3D-CAM-Bearbeitung in der Lohnfertigung

Datum: 10.01.2005

Die Leipert Maschinenbau GmbH in Kraichtal-Landshausen ist spezialisiert auf die Bearbeitung von überdimensionalen und extrem schweren Werkstücken mit höchster Präzision. Obwohl die Teile in der Regel noch in 2D konstruiert werden, setzt der Lohnfertiger für die CAM-Programmierung die 3D-CAD/CAM-Lösung TopSolid’Cam der Missler Software ein. Ziel ist es, mit dieser Software die Qualität der NC-Programme zu verbessern und die Produktivität zu steigern.

Die Firma Leipert wurde 1956 von Albert Leipert gegründet und beschäftigte sich zunächst mit der Montage und Reparatur von landwirtschaftlichen Geräten. Durch den Aufbau einer eigenen Dreherei und Fräserei legte der Firmengründer den Grundstein für den Einstieg in die Lohnfertigung. Seit den 70er Jahren dient Leipert großen, international tätigen Herstellern von Pressen, Turbinen, Werkzeugmaschinen und anderen überdimensionalen Werkstücken als "verlängerte Werkbank". Mit vielen Kunden arbeitet man seit Jahren partnerschaftlich zusammen, wie Juniorchef Jeroen van de Ven betont: "Basis für die Zufriedenheit unserer Kunden sind Termintreue und Qualität."

Leipert beschäftigt derzeit rund 70 qualifizierte Mitarbeiter und bietet seinen Kunden einen hochmodernen Maschinenpark, mit dem tonnenschwere Werkstücke auf den Hundertstel Millimeter genau gedreht oder gefräst werden können. Auf dem Portal-Bearbeitungszentrum Waldrich PMC 6500 lassen sich Werkstücke von bis zu 20 Meter Länge, 6,3 Meter Breite und 4,5 Meter Höhe und einem Gewicht von bis zu 110 Tonnen bearbeiten. Vor kurzem hat Leipert ihren Maschinenpark um ein Karusselldreh- und Fräsbearbeitungszentrum Waldrich VTF 8000 erweitert, das die Bearbeitung von Werkstücken mit bis zu 8 Meter Durchmesser, 5 Meter Höhe und 200 Tonnen Gewicht ermöglicht. Voraussetzung für den effizienten Einsatz dieser außergewöhnlichen Maschinen ist eine fehlerfreie NC-Programmierung, denn wenn das Werkstück erst einmal auf dem Maschinenbett aufgerüstet ist, sind Korrekturen zeitaufwendig und teuer.

Mit zunehmender Komplexität der zu bearbeitenden Werkstücke nahm die Gefahr von Kollisionen zu, die bei der traditionellen CAM-Programmierung mit dem Editor und der 2D-Zeichnung leicht übersehen werden können. Als Lohnfertiger kann sich Leipert jedoch keine Fehler leisten, da es sich bei den zu bearbeitenden Werkstücken um Einzelteile handelt. Deshalb entschied man sich für den Umstieg auf die 3D-Programmierung.

"Es ist eine zunehmende Komplexität der Werkstücke und dadurch auch der Bearbeitung zu beobachten" erläutert Gerd Reich, Leiter der CAM-Programmierung. "Gleichzeitig werden die Bearbeitungszentren immer moderner. Aufgrund verschiedener Köpfe und Werkzeughalter haben sich die Bearbeitungsmöglichkeiten enorm erweitert. Durch den Einsatz des 3D-Programmiersystems lassen sich die Bearbeitungsabläufe mit dem Werkstück, dem Werkzeug und der Maschine zuverlässig simulieren, was eine fehlerfreie Bearbeitung gewährleistet."

Kollisionen unter Kontrolle

Neben der Flexibilität und Anpassungsfähigkeit waren die leistungsfähigen Funktionen für die Kollisionskontrolle einer der ausschlaggebenden Gründe für die Wahl der Missler-Software TopSolid’Cam, die bei Leipert seit Anfang letzten Jahres im Einsatz ist. Zuvor hatte man die Software mit verschiedenen anderen CAM-Lösungen verglichen, darunter auch die Systeme von Tebis und UGS. Ein weiteres Kriterium war ihre einfache Bedienerführung, die den Anwendern den Umstieg von der 2D-Programmierung auf die 3D-Welt wesentlich erleichterte.

