Simulation Digitale Prozesskette für die additive Mehrachsfertigung

Autor / Redakteur: Ruturaj Shilimkar, Lothar Glasmacher und Tim Spiering / Stefanie Michel

Für das additive Inkjet-Druckverfahren arbeitet FPT Robotik mit Moduleworks zusammen, um optimale Werkzeugwege für die Inkjet-Druckmaschine zu erzeugen. Die Herausforderung ist, dass sich mehrere Druckköpfe während des Druckprozesses synchron im Raum bewegen. Dazu braucht es die Werkzeugweg- und Simulationskomponenten von Moduleworks.

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Bild 1: Für den digitalen Freiformdruck setzt FPT Robotik auf die Werkzeug- und Simulationskomponenten von Moduleworks.
Bild 1: Für den digitalen Freiformdruck setzt FPT Robotik auf die Werkzeug- und Simulationskomponenten von Moduleworks.
(Bild: FPT)

Die Gestaltung von komplexen Darstellungen (ohne Volltonfarben) auf 3D-Oberflächen wird meist mithilfe von Transferfolien durchgeführt. Diese dehnbaren Folien werden entweder digital (z. B. Inkjet-Druck) oder analog (z. B. Flexodruck) mit dem Dekorelement bedruckt. Anschließend wird die bedruckte Folie auf das Bauteil „gespannt“. Dieser Prozess kann manuell oder halbautomatisch erfolgen und nennt sich In-Mould Decoration (IMD) oder Water Transfer Films. Aufgrund der berührungslosen und direkten Bedruckung des Zielbauteils ist das Inkjet-Druckverfahren im Vergleich zum IMD-Verfahren effizienter und kostengünstiger für die Kleinserienproduktion.

Folien oder Druckformen sind beim „Free-Form Digital Printing“ überflüssig, denn bei dieser Drucktechnik werden keine kostspieligen Materialien und Werkzeuge benötigt. Stattdessen werden diese werden durch die digitale Halbzeugbahn und Designmuster ersetzt. Der Werkzeugweg für die digitalen Halbzeuge wird berechnet und für die Maschinenbewegung simuliert, um mögliche Kollisionen in einer Moduleworks-Offline-Programmierumgebung zu überprüfen. Durch das Modul zur Planung der Werkzeugwege und die virtuelle Umgebung der Maschinensimulation lässt sich der Druck wesentlich schneller optimieren und anpassen. So ermöglicht dieses Verfahren die Herstellung von Kleinserien und Großserien von Bauteilen bis etwa 500.000 Stück zu angemessenen Preisen und erlaubt es außerdem, ein einzelnes Bauteil ohne zusätzliche Rüstkosten, Änderungskosten, Werkzeugkosten und Materialkosten nach Kundenwunsch umzugestalten.

Das große Potenzial von Freiform-Digitaldruckverfahren liegt darin, dass damit kostengünstiger und nachhaltiger produziert werden kann als mit bestehen Druckverfahren. Darüber hinaus ebnet es, durch die kostengünstige Herstellung maßgeschneiderter Produkte, den Weg zu neuen Märkten und macht dieses Verfahren somit zu einem disruptiven Produktionsprozess.

Bild 2: Die STEP-Datei als Eingabe für die CAD-Software.
Bild 2: Die STEP-Datei als Eingabe für die CAD-Software.
(Bild: ModuleWorks)

Geometrische Modellanalyse der Testgeometrie

Doch wie funktioniert das Verfahren? Die CAD-Daten werden zunächst in eine CAD-Software eingegeben (Bild 2). Nach dem Import der Daten werden diese auf geschlossene Geometrien, die einheitlichen Richtungsnormalen der Geometrie sowie die offenen Kanten oder Scheitelpunkte der Geometrie analysiert. Bild 3 zeigt die offenen Kanten/Scheitelpunkte und die Oberflächennormalen für die Testgeometrie. Diese offenen Kanten/Scheitelpunkte und die Oberflächennormen haben eine erhebliche Auswirkung während des Werkzeugwegerzeugungsprozesses. Aus diesem Grund wird die gewünschte Geometrie vor der Werkzeugwegerzeugung analysiert.

Bild 3: Die offenen Kanten/Scheitelpunkte (links) und die Oberflächennormalen für die Testgeometrie (rechts).
Bild 3: Die offenen Kanten/Scheitelpunkte (links) und die Oberflächennormalen für die Testgeometrie (rechts).
(Bild: ModuleWorks)

Nachdem die CAD-Daten auf ihre Integrität geprüft wurden, definiert der Anwender die Werkzeugwegstrategien, den Werkzeugweg und die Prozessparameter für das Erzeugen des Werkzeugwegs. Die Operationen des Bearbeitungswerkzeugwegs werden auf der Grundlage des Moduleworks-Kerns berechnet, der CAD- oder Netzdatenmodelle verwendet. Der Prozess, um den Werkzeugweg zu generieren, ist nicht nur auf Planflächen beschränkt, sondern berücksichtigt auch Freiformbearbeitungsflächen als Vorgabe.

