it der aktuellen SheetMetal-Software von SPI für die CAD-Systeme SolidWorks und Autodesk Inventor steht erstmals eine Blechapplikation zur Verfügung, die den kompletten Gestaltungsspielraum moderner CAD-Systeme dem Biegen von Blechen erschließt." />

Steuerungstechnik

Alternative Ansätze in der Blechkonstruktion

M
it der aktuellen SheetMetal-Software von SPI für die CAD-Systeme SolidWorks und Autodesk Inventor steht erstmals eine Blechapplikation zur Verfügung, die den kompletten Gestaltungsspielraum moderner CAD-Systeme dem Biegen von Blechen erschließt. Selbst schwach doppelt gekrümmte Freiformflächen stellen kein Problem mehr dar. Mit geringem Aufwand und unabhängig von der Art des CAD-Modells (Blechfeature, allgemeines CAD-Feature oder Feature-lose Geometrie) lassen sich fertigungsgerechte Abwicklungen erzeugen, die direkt an die Fertigung zum Biegen weitergegeben werden können.

Dr.-Ing. Dima Straube, Senior Software Engineer, SPI

Das Biegen (Abkanten) von Blechen ist ein kostengünstiges Verfahren zur Erzeugung von materialsparenden und damit leichten Konstruktionen aus Blech. Durch seine schnelle Umsetzbarkeit zeichnet es sich besonders für kleine und mittlere Losgrößen aus. Demgegenüber steht bisher als Nachteil eine sehr eingeschränkte (kastenförmige) Gestaltungsvielfalt bei gebogenen Blechteilen.

Durch die gestiegene Fertigungsgenauigkeit der Biegemaschinen ist heute in der Fertigung ein flexiblerer Umgang mit unterschiedlichen Biegewinkeln möglich. Auf der Konstruktionsseite stehen mit der hohen Verbreitung von 3D-CAD-Systemen dem Konstrukteur mittlerweile neue Gestaltungsmöglichkeiten offen, die sich in einer zunehmenden Verwendung von Freiformflächen darstellen. Freiformflächen sind in der Regel doppelt gekrümmte Flächen. Ist dies der Fall, ist eine exakte Abwicklung und damit eine Erzeugung durch das Biegen nicht möglich. Häufig kommen Freiformflächen zur Anwendung, etwa bei Übergangsteilen im Rohrbau, deren Krümmung in einer Richtung maßgebend ist, während die Krümmung der anderen Richtung aber gering und von vernachlässigbarem Charakter ist (vgl. Abb. 2). In solchen Fällen lassen sich mit dem Biegen gute Näherungen herstellen, die den Anforderungen des Konstrukteurs dennoch genügen und damit eine kostengünstige Fertigungsalternative ermöglichen.

Anzeige

Aber wie kommt man von solchen 3D-Modellen zu geeigneten Fertigungsunterlagen für das Biegen? Bisher würden solche Fälle eine zeitaufwendige Neukonstruktion gezielt für das Biegen mit einfach gekrümmten Flächen erfordern, wodurch der fertigungsbedingte Kostenvorteil schnell wieder aufgebraucht wäre. Mit der aktuellen SheetMetal-Produktreihe macht SPI deshalb den Schritt der Neukonstruktion überflüssig. Ausgehend vom ursprünglichen, freiformflächenbasierten 3D-Modell wird automatisch ein biegegerechtes Ersatzmodell aufgebaut und anschließend eine fertigungsgerechte Abwicklung des Ersatzmodells erzeugt, welche direkt an die Fertigung weitergereicht werden kann.