TopSolid’Cam ist ein CAM-System für die spanabhebende Bearbeitung mit 2 bis 5 simultanen Achsen, das auf dem parametrisch-assoziativen Volumenmodellierer TopSolid basiert. Dadurch können Konstruktionselemente wie Bohrungen, Taschen oder Nuten bei der Erstellung der NC-Programme automatisch ausgewertet und bestehende Programme bei nachträglichen Änderungen am Konstruktionsmodell praktisch auf Knopfdruck aktualisiert werden. Zu den Stärken der Software zählt die Möglichkeit, einmal definierte Bearbeitungsprozeduren bei ähnlichen Werkstücken wieder zu verwenden. Die Version 2005, die Ende diesen Jahres auf den Markt kommen wird, bietet außerdem die Möglichkeit, die Schrittweite zwischen den Bearbeitungsgängen unter Beibehaltung der maximalen Rautiefe zu optimieren, um die Bearbeitung zu beschleunigen.

Die Missler-Software ist in Kraichtal-Landshausen derzeit auf fünf vernetzten PC-Arbeitsplätzen unter dem Betriebssystem Windows XP installiert, von denen einer für die 3D-Modellierung der Werkstücke und vier für die Erstellung der NC-Programme genutzt werden. Missler-Vertriebspartner WeSt schulte die Anwender jeweils drei Tage im Umgang mit dem CAD- und dem CAM-Modul - danach konnten sie selbständig mit der neuen Software arbeiten, wie Reich versichert. "Wir können uns keine langen Einarbeitungszeiten leisten, denn unser Fertigungsbetrieb muss rund um die Uhr aufrecht erhalten werden." WeSt übernahm auch die Programmierung der ersten Postprozessoren und versetzte die Mitarbeiter durch eine Spezialschulung in die Lage, weitere Postprozessoren selbst zu schreiben bzw. an die Anforderungen ihres Maschinenparks anzupassen.

Um die Funktionen für die Kollisionskontrolle nutzen zu können, mussten die Maschinen und Werkzeuge erst einmal in der Software abgebildet werden. "Da wir keine Maschinenmodelle hatten, haben wir die Maße der Maschinen mit allen Details, die für die Kollisionsbetrachtung wichtig sind, aufgenommen und die Maschinen nachmodelliert. Auch die Werkzeug-Bibliotheken haben wir im wesentlichen selbst aufgebaut", erzählt Reich. "Das hat eine gewisse Zeit gedauert, aber nach einem halben Jahr waren wir so weit, dass wir effizient mit dem System arbeiten konnten. Die Bearbeitungszentren mit Aggregaten und Kinematik wurden von uns selbst erstellt und werden bei Bedarf den Anforderungen angepasst."

Was zur Zeit noch fehlt, ist eine Anbindung der virtuellen Werkzeug-Bibliotheken an das Werkzeugverwaltungssystem, mit dem die tatsächlich verfügbaren Werkzeuge verwaltet werden. "Mithilfe von TopSolid’Cam kann man keinen tatsächlichen Werkzeugbestand abfragen", erläutert Reich. Eine entsprechende Integration wäre aus Sicht von Leipert eine wünschenswerte Erweiterung der Missler-Software.

Offen für den Datenimport

Da viele Kunden von Leipert noch in 2D konstruieren, müssen die Anwender oft erst die Werkstücke nachmodellieren, bevor sie die NC-Programme in 3D erzeugen können. Generell schicken die Kunden einen 2D-Datensatz im DXF-Format, der in TopSolid eingelesen werden kann, um ausgehend von den Werkstück-Konturen schnell die Modelle zu erzeugen. "Wir konstruieren bearbeitungsorientiert, das heißt wir konzentrieren uns auf alle Details , die wir für die Bearbeitung bzw. die Kollisionskontrolle benötigen", erläutert Reich.

Die enorme Datenmenge, die bei der Arbeit mit 3D-Modellen von Maschinen, Werkzeugen und Werkstücken anfällt, war in der Vergangenheit ein ernstes Problem. Es konnte aber in der aktuellen Version von TopSolid durch ein verbessertes Memory-Management und die Incremental-Graphics-Funktion entschärft werden: Letztere sorgt dafür, dass bei Änderungen an schattierten Modellen nur noch die Facetten der geänderten Flächen und nicht mehr das ganze Modell neu berechnet werden muss.

Dessen ungeachtet bedeutet die Modellierung der Werkstück für das Unternehmen einen Zusatzaufwand, der sich natürlich in dem Maße verringert, in dem die Kunden auf die 3D-Konstruktion umsteigen. Dank der Offenheit von TopSolid können die 3D-Daten aus allen gängigen CAD-Systemen in guter Qualität importiert werden – entweder im Originalformat oder in einem Standardformat wie IGES oder STEP. Die Software verfügt beispielsweise über eine bidirektionale Schnittstelle zu Catia und kann Daten aus Parasolid-basierten Systemen ohne Konvertierungsaufwand einlesen, da sie den selben Modellierkern nutzt. Reich schätzt, dass Leipert derzeit bei rund zehn Prozent der Aufträge 3D-Daten erhält.