Die Volumina für diese Plan-/Freiformflächen können generativ erzeugt und entsprechend der gewünschten Schichtdicke in 3D-Schichten aufgeteilt werden. Zudem basiert die Erstellung der schichtweisen Werkzeugwege auf den Werkzeugwegmustern, die durch die Bahnkurven, durch die Verschneidung von Führungsflächen oder durch automatisch generierte Mittelachsen definiert werden. Die Ausbreitung der Werkzeugbahnen kann über verschiedene Sortierparameter gesteuert werden. Um die Bahngenauigkeit zu optimieren, lassen sich Punktverteilungen und Orientierungsführung des Druckkopfs durch zusätzliche Parameter festlegen. Die Kombination der einzelnen additiven Werkzeugwege und der Schichten ist automatisch kollisionsfrei ausgelegt.

Richtiger Werkzeugweg verhindert Kollisionen

Bild 4: Definition der Werkzeugeinrichtung für die Berechnungen des Werkzeugwegs und die automatische Kollisionsvermeidung.
Bild 4: Definition der Werkzeugeinrichtung für die Berechnungen des Werkzeugwegs und die automatische Kollisionsvermeidung.
(Bild: ModuleWorks)

Für das Inkjet-Druckverfahren muss der Werkzeugtyp definiert werden (Bild 4), um 6-achsig um den „Tool Center Point“ (TCP) schwenken zu können. Durch Eingabe eines Druckkopfes als frei definierbare Mesh-Gemeometrie, kann der Druckprozess optimal vorbereitet werden. Die Kollisionsgeometrie wird verwendet, um mögliche Kollisionen von Druckkopf und Werkstück zu vermeiden.

Nach der Konfiguration des Werkzeugs definiert der Benutzer auch die Werkzeugwegmuster (Führungskurve, Führungsnetz, mittlere Kurve) und die Sortierstrategien (Einweg, Zickzack, Spirale), um den gewünschten Werkzeugweg zu generieren. Dabei helfen die verschiedenen Kollisionsvermeidungsstrategien beim Erzeugen von kollisionsfreien Werkzeugwegen. Hier kann der Benutzer zwischen dem Ausgabeformat (3, 5 oder 6-Achsen) für den zu generierenden Werkzeugweg wählen. Außerdem werden die gewählte Druckkopfeinrichtung, das Achsenausgabeformat und die Kollisionsvermeidungsstrategien berücksichtigt.

Bild 5: Strategien zur Kollisionsvermeidung
Bild 5: Strategien zur Kollisionsvermeidung
(Bild: ModuleWorks)

Anhand der Testgeometrie wird deutlich: Beim 3-Achsen-Ausgabeformat und dem anfänglichen Druckkopfeinrichtungsabstand werden nur für bestimmte Bereiche der Testgeometrie, die kollisionsfrei sind, Werkzeugwegschnitte erzeugt (Bild 6, links). Die Bereiche, in denen keine Werkzeugweg-Pfade erzeugt werden, weisen auf Kollisionsbereiche zwischen dem Druckkopf und dem Werkstück hin. Vergrößert man den anfänglichen Werkzeugabstand, werden mit dem 3-Achsen-Ausgabeformat kollisionsfreie Werkzeugweg-Pfade über die gesamte Geometrie erzeugt (Bild 6, rechts). Ein 5-Achsen-Werkzeugweg wird für die Seitenfläche der Testgeometrie erzeugt und mithilfe verschiedener Kollisionsprüfstrategien automatisch auf Kollisionen geprüft. So kann der Anwender schnell den Werkzeugabstand, die Ausgabeformate der Werkzeugwege und die Kollisionsprüfungsstrategien zur Erzeugung des Werkzeugweges und zur automatischen Prüfung der möglichen Kollisionen übernehmen.

Bild 6: Ausgabe des Werkzeugwegs für die 3-Achsen-Bearbeitung. In der linken Abbildung führt die anfängliche Auswahl der Werkzeugeinrichtung zur Erzeugung eines Werkzeugwegs über bestimmte Regionen, die kollisionsfrei sind. Rechts führt die Vergrößerung des Werkzeugeinrichtungsabstands zu einem kollisionsfreien Werkzeugweg über die gesamte Geometrie.
Bild 6: Ausgabe des Werkzeugwegs für die 3-Achsen-Bearbeitung. In der linken Abbildung führt die anfängliche Auswahl der Werkzeugeinrichtung zur Erzeugung eines Werkzeugwegs über bestimmte Regionen, die kollisionsfrei sind. Rechts führt die Vergrößerung des Werkzeugeinrichtungsabstands zu einem kollisionsfreien Werkzeugweg über die gesamte Geometrie.
(Bild: ModuleWorks)

Mit Maschinensimulation Druckfehler vermeiden

Das Maschinensimulationsmodul hilft dabei, unerwartete Situationen wie Kollisionen zwischen dem Bauteil und dem Druckkopf zu vermeiden, und erleichtert die Vorhersage und Vermeidung von Druckfehlern vor dem eigentlichen Druckprozess. Das generierte Ausgabeformat des 3-Achsen-Werkzeugwegs wird mit der anfänglichen Druckkopfeinrichtung und ohne das Kollisionsprüfungsmodul in der Maschinensimulationsumgebung simuliert; in roter Farbe sind dann mögliche Kollisionen sichtbar (Bild 8).

