3D Systems Die richtige Kombination aus Automatismus und Interaktion

Autor / Redakteur: Ralf Brinkmann / M.A. Frauke Finus

Mit der Design Solution begann der CAD/CAM-Anbieter Cimatron im Jahr 2008, Entwickler und Hersteller von Stanz- und Umformwerkzeugen zu adressieren. Die Spezialität der Branchensoftware: Folgeverbund- und Transferwerkzeuge. Seit dem Start wurde die Speziallösung über viele Versionen hinweg weiterentwickelt, die grundsätzliche Arbeitsweise blieb dabei weitestgehend unverändert.

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Das Vorurteil 3D-CAD-Systeme seien für den Stanz- und Umformwerkzeugbau zu kompliziert und zu unflexibel, stimmt heute nicht mehr. Mit CimatronE Die Design entwickelt der Werkzeugkonstrukteur seine Folgeverbund- und Transferwerkzeuge schneller, präziser und sicherer als in 2D.
Das Vorurteil 3D-CAD-Systeme seien für den Stanz- und Umformwerkzeugbau zu kompliziert und zu unflexibel, stimmt heute nicht mehr. Mit CimatronE Die Design entwickelt der Werkzeugkonstrukteur seine Folgeverbund- und Transferwerkzeuge schneller, präziser und sicherer als in 2D.
(Bild: Cimatron)

Ausgangspunkt für das Entwicklungsprojekt war seinerzeit die Cimatron-Kundschaft, die sowohl Spritzgießformen als auch Stanz-/Umformwerkzeuge entwickelte. Während das Engineering im Spritzgießformenbau durch zahlreiche Lösungen wie Mold Design, Quick Split oder Quick Electrode unterstützt wurde, fehlten entsprechende Angebote für den Stanz- und Umformwerkzeugbau.

Anforderung des Marktes

Eine umfassende Marktanalyse seitens Cimatron brachte es an den Tag: Die meisten Werkzeugbauer konstruierten Stanz-/Umformwerkzeuge noch im 2D oder aber gar am Zeichenbrett. Nur wenige versuchten sich mit 3D-CAD-Systemen. Das weitverbreitete Vorurteil gegen 3D-CAD: Zu kompliziert, zu aufwendig. Dabei liegen die Vorzüge der 3D-Vorgehensweise klar auf der Hand. Artikeldaten werden heute fast ausnahmslos im 3D-Format geliefert und die Komplexität der Geometrien steigt stetig. Eine durchgängige, schnittstellenfreie und assoziative 3D-Prozesskette, von der Artikelgeometrie über den Werkzeugaufbau bis in die NC-Programmierung, sorgt für maximale Datenkonsistenz. Eine kinematische Kollisionsbetrachtung maximiert die Prozesssicherheit. Die Möglichkeit zur Kompensation der Rückfederung verhindert unnötige und teure Versuche und Anpassungsschritte. Eine exakte Schneidkraftberechnung erlaubt die bestmögliche Pressenwahl. Concurrent Engineering kann die Durchlaufzeiten drastisch reduzieren und Änderungen lassen sich dank Parametrik im Handumdrehen erledigen. Und dann ist da auch noch das Thema mit der Abwicklung, die vor allen weiteren Schritten bereits für die Aufwandsabschätzung und damit für die Kalkulation des Werkzeugprojektes benötigt wird. Und hier muss vor allem anderen beantwortet werden: Ist der angefragte Artikel so überhaupt herstellbar? Gibt es Risiken, dass sich Risse oder Falten bilden, dass Hinterschnitte oder zu kleine Biegeradien zum Problem werden können? Vor der Angebotsabgabe müssen diese Fragen geklärt sein.

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Nachdem man die Arbeitsweise des Werkzeugbauers verstanden hatte, machte man sich bei Cimatron an die Umsetzung. Oberstes Ziel war und ist es, maximale Automatisierung für Berechnungen und wiederkehrende Aufgaben bereitzustellen, gleichzeitig aber dem Fachmann die Freiheit zu lassen, jederzeit eingreifen und Änderungen vornehmen zu können. CimatronE Die Design bietet heute die optimale Kombination aus Automatismus und interaktivem Arbeiten.

