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Wie 3D-CAD-Methoden die Produktionsmöglichkeiten flexibilisieren

Die Anwendung von 3D-CAD-Systemen ist seit den 90er-Jahren in vielen Betrieben zum Standard geworden. CAD-Anbieter wie PTC oder Siemens haben die CAD-Funktionalitäten in den letzten Jahren weiter verbessert und insbesondere den Feature-Gedanken weiterverfolgt. In der ZF Friedrichshafen AG wurde dabei auf zwei Gleisen gefahren. Mit Pro/E (Creo) wird flächendeckend im Bereich Getriebe- und Achssysteme entwickelt und in der Fertigungsprozesskette auch die Betriebsmittelkonstruktion betrieben. Mit der Einführung des PDM-Systems Agile-axalant (e6) von Oracle ist es Anfang der 2000er Jahre gelungen, die CAD-Daten standardisiert zu verwalten und einer bereichsübergreifenden Verarbeitung zur Verfügung zu stellen. Ein Team des Bereichs Produktionstechnologie/Produktions-Service der Niederlassung ZF in Passau berichtet über seine Erfahrungen.
Schon in der frühen Entwicklungsphase haben die Fertigungsplaner in Passau mit den beschriebenen Werkzeugen und Methoden Zugriff auf die Entwicklungsdaten zu den Gehäusen oder Wellen der Kollegen im Entwicklungszentrum in Friedrichshafen berichtet Dr. Peter Robl, Leiter der Abteilung Fertigungsdienstleistung am Standort Passau. Diese Zugriffsmöglichkeit wurde in den letzten Jahren weltweit auf viele Fertigungsstandorte (derzeit 118) und alle Entwicklungszentren (die ZF betreibt acht Entwicklungszentren) ausgedehnt. Ein personenbezogenes Berechtigungssystem sorgt für einen abgestimmten Zugriff auf die Daten im PDM-System.
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In der Betriebsmittelkonstruktion wird in der ZF ausschließlich mit Pro/E und seit kurzer Zeit mit dem Folgeprodukt Creo gearbeitet. Dabei wird auch hier auf Standards hoher Wert gelegt. Teams zur Methodenentwicklung und der Abstimmung sind für die Betriebsmittel-Konstruktion (BM) ZF-weit organisiert und treffen sich regelmäßig, um neue oder verbesserte CAD-Methoden abzustimmen. Am Standort Passau werden die CAD-Anwender im Fertigungsbereich von Oliver Kremsreiter (der auch das Konzernteam-CAD leitet) koordiniert.

So ist es gelungen, zusammen mit der Fertigung und dem hausinternen Werkzeugbau ein „Nullpunkt-Spannsystem“ für Vorrichtungen zu entwickeln. Dabei wird die Grundplatte der Vorrichtung mit den Aufnahme- oder Spannpunkten des Maschinentisches abgeglichen. ZF verfolgt auch aus diesem Grund eine sehr intensive Abstimmung der konstruktiven Ausführung der Spannmittelaufnahmen mit den Maschinenherstellern. Diese Ausführung der Spannvorrichtungen ermöglicht so einen schnellen Wechsel einer geplanten Fertigung von einer auf eine andere Maschine (z.B. bei Kapazitätsengpässen).

In der Betriebsmittel-Konstruktion wird indirekt mit dem 3D-CAD-Modell aus der Entwicklung gearbeitet – indirekt darum, weil sich der BM-Konstrukteur eine Kopie des aktuell freigegebenen 3D-CAD-Modells erstellt (er nennt diese Werkstückkopie, siehe Bild 2), um von laufenden Änderungen an diesem Modell im Entwicklungsprozess unabhängig zu sein. Wird eine Änderung für ihn oder den NC-Programmierer relevant, so tauscht er seine Kopie gegen das neue Modell aus, bewertet die konstruktiven Änderungen und aktualisiert seine eigene Konstruktion.

