Software

Fertigungsgerechte Konstruktion

Andreas Spieler

Bild 4: Bei dem hier gezeigten Anwendungsfall lässt sich die Verrundungsecke nur aufwändig mit einer 3-Achsen-Fräse fertigen (Bild: SolidWorks).

Haar bei München

Konstruiert wird seit tausenden von Jahren, die Hilfsmittel dazu ändern sich allerdings rasant. Vom Zeichenbrett zur 2D-CAD-Konstruktion, über die 3D-CAD-Modellierung zu Berechnungs- und Simulationsanswendungen sind die bekannten Evolutionsschritte. Fast alle CAD-Systeme erlauben heute die Erstellung klassischer Maschinenbauteile. Ob allerdings diese Daten auch gefertigt werden können, wird normalerweise vom System nicht geprüft.

Das hat auch beim Einsatz von CAD-Werkzeugen zur Folge, dass der bisher übliche zeit- und kostenintensive Änderungsprozess durchlaufen werden muss. Das heißt, an der Maschine in der Werkstatt wird festgestellt, dass die Konstruktion so nicht fertigbar ist. Dieses kann beispielsweise an fehlenden Formschrägen bei Kunststoff- und Gussteilen liegen, oder an Geometrien bei Frästeilen, die im CAD-System leicht zu modellieren, in der Praxis aber nicht realisierbar sind.

Unnötige Kosten sind zu vermeiden

Ein einfaches Beispiel veranschaulicht die Problematik: Taschen und Ausschnitte lassen sich im CAD-System scharfkantig erstellen, fertigbar sind sie aber nicht, oder nur mit sehr großem Aufwand. Schnell einsichtig ist dies, da Taschen in der Regel mit einem Schaftfräser gefräst werden und der Radius des Fräsers das Material in den scharfkantigen Ecken nicht erfassen kann. Im Bild 1 bleibt das Material im roten Bereich in der Ecke stehen. Weitere Unterschiede zwischen Modellierungsmöglichkeiten und Fertigbarkeit sind Bohrungen, deren Verhältnis Länge zu Durchmesser außergewöhnlich groß ist. Im CAD-System lassen sich einfach Bohrungen zum Beispiel mit einer Tiefe von 500 mm und einem Durchmesser von 2 mm erstellen, fertigbar ist das aber auf herkömmliche Weise nicht, da der Bohrer bei der geringen Stärke ausweicht oder bricht. Ein weiterer Problemfall kann auftreten, wenn der Mittelpunkt der Bohrung außerhalb des Materials liegt. Auch das führt in der Praxis zu einem Abgleiten des Bohrers (Bild 2). Viele weitere solcher Beispiele verdeutlichen sehr schnell, dass relevante Unterschiede zwischen dem Modellieren und Fertigen bestehen. Selbstverständlich wird ein erfahrener Anwender solche Konstruktionsfehler nicht begehen, aber warum soll moderne Software nicht helfen, unnötige Kosten zu vermeiden. Moderne CAD-Systeme haben sich dieses Themas angenommen und verschiedene Werkzeuge implementiert, mit denen die Fertigbarkeit eines CAD-Modells überprüfbar ist. Beispielsweise stehen Analysewerkzeuge zur Verfügung, um Bauteile auf ihre Produktionstauglichkeit zu überprüfen. Dabei werden Konstruktionsbereiche identifiziert, die bei der Produktion möglicherweise Probleme bereiten oder höhere Produktionskosten verursachen könnten. Jedoch müssen zuvor die Regeln definiert werden, die der Software als Prüfkriterien dienen. Regeln für das Bohren sind unter anderem:

Anzeige

Verhältnis Tiefe/Durchmesser

flacher Boden

Bohrungseintritts- beziehungsweise Bohrungsaustritts-Oberfläche

Bohrung schneidet Kavität

Standard-Bohrgrößen

Regel für partielle Bohrung

Für das Fräsen lassen sich zum Beispiel Regeln für folgende Problemfelder festlegen (Bild 3):

Tiefe einer Tasche oder eines Schlitzes

unzugängliche Features

scharfe Innenkanten fräsen

Verrundungen an Außenkanten

Auch Toleranzen an bestehenden Modellbemassungen können geprüft werden, um sicher zu gehen, dass der Anwender nicht Toleranzen vergeben hat, die fertigungstechnisch nicht einzuhalten sind.