Wenig Bedarf für Automatismen

Die Modellierung der Werkstücke in TopSolid bietet gegenüber dem Import von 3D-Daten den Vorteil, dass für bestimmte Operationen vordefinierte Features verwendet werden können, die das CAM-Modul automatisch in entsprechende Bearbeitungszyklen umsetzt. Allerdings lassen sich diese Automatismen bei Leipert nur in begrenztem Umfang nutzen, weil es sich bei den Werkstücken in der Regel um Einzelteile handelt.

Bei der Auswahl der optimalen Frässtrategie verlassen sich die Anwender, die alle aus der Fertigung kommen, auf ihr Fertigungs-Know-how und nicht auf die Software. Um den Kollegen an der Maschine die Arbeit zu erleichtern, hat man sich für die Bearbeitung einheitliche Vorgehensweisen zurecht gelegt, wie Reich erläutert: "Wir achten beispielsweise darauf, dass bestimmte Fräsoperationen immer gleich programmiert werden. Eine Kontur wird auf eine bestimmte Weise angefahren, damit der Maschinenbediener sofort erkennt, welche Bearbeitung erfolgt."

"Einer der wesentlichen Vorteile des Einsatzes von TopSolid’Cam ist, dass sich damit wesentlich komplexere Bearbeitungsschritte programmieren lassen als mit der alten 2D-Lösung. Bei vielen Werkstücken sieht man nicht gleich auf den ersten Blick, dass man sie mit 5 Achsen bearbeiten muss", sagt Reich. "Wir können heute Werkstücke mit schrägen Bohrungen im Raum oder einer Spiralnut fertigen, was früher nicht möglich gewesen wäre. Dadurch sind wir vielseitiger geworden."

Dank der Möglichkeit, die Bearbeitung des Werkstücks auf der Maschine schon am Rechner zu simulieren und dabei visuell auf Kollisionen zu prüfen, können die CAM-Programmierer eventuelle Fehler vor der Bearbeitung auf der Maschine beseitigen. Es werden zum Beispiel keine Restmaterialien mehr übersehen, weil das System nach jedem Bearbeitungsschritt erkennt, wo Material stehen geblieben ist, und einen Vorschlag macht, wie es am besten ausgeräumt werden kann. Die Anwender bei der Firma Leipert nutzen im wesentlichen die Möglichkeiten der optischen Kollisionskontrolle, da eine exakte Berechnung bei der gegenwärtigen Hardwareausstattung zu viel Rechenzeit kosten würde. Abgesehen davon müsste man dann Spannmittel und Pratzen auf den Millimeter genau, so wie am Rechner simuliert, setzen, was bei einem tonnenschweren Werkstück unmöglich ist.

Höhere Prozess-Sicherheit

Automatische Restmaterialerkennung und optische Kollisionskontrolle sorgen dafür, dass sich die Fehlerquote bei komplexen Werkstücken reduziert hat und beim Einfahren in der Werkstatt weniger Fehler festgestellt werden. Die 3D-Programmierung tut ein übriges, weil dadurch manuelle Eingabefehler von vorneherein ausgeschlossen sind. Die höhere Prozesssicherheit leistet einen wesentlichen Beitrag zur Verkürzung der Durchlaufzeiten, obwohl sich der Zeitaufwand für die Programmerstellung durch den Mehraufwand für die 3D-Modellierung nicht unbedingt reduziert hat.

"Ich gehe davon aus, dass wir unsere Produktivität mittelfristig durch den Einsatz von TopSolid’Cam um 20 bis 30 Prozent steigern können", erläutert Juniorchef van de Ven . Allerdings lassen sich die Einsparungen nur schwer messen, da die aktuellen Fertigungsprojekte mit denen von früher nicht eins zu eins vergleichbar sind. Der 3D-Einsatz in der CAM-Programmierung trägt nämlich auch dazu bei, dass die Firma Leipert von ihren Kunden immer komplexere Fertigungsaufträge erhält – etwa die Komplettbearbeitung eines Turbinengehäuses mit Zwischenmontage. "Wir sind dadurch wettbewerbsfähiger geworden und können neue Kunden bedienen", sagt Jeroen van de Ven.

So hat Leipert im Auftrag eines renommierten Automobilherstellers kürzlich die Schrupp-Arbeiten eines Tiefzieh-Werkzeuges für einen Kotflügel übernommen. Ohne TopSolid’Cam wäre die Firma kaum in der Lage gewesen, Freiformflächen aus Catia einzulesen und mit fünf Achsen simultan zu bearbeiten.

Autor: Michael Wendenburg Quelle: BG:Concept