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Formen- und Werkzeugbau: Hohe CAD/CAM-Anforderungen

Michael Klocke

Bild 3: Das Senkerodieren erfordert konstruktive Tätigkeiten im Rahmen der Fertigung. Integrierte CAD/CAM-Systeme bieten hier den Vorteil alle Aufgaben in einem System zu erledigen – vom Konstruieren über das Fertigen und Messen bis hin zum Verwalten (Quelle: Tebis AG, Martinsried).

Martinsried

Im Formen- und Werkzeugbau entstehen Einrichtungen zum Umformen und Urformen. Diese sehr komplexe Sondermaschinen für den industriellen Ein- satz werden in den meisten Fällen als Einzelanfertigungen realisiert und stellen hohe Anforderungen an CAD/CAM-Systeme.

Um eine Form oder ein Werkzeug herzustellen, müssen zahlreiche Einzelteile angefertigt werden. Hierbei kommen viele unterschiedliche Fertigungsverfahren zum Einsatz. Dazu zählen Bohren, 2.5D-Fräsen, 3-Achsen-Fräsen auch mit angestelltem Werkzeug, 5-Achsen-Fräsen, Senkerodieren, Drahterodieren, sowie Beschnittbearbeitung mit Laser, Wasserstrahl oder Fräsewerkzeug. Die jeweils benötigten Fertigungsverfahren müssen vom CAD/CAM-System unterstützt werden. Da moderne Bearbeitungszentren hohe Durchsatzraten haben, ist es wichtig, in einer definierten, möglichst kurzen Zeit die benötigten NC-Programme zu berechnen.

Auf der konstruktiven Seite wiederum erfordern die Technologien des Um- oder Urformens oft eine Abweichung zwischen der Geometrie des herzustellenden Bauteils und der Geometrie der Form. Diese Geometrie-Änderungen müssen in den entsprechenden Flächen der Form berücksichtigt werden. Bei manchen Verfahren, wie dem Ziehwerkzeugbau, lassen sich die Abweichungen erst während der Herstellung der Werkzeuge durch Versuch ermitteln.

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Die zunehmende Parallelisierung von Konstruktion und Fertigung – bedingt durch kürzere Produktlebenszyklen – führen zu häufigen Änderungen in der Konstruktion. Diese können in jedem Stadium der Projekte auftreten und erfordern eine hohe Flexibilität des CAD/CAM-Systems. Da viele der Betriebe aus dieser Branche wiederum Zulieferer für Komponenten- oder Systemhersteller sind, müssen in der Regel die vielfältigen Datenformate der Kunden beherrscht werden. In diesem Zusammenhang ist es von besonderer Bedeutung, schnell prüfen zu können, ob die CAD-Daten den Qualitätsanforderungen der folgenden Prozessschritte genügen. Dort wo dies nicht der Fall ist, werden Hilfsmittel benötigt, mit denen sich die geforderte Qualität schnell realisieren lässt (Bild 1).

Außerdem gilt auch im Werkzeug- und Formenbau – nicht zuletzt auch aufgrund des intensiven internationalen Wettbewerbs – dass immer mehr Projekte in immer kürzerer Zeit abgewickelt werden müssen. Effektivität ist daher in allen Prozessen dieser Branchen sehr wichtig.

Speziell die hohe Vielfalt an Bearbeitungsarten, Werkzeugen, Maschinen, Werkstoffen und weiteren Faktoren, die das Fertigungsergebnis beeinflussen, erfordern eine Standardisierung und Automatisierung der Fertigung. Denn nur so kann gewährleistet werden, dass bereits im Vorfeld Klarheit über den Fertigungsaufwand herrscht und somit die Voraussetzung für wirtschaftliches Handeln geschaffen wird.

Wie lässt sich die Fertigung von Einzelteilen standardisieren und automatisieren? Hier kommt einem die Tatsache entgegen, dass obwohl jedes Projekt eine Einzelanfertigung ist, dennoch viele Ähnlichkeiten zwischen den einzelnen Projekten bestehen. So werden Spritzgusswerkzeuge immer gewisse Entsprechungen aufweisen. Daher können auch die Einzelteile hierfür mit vergleichbaren Bearbeitungsfolgen gefertigt werden. Dies ist ein Ansatz zur Automatisierung. Dazu ist es wichtig in der Konstruktion und in der Fertigung das Wissen zu sammeln, zu strukturieren und zu speichern. Das gespeicherte Wissen wird in Form von Vorlagen wieder zur Verfügung gestellt und stellt in der Folge einen wesentlichen Bestandteil des Kapitals eines Unternehmens dar.