Eine weitere Möglichkeit Fertigungskosten zu sparen und die Konstruktion zu optimieren, sind intelligent verpackte Algorithmen, die einzelne Features analysieren und Konstruktionslogik beinhalten. Zum Beispiel sind für Eckenverrundungen verschiedene geometrische Alternativen wählbar. Bei dem in Bild 4 gezeigten Anwendungsfall lässt sich die Verrundungsecke nur aufwändig mit einer 3-Achsen-Fräse fertigen. Eine kostengünstigere Alternative ist mit einem Formfräser auf einer 2½-Achsen-Maschine realisierbar.

Im Bereich von Spritzgussteilen helfen Analysewerkzeuge wie die Überprüfung der Wandstärke Fertigungsprobleme aufzuspüren. Zu viel Material kann Lunkerstellen oder Lufteinschlüsse verursachen, im Gegenzug führt zu wenig Material eventuell zum Bruch oder zu Einfallstellen (Bild 5).

Die bereits angesprochenen Formschrägen sind notwendig für die Fertigung, um Spritzguss-, Guss- und Schmiedeteile aus der Form entnehmen zu können.

Viele CAD-Systeme bieten Formschrägen-Analysewerkzeuge. Hilfreich für den Anwender sind aber auch Funktionen, um nachträglich – wenn der Artikel bereits verrundet wurde – Formschrägen an das Modell anzubringen. Dazu analysiert die Software die bereits vorhandenen Verrundungen und fügt die Formschrägen automatisch an den richtigen Positionen im Feature-Baum ein, unabhängig von der Konstruktionshistorie. Überraschungen treten oft auf, wenn nach der Fertigung ein Spritzgussteil anders als erwartet aus der Form kommt. Nicht richtig kalkulierte Schwindung, falsche Skalierung und Einfallstellen sind nur einige Gründe dafür. Hier gehen jetzt schon viele Firmen den Weg, den gespritzten Artikel zu scannen und ihn mit dem CAD-Konstruktionsmodell zu vergleichen.

Eine im CAD-System integrierte Software wandelt die Scan-Daten in ein geometrisches Modell um und startet anschließend den Geometrievergleich zwischen den beiden Modellen. Die Unterschiede zwischen den Modellen werden farblich markiert und weisen so auf die Zonen hin, die zu Fehlfunktionen in der Praxis führen können. Sind die Bauteile geometrisch richtig konstruiert, muss das noch nicht bedeuten, dass sie in der Baugruppe zueinander passen und die gewünschte Funktion auch gegeben ist.

Keine unerwarteten Überraschungen

Im CAD-System werden die Modellmaße absolut genau, das heißt auf 10–6 mm genau konstruiert und anschließend mit Fertigungstoleranzen versehen. Addieren sich die Toleranzen der Einzelteile, können in der Baugruppe Funktionsstörungen auftreten. Aus diesem Grund bietet es sich an, eine im CAD-System vorhandene Toleranzstapelrechnung einzusetzen. Die Einzelteile werden auf die Bezugsebenen mit Form- und Lagetoleranzen versehen. In der Baugruppe rechnet ein Assistent den Best- und Worstcase aller am untersuchten Funktionsmaß in der Baugruppe beteiligten Einzeltoleranzen und errechnet sogar, mit wie viel Prozent einzelne Maße am Ergebnis beteiligt sind. Natürlich sollten dann die Toleranzen geändert werden, die mit einem hohen Anteil beteiligt sind.

Dadurch lassen sich Fertigungskosten sparen, denn es muss nicht aufwändig versucht werden, Toleranzen einzuhalten, die in Wirklichkeit auf die Gesamtfunktion wenig Einfluss haben (Bild 6). Beim Zusammenspiel von mechanischer Konstruktion und Leiterplattenlayout einschließlich der elektronischen Komponenten gibt es in der Praxis oft auch ein böses Erwachen. Da meistens unterschiedliche Abteilungen diese zwei Bereiche bearbeiten, kommt es zu Schwierigkeiten beim Zusammenführen. Die Elektroniker haben meistens keine Informationen bei der Auslegung der Platine über den zur Verfügung stehenden Bauraum.