NC-Programmierung basiert auf dem Entwicklungsmodell

Ähnlich wie im geschilderten Fall der BM-Konstruktion gestaltet sich der Prozess bei der Erstellung der NC-Programme. Waren in der Vergangenheit die 2D-Zeichnungen die informationstragenden Objekte, so verlagerte sich dies in den vergangen Jahren mehr und mehr zum 3D-CAD-Modell. Eine Verkürzung der Planungszeit ist nur möglich, wenn die Zusammenarbeit zwischen Entwicklung und Arbeitsplanung/NC-Programmierung durch eine enge Kollaboration beider Bereiche erreicht wird [Riss02].

Bei ZF heißt das, dass der NC-Programmierer nicht wartet, bis endlich eine 2D-Zeichnung erstellt wurde, sondern frühzeitig im Entwicklungsprozess auf das 3D-CAD-Modell aus der Bauteilentwicklung zugreifen kann. Dieses 3D-Modell muss alle relevanten Features, Maße und Toleranzen enthalten (siehe Bild 2). Es muss auf „Mitte-Toleranz“ regenerierbar sein und einem gewissen Reifegrad genügen. Das Freigabe- und Statusnetz innerhalb des PDM-Systems gewährleistet diese Kollaboration bereichsübergreifend. Prozessplanung, NC-Programmierung und Qualität haben so frühzeitig Zugang zu den relevanten Informationen und verfügen über ausreichend Wissen, um die eigenen Arbeitsschritte einleiten zu können. Die NC-Programmierung benötigt neben dem Fertigteil aus der Bauteilentwicklung aber auch ein Rohteil, die Spannvorrichtung, die Werkzeugmodelle und den Arbeitsraum der zum Einsatz kommenden Werkzeugmaschine.

Wirtschaftliche Zerspanung

Eine effektive NC-Programmierung ist der Schlüssel zu einer wirtschaftlichen Zerspanung. Dazu muss der Prozessplaner oder der NC-Programmierer nicht nur das zu fertigende Bauteil verstehen, vielmehr muss er die Zerspanungsmaschine kennen und deren Zerspanungsergebnisse voraussagen können. „Leider können unsere Bearbeitungszentren immer noch keine Zeichnung lesen oder ein 3D-Modell unserer Bauteile interpretieren“, erklärt Robl.

Schon vor einigen Jahren, genauer gesagt mitten in der Weltwirtschaftskrise wurde in Passau von einer 2D-zeichnungsbasierenden NC-Programmierung auf einen 3D-CAD-Modell basierenden NC-Prozess umgestellt. Es war in 2009, als ZF in Passau, zusammen mit dem Industriedienstleister Cipro aus Saarlouis, begonnen hat, das CAM-System edgecam einzuführen. Cipro-Geschäftsführer Manfred Kukla kann nun zusammen mit seinem CAM-Experten Philipp Kirsch auf einen sehr erfolgreichen Ein- und Umstellungsprozess zurückblicken.

Werkzeugdaten bilden das Rückgrat

Mit der Einführung des CAM-Systems edgecam, das auf dem parametrischen 3D CAD-Modell basiert, ist es möglich, die Zeit zur Erstellung eines NC-Programmes um über 50 Prozent zu reduzieren, so Robl. Es müssen allerdings einige Voraussetzungen dafür erfüllt sein. Die Daten zu den zur Anwendung kommenden Werkzeuge und Vorrichtungen müssen vorhanden sein. Dies sind neben den 3D-Werkzeug-CAD-Modellen mit schneidendem und nicht-schneidendem Teil auch die Spannmittel als 3D-CAD-Format. Bei den 3D-Werkzeugmodellen hat sich ZF für Fasys aus Köln als Partner entschieden, die auf diese Thematik spezialisiert sind. So werden 3D-Werkzeugmodelle über Fatool konfiguriert [vergl. Bild 4].