Da Automatisierung immer einen vorgelagerten Aufwand bedeutet, muss darüber Klarheit herrschen, welche Abläufe sich standardisieren lassen und welche individuell zu betrachten sind. Ein Beispiel für Standardisierungen sind Bohrungen, Gewinde, Taschen und ähnliches. Diese Geometrien, die an vielen der Komponenten für Formen und Werkzeuge gefertigt werden müssen, lassen sich vollständig über Parameter beschreiben.

Sobald diese Informationen strukturiert in den CAD-Daten vorliegen, lassen sich daraus automatisiert die erforderlichen NC-Programme berechnen. Im Vorfeld muss nur einmal definiert werden, wie die Grundformen beispielsweise eines Gewindes oder einer Tasche gefertigt werden sollen. Anschließend entstehen die notwendigen Bearbeitungsanweisungen regelbasiert. Übrigens, detaillierte Zeichnungen, anhand derer der Maschinenbediener die Bearbeitungen selber programmiert, sind folglich überflüssig geworden.

Aufgrund der komplexen Geometrie sind im Werkzeug und Formenbau Bauteile, die 50 und mehr Werkzeugwege zu Fertigung benötigen, keine Seltenheit. Oft werden auch mehrere Aufspannungen und Maschinen eingesetzt um ein Bauteil zu erstellen. Im CAD/CAM-System muss diese Aufgabe durch einen Arbeitsplan unterstützt werden. Dieser beinhaltet alle Bearbeitungen, deren Reihenfolge, alle Bearbeitungsparameter der einzelnen Operationen und die Verknüpfungen zu den zu bearbeitenden Geometrien. Dadurch bleibt eine klare Übersicht der Bearbeitungen erhalten, auch im Mehrschichtbetrieb. Änderungen an der Geometrie oder den Bearbeitungsstrategien lassen sich mit wenigen »Mausklicks« einpflegen. Außerdem ist der Arbeitsplan die Voraussetzung für die übergreifende Prüfung aller Bearbeitungen auf Kollisionsfreiheit und Einhaltung des Bearbeitungsraumes bei der Simulation im Rahmen der virtuellen Fertigung (Bild 2).

Im Formen- und Werkzeugbau müssen auch bei der Fertigung noch zahlreiche konstruktive Aufgaben erledigt werden. Dies können beispielsweise fertigungsrelevante Zwischenstände sein, die in der Konstruktion des zu fertigenden Werkzeugs nicht berücksichtigt sind. Daher haben in diesen Branchen integrierte CAD/CAM-Systeme, die Konstruktions- und Fertigungsaufgaben mit demselben Datenmodell und einer einheitlichen Benutzeroberfläche unterstützen, eine starke Stellung. Ein Beispiel dafür ist die Fertigung mittels Senkerodieren, die im Formenbau zur täglichen Praxis zählt. Hier müssen aus der Geometrie des zu fertigenden Werkstücks Elektroden abgeleitet werden. Diese Elektroden sind zwar im Grunde nur das Negativ des Werkstücks. Häufig müssen die Geometrien aber aus fertigungstechnischen Gesichtspunkten noch angepasst werden (Bild 3). Das Herstellen der Elektroden inklusive der Konstruktion ist üblicherweise Aufgabe der fertigungstechnischen Abteilungen, die auch für die NC-Programmierung zuständig sind.

Ein weiteres Beispiel für den Vorteil integrierter CAD/CAM-Systeme zeigt sich beim Einfahren von Werkzeugen für die Blechumformung, dem »Try-Out«. Jedes Blech federt nach dem Umformen zurück, sobald sich das Werkzeug wieder öffnet. Dieser Rücksprung muss kompensiert werden, indem die Werkzeugflächen entsprechend verformt werden. Diese Aufgabe kann durch ein entsprechendes CAD/CAM-System fertigungsnah anhand von Messpunkten oder Scan-Daten des Blechteils mit wenig Aufwand erledigt werden (Bild 4). Dies verdeutlicht auch, dass CAD/CAM-Systeme im Werkzeug- und Formenbau außer mit Kurven, Flächen und Volumendaten genauso selbstverständlich mit Messpunkten, Scan-Daten und Netzen umgehen können müssen.