Die Design baut auf den leistungsstarken Funktionen eines parametrischen Hybridmodellieres auf und wird am Ende der Prozesskette durch CAM-Funktionalität für die Bohr- und Fräsprogrammierung sowie das Drahterodieren komplettiert. CimatronE verfügt seit jeher über herausragende Standardschnittstellen sowie Direktschnittstellen zu den wichtigsten CAD-Systemen wie CATIA, Siemens NX, Creo und anderen. So ist gewährleistet, dass sofort nach dem Dateneingang mit der Abwicklung des Blechteils begonnen werden kann.

Erfolgsfaktor Abwicklung

Bereits beim Anlegen des Werkzeug-Projektes wählt der Konstrukteur das Material aus der integrierten Materialbibliothek aus. Der Blechartikel kann anschließend vollautomatisch, unter Berücksichtigung aller erforderlichen Kennwerte mittels FEM-Abwicklung abgewickelt werden. In diesem frühen Stadium unterstützt CimatronE mit vielen wichtigen Analysemöglichkeiten, die den Konstrukteur vor späten und damit teuren Fehlern schützen. Krümmungs- und Biegewinkelanalyse geben Aufschluss über Biegeradien und -winkel, und zeigen, ob gegebenenfalls eine Artikeländerung erforderlich ist. Auch die Ergebnisse der Analyse der Blechdickenänderung durch die Umformung und die Überprüfung auf Riss- und Faltenbildung, liefern frühzeitige Erkenntnisse, die sich auf die Auslegung des Artikels auswirken können. Der Vorteil für den Werkzeugbauer: Er hat bis zu diesem Zeitpunkt kaum Zeit und Geld in das Projekt investiert, kann aber seinem Auftraggeber bereits Hinweise zur Machbarkeit liefern oder aber in Absprache mit diesem den Artikel direkt ändern.

Ergänzend zur vollautomatisierten Abwicklung lassen sich auch Teilbereiche, zum Beispiel einzelne Abkantungen, abwickeln. Das wird vor allem in den weiteren Schritten zur Festlegung der Umformschritte benötigt. Nach und nach werden dabei alle einzelnen Umformstufen des Artikels geometrisch definiert. Eine Spezialität ist die FEM-Abwicklung auf eine Referenzgeometrie, wenn nicht auf eine ebene Fläche sondern auf eine beliebige Geometrie abgewickelt werden muss. Hierbei kommen die leistungsfähigen Flächen- und Volumenfunktionen der CimatronE-CAD-Lösung zum Tragen. So lässt sich jede denkbare Umformung definieren. Weiteres Optimierungspotential liefert die Verwendung des Moduls CimatronE Die Forming Conditions. Dieses erweitert die Möglichkeiten der FEM-Abwicklung beim Definieren der Umformschritte dahingehend, dass sich zusätzliche Randparameter festlegen lassen, die zu einer noch exakteren Abwicklungskontur, einer sehr genauen und umfassenden Ausgabe der Umformkräfte und besseren Ergebnissen hinsichtlich Falten- und Rissbildung führen. Die Einflussgrößen sind: Niederhalter, Ziehsicken, Blechhalterkraft und „Festgehaltene Faces“. Nicht nur, aber vor allem wenn Bereiche tiefgezogen werden müssen, liefert das Modul die maximale Annäherung an das tatsächliche Ergebnis.

