozesskette als Vorbereitung für ihren Einstieg in den Industriealltag. -fr-

Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) http://www.iwb.tum.de

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige

Metav 2018

Metallbearbeitung am 3D-Drucker

Auf der METAV in Düsseldorf haben die Besucher der encee CAD/CAM-Systeme GmbH in Halle 15 an Stand F37 die Gelegenheit, Metallbearbeitung in einer ganz neuen Form zu erleben: Dort wird der 3D-Druck von Metallstäben an einem Studio System des...

mehr...

Datenmanagement

Connected Shopfloor

Auch im Shopfloor muss der Informationsprozess für eine gesicherte Kommunikation digitalisiert werden. Ziel ist eine durchgängige Transparenz aller Fertigungsdaten und die Sicherung der Produktqualität sowie des Fertigungs-Know-hows. Coscom hat...

mehr...
Anzeige

CAM

Einfacher und schneller

Die DP Technology Corp. kündigt die Einführung der neuesten Version ihrer CAM-Software an: Esprit 2017. Dank optimierter Werkzeugwege, einer vereinfachten Bedienung und einer höheren Rechenleistung erlaubt die neue Version intelligentere, einfachere...

mehr...

CAM

High-Speed Performance

Als Komplettanbieter für den Werkzeug- und Formenbau weiß Knarr, wie wichtig es ist, der steigenden Nachfrage nach individuellen Einarbeitungen gerecht zu werden. Bei der Einzelteilfertigung dieser spezifischen Formplatten kommt der...

mehr...

Newsletter bestellen

Immer auf dem Laufenden mit dem SCOPE Newsletter

Aktuelle Unternehmensnachrichten, Produktnews und Innovationen kostenfrei in Ihrer Mailbox.

AGB und Datenschutz gelesen und bestätigt.
Zur Startseite