Zusammenspiel von Elektronik und Mechanik

Daher ist es äußerst hilfreich, wenn das CAD-System beide Umgebungen zusammenführen kann. Im MCAD-Bereich werden die ECAD-Informationen eingelesen, Kollisionsbetrachtungen und Änderungen durchgeführt. Anschließend werden diese geänderten Daten an das ECAD-System zurückgeschrieben. Noch hilfreicher wird das Zusammenspiel, wenn sich beispielsweise Wärmeberechnungen im CAD-System auf Basis der elektronischen Komponenten durchführen lassen (Bild 7). Da die Produkte immer leistungsfähiger werden, aber auch immer weniger Bauraum zur Verfügung steht, sind die immer kürzer werdenden Entwicklungszyklen ohne Analysewerkzeuge nicht mehr einzuhalten.

Um Kosten und Entwicklungszeit zu reduzieren, ist es heute unumgänglich, die Herstellung von realen Prototypen zu vermeiden oder zumindest deren Anzahl zu reduzieren. Viele Produkte werden von der kaufmännischen Kalkulation gesteuert, nicht von den Ideen der Konstrukteure. Das heißt, in Abhängigkeit der Stückzahlen sind andere Fertigungsprozesse notwendig. Bauteile können zum Beispiel bei gleicher Funktion entweder geschweißt, gegossen, gespritzt oder als Blechteil gefertigt werden.

Zugriff auf fertigungs- relevante Informationen

Eine zusätzliche Varianz entsteht durch Verwendung von unterschiedlichen Werkstoffen. Will der Konstrukteur all diese verschiedenen Realisierungsmöglichkeiten in kürzester Zeit überprüfen, um dann die beste Alternative auswählen zu können, ist ein CAD-System mit integrierten Simulationswerkzeugen von Vorteil (Bild 8). Denn dann lassen sich sowohl Kosten als auch viel aufwändige Tätigkeiten – unter anderem für den Prototypenbau und -test – erheblich reduzieren.

Schon vor vielen Jahren gingen viele Konstrukteure davon aus, in Zukunft auf die Zeichnung verzichten zu können und alle fertigungsrelevanten Informationen am 3D-Modell anzubringen. Das ist heute problemlos möglich, jedoch erfordern beispielsweise ausgelagerte oder an Drittfirmen vergebene Produktionsaufträge nach wie vor Zeichnungsdokumente, nach denen das Produkt gefertigt werden kann. Stimmen diese Zeichnungen nicht, kommt es zu Verzögerungen und vor allem zu erhöhten Kosten, von nicht eingehaltenen Lieferzeiten mal ganz abgesehen. Aus diesem Grund widmen sich die CAD-System-Hersteller verstärkt den Zeichnungsumgebungen und nicht nur der 3D-Feature-Entwicklung. Folglich überprüfen so genannte DesignChecker vor der Freigabe die Zeichnung basierend auf Firmenstandards. Damit werden unter anderem freistehende Bemaßungen gefunden oder Form- und Lagetoleranzen ohne Bezugssymbole. Dass die Rechtschreibung genauso überprüft wird, was besonders bei mehrsprachigen Zeichnungen wichtig ist, ist schon fast selbstverständlich. Natürlich prüft die Software auch, ob alle notwendigen Angaben im Titelblock eingegeben wurden oder bestimmte fertigungsbezogene Geometrien auch auf den richtigen Layern liegen. Genauso wie das ABS oder andere unterstützende Systeme bei Fahrzeugen zum heutigen Standard gehören, helfen moderne Software-Werkzeuge nicht nur den Konstrukteuren sondern auch den anderen Beteiligten am Produktentstehungsprozess, damit diese gemeinsam bessere Produkte in kürzester Zeit und mit möglichst geringen Kosten herstellen zu können. Speziell in den Ländern, in denen die Ingenieurarbeitsstunde teurer ist als in Fernost, zahlt sich die Investition in moderne Konstruktions-Software sehr schnell aus. -fr-

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige

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