Streifenlayout und Werkzeugaufbau

Sind die einzelnen Umformschritte festgelegt, geht es an die Streifendefinition. Grafisch interaktiv werden gleiche oder unterschiedliche Abwicklungskonturen auf dem Streifen positioniert und anschließend verschachtelt. Der Konstrukteur kann dazu Mindestabstände zwischen den Geometrien und eine Rotation vorgeben und erhält umgehend eine grafische Rückmeldung am Bildschirm. Gleichzeitig sieht er alle wichtigen Kennwerte wie Folgenabstand, prozentuale Materialausnutzung, Abfall, Streifenbreite, Randabstände, maximale Anzahl möglicher Folgen. Hat der Konstrukteur seine Abwicklungskonturen positioniert und den Folgenabstand festgelegt, beginnt er mit der Festlegung der Schneidstempelkonturen, die die Platine freischneiden. Schneidstempelkonturen lassen sich in CimatronE dank der starken Kettenfunktionalität schnell und einfach parametrisiert festlegen. Anschließend werden die zuvor erstellten Umformstufen in das Streifenlayout kopiert. Auch jetzt können, falls erforderlich, noch Änderungen an den einzelnen Umformschritten vorgenommen werden, zusätzlich Umformschritte ergänzt oder umpositioniert beziehungsweise Leerschritte hinzugefügt werden.

Für den Werkzeugaufbau kann auf gespeicherte Standard-Aufbauten beziehungsweise einzelne Werkzeugkomponenten aus Katalogen zurückgegriffen werden. Diese Bibliotheken können die Standardkataloge verschiedenster Normalienanbieter aufnehmen, auf Standardkataloge wie Cadenas oder Dako zugreifen und mit selbst erstellten, firmenspezifischen Komponenten und Baugruppen ergänzt werden. Dank der Parametrisierung der Katalogteile ist es schnell möglich, die Baugruppe nach dem Laden, zum Beispiel in Bezug auf Streifenführung und Werkzeuglänge, anzupassen. Wenn der Grundaufbau steht, geht es an die Detaillierung. An dieser Stelle erfährt der Anwender wieder umfassende Unterstützung, so zum Beispiel bei der Erstellung der Schneidstempel. Nach der Festlegung der Spaltmaße, des Schneidstempel- und Durchbruchtyps sowie der Anwahl der Schnittkontur, erzeugt das System vollautomatisch in einem Schritt den Schneidstempel inklusive aller erforderlichen Durchbrüche in den entsprechenden Platten. Die Design erkennt und schneidet entsprechend der Voreinstellungen alle beteiligten Komponenten. Auch Gewindeinformationen werden in die Konstruktion übernommen. Ähnlich wird mit Umformstempeln und weiteren Werkzeugkomponenten verfahren (zum Beispiel Schnellwechselstempel, Pilotstifte, Streifenheber), die größtenteils direkt aus den Bibliotheken geladen werden.

Kompensation der Rückfederung

Die Eigenschaft der Rückfederung macht es, ohne die Nutzung entsprechender Software-Tools, erforderlich, sich dem korrekten Ergebnis durch Try-and-Error zu nähern. Ein zeitaufwendiger und kostspieliger Vorgang. Die Module CimatronE Die Springback Analysis und Die Springback Deform liefern zunächst die Rückfederungsgeometrie unter Berücksichtigung der Artikelgeometrie, der Materialeigenschaften und weiterer Randbedingungen und unterstützen den Konstrukteur bei der Kompensation der Rückfederung, bei der der Artikel mit den ermittelten Werten überbogen wird.

Nach der Werkzeugkonstruktion folgen Dokumentation und Arbeitsvorbereitung. Hier greift CimatronE auf altbewährte Technologie zurück: Automatische 2D-Zeichnungsableitung inklusive Positionsnummern, falls gewünscht auch mit Schnittansichten, automatische Erzeugung von Bohrtabellen, Explosionsdarstellung und Stücklisten gehören zum Standard-Repertoire der CimatronE CAD-Lösung. Und für die Bohr-und Fräsbearbeitung bringt CimatronE mit seinen CAM-Lösungen die Erfahrung aus nunmehr 30 Jahren Formenbaupraxis mit. Abgerundet wird das ganze durch eine leistungsfähige NC-Programmierung zum Drahterodieren, die keine Wünsche offen lässt.

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