Schwächen der CAD-Systeme

Ziel einer jeden Blechapplikation ist die Erzeugung einer fertigungsgerechten Abwicklung. Neben der reinen Abwicklung zur Ermittlung des Zuschnitts gehören hierzu auch die richtige Positionierung der durchzuführenden Biegungen und die Berücksichtigung der entsprechenden Verkürzungswerte. In den CAD-Systemen erfolgt dies auf Basis der im Konstruktionsprozess verwendeten Blechfeatures, in denen die Informationen zu den Biegungen hinterlegt sind. Dieser Ansatz funktioniert gut für selbstkonstruierte, kastenförmige Bauteile. Das Problem ist die Einschränkung auf die Blechfeatures. So steht dem Blechkonstrukteur nur ein Teil der Designfunktionalität des kompletten CAD-Systems zur Verfügung und er muss immer wieder mit unnötigen Einschränkungen zurechtkommen. Ein Beispiel ist das für dünnwandige Blechkonstruktionen sehr praktische Austragen zwischen zwei Profilen (siehe Abb. 2). Hier stoßen die gängigen CAD-Systeme mit ihren Blechfeatures an ihre Grenzen. Ihnen fehlt die Unterstützung von Splines als Profilgeometrie oder von Profilen auf nicht parallelen Ebenen.

Hinzu kommt, dass sich mit den entsprechenden Blechfeatures oft zwar Abwicklungen erzeugen, aber bei der Ausgabe der notwendigen Biegelinien in vielen Fällen keine Ergebnisse liefern lassen. Eine solche Abwicklung ohne Berücksichtigung der Position der notwendigen Biegungen und ihrer Verkürzungswerte ist für die Festlegung des Zuschnitts in der Praxis eher ungeeignet. Selbst wenn die Abwicklung in ihren Abmessungen ausreichend sein sollte, kommt es zu einem hohen Aufwand an manueller Nachbearbeitung der gefertigten Bauteile, um die Ungenauigkeiten der Abwicklung zu korrigieren.

Auch beim Import und der Weiterverarbeitung von Fremdmodellen kommen gängige CAD-Systeme an ihre Grenzen. Für die Weiterverarbeitung müsste das importierte Modell in ein Blechfeature-Modell des jeweiligen CAD-Systems umgewandelt werden. Das ist aber in vielen Fällen nicht möglich und liegt zum einen daran, dass die Genauigkeiten des importierten Modells nicht denen des CAD-Systems genügen (etwa zylinderförmige Flächen nicht als zylindrisch erkannt werden). Zum anderen sind die unterstützten Geometrieformen, die in Blechfeatures umgewandelt werden können, eingeschränkt.

Um dennoch eine fertigungsgerechte Abwicklung zu erhalten, muss dann das importierte Modell (wie in Abb. 3 dargestellt) komplett neu aufgebaut werden. Daraus ergeben sich zwei Nachteile. Zum einen ist dieses Modell sehr aufwendig zu erzeugen, da jede einzelne Biegung sauber modelliert werden muss. Je genauer das Ausgangsmodell erreicht werden soll, umso höher wird der Modellierungsaufwand. Zum anderen legt man sich mit dieser Modellierung unnötig auf einen Fertigungsprozess fest. Die Entscheidung für ein anderes Fertigungsverfahren – wie etwa das Walzen oder Tiefziehen – würde eine zusätzliche Neukonstruktion erfordern.

Automatisch erzeugtes Ersatzmodell löst das Problem

Eine direkt aus dem importierten Modell erzeugbare, biegegerechte Abwicklung ließe die Entscheidung für den Fertigungsprozess (Biegen, Walzen oder Tiefziehen) offen. Damit würde die Möglichkeit entstehen, bisherig gewalzte oder tiefgezogene Blechkonstruktionen mit geringem Aufwand einer gebogenen Konstruktion gegenüberzustellen, um auf diese Weise die erreichbare Genauigkeit und die entstehenden Kosten zu bewerten. Zusätzlich ließe sich in der Fertigung flexibler auf veränderte Randbedingungen, beispielsweise Kapazitätsauslastungen oder erreichbare Stückzahlen, reagieren.