ZF nutzt Softwareprodukte von Fasys für die Verwaltung der edgecam-Quellen, die NC-Programmverwaltung, die Werkzeugdatenverwaltung und den DNC-Betrieb. Die beschreibenden Parameter wie Nutzlänge, Kraglänge oder Schneidendurchmesser werden in Form von Sachmerkmalen gespeichert. “Industrie 4.0“ mit der Vernetzung der Bearbeitungsmaschinen mit Datenbanken und Servern, der Werkzeugvoreinstellung und den Arbeits- beziehungsweise NC-Planern ist bei ZF teilweise schon Realität, so Robl. Viele 3D-Werkzeugmodelle bekommt ZF nach DIN4003 direkt von den Herstellern oder über den zentralen Datenserver des GTDE-Vereins beim VDMA in Frankfurt [vergl. Bild 3]. Dieser Server enthält neben einer 2D-Grafik auch ein 3D-Step-Modell nach ISO10303-214 und DIN4003 und die Sachmerkmalsliste nach DIN4000 mit allen beschreibenden Parametern zu Geometrie und Ausführung des Katalogwerkzeuges.

Für Manfred Kukla von der Cipro als Dienstleister in Sachen 3D-objektorientierter NC-Programmierung liegt ein Schlüssel zur Erhöhung der Effektivität nicht nur in der Anwendung von edgecam oder in der Erfüllung der genannten Voraussetzungen, sondern vielmehr in der Bereitschaft der Anwender die gewohnten Programmiermethoden zu ändern. So mancher NC-Programmierer tut sich schwer, zu glauben, dass die, vom CAM-System vorgegebenen Strategien oder Arbeitsweisen besser oder effektiver sein können als das, was „schon immer so gemacht wurde“, so Max Weishäupl von der ZF. CAD-CAM-Prozesse entfalten ihre wahren Möglichkeiten aber erst, wenn sie konsequent umgesetzt werden, das heißt auch neue Wege beschritten werden.

Die Zusammenarbeit mit Cipro als Einführungspartner, Vero-Planit als Entwickler, Fasys mit Fatool als Verwaltungssystem für das Fabrik-Daten-Management (FDM) und den NC-Programmierern vor Ort sei der entscheidende Erfolgsgarant für das ZF-CAM-Team um Nowitschkow/Weishäupl/Frenzel berichten die Projektverantwortlichen.

Datenaustausch zwischen Maschinen- und Werkzeugherstellern

Die Zukunft gehöre zweifellos dem elektronischen Datenaustausch zwischen Maschinen- und Werkzeugherstellern auf der einen Seite und den CAD/CAM-Anwendern auf der anderen Seite. Gerade bei den Werkzeugmaschinen, wo ein Standard nach DIN4000 und DIN4003 erst im Aufbau ist, bestehe extremer Handlungsbedarf [vergl. FaSch]. So mancher Werkzeugmaschinenhersteller habe immer noch nicht erkannt, dass ein digitales Modell der Werkzeugmaschine [vergl. Bild 5] Basisbestandteil der Lieferung der echten Maschine sei, so Robl. Eines der strategischen Projekte für 2014 wird die Weiterentwicklung der standardisierten Beschreibung für Werkzeugmaschinen nach DIN4000-210 und DIN4003-210. Dabei werden die Achsbezeichnungen eindeutig festgelegt, die Parameter wie Verfahrwege beschrieben und der Detaillierungsgrad der 3D-Daten im Arbeitsraum vorgegeben. Partner wie ESC-Spring in Wetzlar garantieren derzeit, dass „Echt-Simulationen“ der NC-Programme vor dem Einfahren möglich sind. -sg-

Quellen:

[FaSch] Fabian Schertel: 2D-Daten und 3D-Modelle in der NC-Prozesskette; FH-Regensbug, Morsak-Verlag 2012

[PeRo] Peter Robl: Integratives NC-Modell für die Vereinfachung der werksübergreifenden Produktion auf der Basis einer Feature-Skelett-Methode; TU-Dresden; Morsak-Verlag 2013

[Riss02] Risse, J.: Time-to-market-Management in der Automobilindustrie; Berlin, Dissertation TU-Berlin 2002

ZF Friedrichshafen AG, Passau, Tel. 0851/494-0, http://www.zf.com

Cipro, Saarlouis, Tel. 06831/9668850, http://www.cipro-gmbh.com

Fasys, Köln, Tel. 0221/987605-0, http://www.fasys.de

Spring Technologies, Wetzlar, Tel. 06441/9223-0, http://www.springplm.com

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