Bild 8: 3-Achsen-Ausgabeformat der Werkzeugbahnsimulation ohne das Kollisionsprüfungsmodul. Die Kollisionen sind in roter Farbe dargestellt.
Bild 8: 3-Achsen-Ausgabeformat der Werkzeugbahnsimulation ohne das Kollisionsprüfungsmodul. Die Kollisionen sind in roter Farbe dargestellt.
(Bild: ModuleWorks)

Der Werkzeugabstand zwischen dem Druckkopf und dem Werkstück kann an die Anforderungen des Druckprozesses angepasst und im Maschinenmodell erneut simuliert werden. Doch führt die Maschinensimulation des 3-Achsen-Werkzeugweg-Ausgabeformats mit dem Kollisionsprüfungsmodul zu einer begrenzten Anzahl von Werkzeugweg-Durchläufen.

Da es sich bei der Druckkopfgeometrie um ein komplex gestaltetes, nicht-rotationssymmetrisches Werkzeug handelt, wird dies bei den Berechnungen des Werkzeugwegs berücksichtigt und somit werden die Kinematik und die Kollisionsvermeidungslösungen automatisiert. Zudem hat der Bediener die Möglichkeit aus technischen Gründen (Sichtbarkeit und Zugänglichkeit in der Maschine) eine andere kinematische Lösung zu wählen.

Bild 9: 3-Achsen-Ausgabeformat der Werkzeugwegsimulation mit dem Kollisionsprüfungsmodul.
Bild 9: 3-Achsen-Ausgabeformat der Werkzeugwegsimulation mit dem Kollisionsprüfungsmodul.
(Bild: ModuleWorks)

NC-Code generieren und Druckprozess vorbereiten

Sind die kinematischen Lösungen validiert und bestätigt, wird eine NC-Datei über das NC-Code Post-Processing Framework (PPF) erzeugt. Das PPF hilft beim Generieren einer NC-Code-Datei, die der Syntax der Maschinensteuerung und den Prozessanforderungen entspricht. Die PPF-Logik verwendet dabei Informationen aus dem Werkzeugweg, wie beispielsweise ein Bewegungsfenster und Werkzeugwegmarkierungen, für die Ausgabe der zusätzlichen Informationen für die Druckprozessbefehle, welche während der NC-Dateierzeugung erforderlich sind.

Aufgrund der hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit des Systems können auch große Werkzeugwege mit einer Geschwindigkeit von mehr als 50.000 Bahnpunkten pro Sekunde verarbeitet und an die Steuerung übertragen werden. Der NC-Code kann auch direkt an die Steuerung gestreamt werden. Der Server für die NC-Code-Nachbearbeitung kann unabhängig von der CAD/CAM-Workstation im Firmennetzwerk platziert werden oder auch als Cloud-System fungieren. Die erzeugte Datei mit dem NC-Code wird schließlich an die Maschinensteuerung übertragen, wodurch der eigentliche Druckprozess gestartet wird. Im Anschluss an den Druckprozess werden die Bauteile gegebenenfalls nachbearbeitet.

Integration in die Fabrikautomation

Die Anwendung des 5-Achsen-Inkjet-Druckverfahrens mit dem Berechnungs- und Simulationskern von Moduleworks wird mithilfe der Testgeometrie dargestellt. Dies ermöglicht weiterhin die Integration der standardisierten digitalen Inkjet-Druckverfahren für die Fabrikautomation sowie für eine vielfältige Palette von anpassbaren Beschichtungs- und Dekorationkomponenten. Eine schablonenbasierte Automatisierungslösung, die auf demselben Berechnungskern basiert, kann für die Bauteilfamilien weiter umgesetzt werden. Zunächst werden die Template-Prozesse der Bauteilfamilie erstellt. In einem Shopfloor-basierten Modus mit Vorlagenauswahl kann der Maschinenbediener eine an das aktuell aufgespannte Bauteil angepasste Werkzeugwegberechnung initiieren. Dementsprechend können auch Anpassungen auf Basis von Messdaten der Maschine eingeleitet werden. Verformungen oder Ungenauigkeiten des zu beschichtenden oder zu dekorierenden Basisbauteils können so während des Bearbeitungsprozesses berücksichtigt werden. Dieser digitale Kreislauf kann durch eine OPC-UA-Anbindung abgeschlossen werden und schließt somit die digitale Prozesskette.

* Ruturaj Shilimkar ist Application Engineer, Lothar Glasmacher ist Head of Additive and Process Technologies bei der Moduleworks GmbH in 52072 Aachen, Tel. +49 241 9900040, info@moduleworks.com. Dr.-Ing. Tim Spiering ist Leiter der Unternehmensentwicklung bei der FPT Robotik GmbH & Co. KG in 88279 Amtzell, Tel. +49 7520 9513-0, robotik@fpt.de

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