Das von der SPI-Software automatisch ermittelte Ersatzmodell verfolgt genau diesen Ansatz. Durch seinen reinen Geometriebezug und dank eigener anpassbarer Toleranzparameter ist es unabhängig vom Ursprung des Modells (selbst konstruiert oder importiert) und der Art der Modellierung (Blechfeature, allgemeines CAD-Feature oder komplett ohne Features). Es erzeugt, ausgehend vom Ausgangsmodell, immer die bestmögliche biegegerechte Annäherung und erzeugt Abwicklungen inklusive Biegelinien, die exakt dieser biegegerechten Annäherung entsprechen.

Beim Aufbau eines biegegerechten Ersatzmodells werden die planaren, zylindrischen und konischen Flächen im CAD-Modell direkt übernommen. Freiformflächen werden durch biegegerechte Ersatzgeometrien approximiert. Dazu werden die im folgenden beschriebenen Schritte durchgeführt:

Als erstes erfolgt eine geometrische Analyse, deren Ziel die Ermittlung der Parametrisierung der Freiformfläche und deren Krümmungsverlaufs ist.

Nach erfolgreicher Analyse erfolgt der Aufbau eines möglichst ähnlichen Ersatzmodells aus Torsi (exakt abwickelbaren Flächen). Dazu erfolgt eine Facettierung mit planaren Flächensegmenten, die sich durch Abkanten fertigen lassen. Obwohl eine Facettierung mit planaren Dreiecksflächen mit geringem Aufwand umsetzbar ist, wird zur Minimierung der notwendigen Kantungen auf Dreiecksfacetten beim Aufbau des Ersatzmodells möglichst verzichtet.

Bei der Entwicklung der SPI-Software hat sich zudem gezeigt, dass die Anforderungen nach möglichst wenigen Kantungen zu einem nichtlinearen Optimierungsproblem innerhalb einer kontinuierlichen Menge führen. Um die für die Optimierung notwendige hohe Anzahl an langsamen Zugriffen auf die Modelldaten zu minimieren, erfolgten eine Diskretisierung der möglichen Lösungsmenge und die Entwicklung eines dafür geeigneten Optimierungsalgorithmus. Neben den Performancevorteilen bietet die Diskretisierung eine einfache Möglichkeit, die Genauigkeit zu steuern, und man erhält ein Optimierungsproblem mit guter zeitlicher Skalierbarkeit.

Prinzipiell läuft dies bei Einsatz der SPI-Software automatisch ab. Selbstverständlich stehen dem Anwender Eingriffsmöglichkeiten zur Verfügung, da nicht immer das ähnlichste Ersatzmodell auch die geeignetste Lösung für die Fertigung ist. Der Konstrukteur kann deshalb eine Optimierungsstrategie vorgeben. Als Strategien stehen die Verwendung gleicher Biegewinkel, gleicher Facettenbreiten oder gleichbleibender Modellabweichungen zur Verfügung. Gleiche Biegewinkel würden beispielsweise die Fertigung vereinfachen, während gleichbleibende Modellabweichungen designtechnisch relevant sein können. Zum anderen können die Grenzwerte für auftretende Biegewinkel, Facettenbreiten und Modellabweichungen vorgegeben werden. Denn für die Fertigung ist es beispielsweise wichtig, dass bestimmte Facettenbreiten nicht unterschritten werden, da sonst ein Biegen nicht möglich ist. Gegebenenfalls daraus resultierende, auftretende Modellabweichungen können vom Anwender in einer Vergleichsansicht zwischen CAD-Modell und Ersatzmodell bewertet werden (vgl. Abb. 4).

Aufbauend auf einem biegegerechten Ersatzmodell können mit Hilfe der Grundfunktionalität der SPI-Software zusätzliche fertigungsrelevante Bedingungen definiert werden. Dazu gehören beispielsweise die Auswahl geeigneter Biegewerkzeuge und ihrer Verkürzungen, die Festlegung benötigter Eckfreistellungen oder das Hinzufügen von Anweisungen für die Stanz- und Laserbearbeitung.