Bei der branchentypischen Losgröße 1 ist ein »Einfahren des Werkstücks« nicht wirtschaftlich. Die Ausschussquote wäre zu hoch. Das bedeutet, bereits das erste gefertigte Bauteil muss ein Gutteil sein. Dies lässt sich nur garantieren, wenn eine virtuelle Fertigung realisiert wird. Diese ermöglicht jeden Fertigungsschritt in einer virtuellen Fertigungsumgebung auf dem Computer zu planen und zu prüfen.
Voraussetzung ist selbstverständlich eine realitätsgetreue Abbildung der Fertigungseinrichtungen. Dies umfasst alle Maschinen, Zerspanungswerkzeuge, Spannmittel und auch die Rohteile am Beginn der Fertigung. Folglich kann der Arbeitsplan dann mit allen berechneten Werkzeugwegen in der virtuellen Fertigungsumgebung geprüft werden (Bild 5). Damit gewinnt man die Sicherheit, dass diese als NC-Programme in der realen Fertigung ohne Endschalterübertretungen oder gar Kollisionen zwischen Werkzeug oder Maschine und Werkstück ablaufen werden.

Neben der Sicherheit über eine fehlerfreie Fertigung bringt die virtuelle Fertigung auch eine wesentlich intensivere Nutzung der Bearbeitungszentren. Beispielsweise sind mannlose Nacht- und Wochenendschichten möglich. Grundsätzlich ist eine vollständige Prüfung extern – also nicht auf der Steuerung – erstellter NC-Programme erforderlich. Denn diese Programme können von den Bedienern der Maschinen nicht wirkungsvoll geprüft werden. Und bei den Verfahrgeschwindigkeiten moderner Maschinen mit 60 m/min und mehr, kann der Maschinenbediener bei Fehlern auch nicht mehr rechtzeitig eingreifen.
Wie bereit eingangs erwähnt, sind die Prozesse im Werkzeug und Formenbau stark arbeitsteilig und oftmals parallelisiert. Damit gewinnen aktuelle Informationen, auf die alle Beteiligten gleichermaßen zugreifen können, eine hohe Bedeutung. Die 3D-CAD-Daten enthalten in einem gekoppeltem CAD/CAM-Prozess alle Informationen über die Entstehung der Form oder des Werkzeugs. Die Informationen sollten daher möglichst einfach von allen Beteiligten an der Prozesskette einsehbar sein. Dies wird durch entsprechende Viewer-Stationen realisiert, an denen die Mitarbeiter die Informationen erhalten, die für die Erledigung ihrer Aufgaben notwendig sind (Bild 6). Damit werden vor allem die Konstruktionsabteilungen entlastet, die viel weniger Nachfragen beantworten müssen und den Aufwand für detaillierte Zeichnungen drastisch reduzieren können. Für den optimalen Einsatz von CAD/CAM-Systemen im Werkzeug- und Formenbau müssen die betrieblichen Abläufe und die Software-Prozesse aneinander angepasst werden. Dies ist eine klassische Consulting-Aufgabe, die am besten von externen Beratern übernommen wird, die sowohl tiefe Kenntnisse der Konstruktions- und Fertigungsaufgaben als auch breites Know-how bezüglich der Strukturen und Möglichkeiten des CAD/CAM-Systems mitbringen. Durch Analyse des Ist-Prozesses werden die Stellen identifiziert, an denen es Potenzial zur Verbesserung gibt. Dabei ist der Maßstab für Verbesserungen stets die Wirtschaftlichkeit des Gesamtprozesses. Darauf aufbauend wird ein Soll-Prozess formuliert. Im Idealfall übernehmen die Berater auch die Aufgabe den optimalen Soll-Prozess im Betrieb zu etablieren. Dieser Aspekt ist nicht nur bei Systemwechsel oder der Neueinführung eines CAD/CAM-Prozesses in bestimmten Bereichen wichtig, sondern die Erfahrung zeigt, dass auch in vielen eingefahrenen Abläufen hohes Optimierungspotential liegt. Folglich können CAD/CAM-Systeme einen wesentlichen Beitrag zur Wertschöpfung im Formen- und Werkzeugbau liefern. -fr-

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