Nach Festlegung dieser Randbedingungen kann die Abwicklung erfolgen und die für den Zuschnitt notwendige, flache Form des Modells ermittelt werden. Die dabei zu berücksichtigenden Verkürzungen sind abhängig von dem verwendeten Material, der Blechdicke, dem Biegewinkel und dem vorgesehenen Werkzeug. Sie werden automatisch korrekt verwendet. Für die anschließende reibungslose Fertigung enthält die Abwicklung nicht nur die für den Biegeprozess notwendigen Zusatzinformationen, sondern auch Informationen für die Stanz- und Laserbearbeitung. Dazu stehen spezielle Schnittstellen-Module für die TruTops-Suite von Trumpf und für die PN4000-Software von WiCAM zur Verfügung.

Auch Kugelecken lassen sich so fertigen

In der Regel lassen sich durch Biegen nur einfach gekrümmte Flächen erzeugen. Eine Ausnahme bilden im Eckbereich auftretende sogenannte Kugelecken. Durch den Einsatz spezieller Biegewerkzeuge oder das schrittweise Biegen der angrenzenden Biegungen lassen sich in den Ecken doppelt gekrümmte Segmente erzeugen. Bei passendem Zuschnitt entstehen so verrundete Ecken.

Die aktuelle SheetMetal-Produktreihe erlaubt es, so genannte Kugelecken mit verschiedenen Biegewinkeln in scharfkantigen und gerundeten Konstruktionen zu verwenden. Die Funktion ist für Eckkonstellationen gedacht, in denen zwei oder drei Biegungen aufeinander treffen. Im Rahmen der Abwicklung werden automatisch Segmente erzeugt, die in der Fertigung schrittweise zusammengebogen werden, so dass eine verrundete Ecke entsteht. Hierzu kann der Konstrukteur verschiedene Parameter festlegen, etwa Segmentanzahl, Verkürzungen oder auch Abstände zwischen den Segmenten.

Zusammenfassung

Mit der aktuellen SPI-Software lässt sich der komplette Gestaltungsspielraum moderner CAD-Systeme dem Biegen von Blechen erschließen (siehe Abb. 1). Natürlich lassen sich nicht alle Modelle durch das Biegen fertigen, aber wenn eine sinnvolle Näherung durch das Biegen möglich ist, wird sie mit hoher Wahrscheinlichkeit auch gefunden. Dazu kommt durch einen konsequenten Werkzeugbezug und den daraus resultierenden Verkürzungswerten eine bisher unerreichte Genauigkeit in der Abwicklung, die zu einer deutlichen Reduzierung von manuellen Nachbearbeitungen in der Fertigung führt.

SPI GmbH, Ahrensburg Tel. 04102/706-0, http://www.spi.de

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige

CAD-Software

Für umme

wie man so schön sagt, ist die professionelle 2D/3D Konstruktions-Freeware Medusa 4 Personal und daher bei vielen privaten Anwendern im Einsatz, die ihr eigenes Häusle oder das ihrer Miniatureisenbahn bis ins kleinste Detail zeichnen möchten.

mehr...

Steuerungssoftware

Optimierte Steuerung von Laseranlagen

Mit der neuen Steuerungssoftware GL.control in der Version 7 von GFH lassen sich sämtliche Arbeitsschritte der Lasermikrobearbeitung von der Replikaerstellung bis zur Festlegung komplexer Laserbewegungen von einem Multitouch-Monitor aus durchführen...

mehr...
Anzeige

SPS

SPS für Mikroanwendungen

Die neue Allen-Bradley Micro870-SPS von Rockwell Automation kann intelligente Mikroanwendungen unterstützen, die bis zu 304 E/A-Punkte, 280 KB Speicher und 20.000 Programmbefehle erfordern.

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