Smart Manufacturing Prozesse mit virtueller Fertigung beschleunigen

Von Dr. Bernhard Valnion*

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Mit virtueller Fertigung ist es möglich, die Ergebnisse besser abzusichern, Fehler zu vermeiden und Prozesse zu beschleunigen. Mayer Stahl und Apparatebau zeigt, wie das Coscom Eco-System auf Basis einer zentralen Fertigungs- und Werkzeugdatenbank von CAD/CAM über Simulationen bis zum Shopfloor für Vernetzung sorgt.

Datenvisualisierung direkt an der Maschine – Blick in den Coscom Infopoint VM an einer CNC-Fräsständermaschine. Obwohl die Dimensionen der Großbauteile groß sind, ist höchste Präzision und Maßhaltigkeit gefragt. Die umfassende Datenbereitstellung hilft, Aufspann- und Rüstzeiten zu minimieren.
Datenvisualisierung direkt an der Maschine – Blick in den Coscom Infopoint VM an einer CNC-Fräsständermaschine. Obwohl die Dimensionen der Großbauteile groß sind, ist höchste Präzision und Maßhaltigkeit gefragt. Die umfassende Datenbereitstellung hilft, Aufspann- und Rüstzeiten zu minimieren.
(Bild: Coscom Computer GmbH)

Der Lohnfertiger Mayer Stahl- und Apparatebau GmbH setzt auf die Möglichkeiten einer virtuellen Fertigung auf Basis des offenen Coscom Eco-Systems. So ist beispielsweise eine 1:1-Ergebnisabsicherung mit ‚echten‘ NC-Programmen in der Simulation gewährleistet. Einen weiteren Beitrag zur Prozessbeschleunigung insgesamt leistet zudem eine umfassende Rüstoptimierung durch digitale Arbeitsmappen in einem komplett vernetzten Shopfloor.

Präzise Fertigung von Großbauteilen ist anspruchsvoll

50 t Gewicht, 18 m Länge - Präzision in der Herstellung von Großbauteilen ist eine. Um diese Ansprüche erfüllen zu können, muss zunächst der Technologieparkt entsprechend technologisiert und eine digitale Tool-Infrastruktur vorhanden sein. Im Weiteren braucht es qualifizierte Mitarbeiter, die über handwerkliche Fähigkeiten und technischen Sachverstand verfügen. Denn es muss eine Maßhaltigkeit über eine große Distanz eingehalten werden. Wir sprechen dabei von 0,03 bis 0,05 mm bei einer Bearbeitungslänge von bis zu 18 m. Solche Aufträge für Großbauteile und Stahlkonstruktionen übernimmt Mayer Stahl- und Apparatebau aus Heidenheim schon seit mehr als hundert Jahren.

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Failure ist not an option bei der Fertigung von Einzelgroßteilen

In der Einzelgroßteil-Fertigung lässt sich in einem hart umkämpften Markt nur bestehen, wenn es zu keinen Kollisionen oder anderweitigen Fehlern bei der spanenden Bearbeitung kommt. Daher wird die Absicherung des gesamten Prozesses angestrebt. So eine lückenlose Absicherung ist besonders relevant, wenn es nur Bauteil bearbeitet wird, es also auch nur einen Versuch gibt.

Dabei hilft auch die 1:1-Simulation von Teilprozessen wie sehr aufwändigem Rüsten, zeitintensivem Auf- und Umspannen sowie Werkzeugwechsel bei der tatsächlichen Bearbeitung. „Failure is not an option“, dieser bekannte Spruch aus dem Film über die Apollo-13-Mondlandemission hat für den Geschäftsführer Martin Gentner, den Meister Zerspanung Dietmar Koch und den CNC- Programmierer Marijan Lokner eine besondere Bewandtnis. Lautet ihre Maxime doch: maximale Ergebnisabsicherung, 100% Fehlervermeidung, Rüstoptimierung und daraus abgeleitet die Beschleunigung des Arbeitsprozesses. Wie aber lassen sich diese hochgesteckten Ziele erreichen?

CAM-System allein ist nicht mehr ausreichend

Ganz klar, ein professionelles CAM-System ist ein wichtiger Lösungsbaustein dafür. Doch das allein reicht nicht aus. Der Brückenschlag von der idealisierten Welt der CAM-Simulation in die harte Realität der Bearbeitungszentren muss geschlagen werden. Deshalb hat sich Mayer Maschinenbau für Proficam Virtual Machining (VM) von Coscom Computer für die CAM- Programmierung und Vericut von Cgtech mit seiner NC-Satz-Simulation entschieden. Beide Tools sind gekoppelt an das Coscom Eco- System, bestehend aus Factorydirector VM und Tooldirector VM, welches die CAM-Programmierung und Maschinensimulation mit relevanten, digitalen Fertigungs- und Werkzeuginformationen versorgt. Mit NC-Programmen gespeist werden im Rahmen der mechanischen Bearbeitung die Fahrständer-Fräs- und -Bohrcenter FR 12000, FR 14000 und FS 18000 sowie Starbett-Fräsmaschinen SL 8000 und SP 10000, alle von Soraluce.

CAM-Programmierung soll zu 100 % abgesichert sein

Mit dem Ziel der hauptzeitparallelen 3D-Programmierung wurde das Coscom-Projekt vor einigen Jahren mit der Einführung von Proficam VM für den Bereich Fräsmaschinen mit Mehrseitenbearbeitung begonnen. Wenig später kam die Werkzeugverwaltung Tooldirector VM hinzu, die das CAM-System mit Werkzeugdaten versorgt und somit die Programmierung mit realistischen Geometrien der Werkzeuge erlaubt. Zug um Zug wurde der Tooldirector VM mit Daten über Werkzeugkomponenten und Komplettwerkzeuge angereichert. Inzwischen sind so rund 4.200 Komplettwerkzeuge im System hinterlegt. Dietmar Koch ist der Überzeugung: „Kein CAM-System mehr ohne Werkzeugverwaltun!“ und fügt hinzu: „Für die Maschinensimulation des kompletten Bearbeitungszyklus hatten wir uns für Vericut entschieden, um 100% auf Basis des NC-Codes nach dem Postprozesslauf in Proficam VM das Ergebnis abzusichern: Uns war bereits damals bewusst, dass die NC-Datensätze nochmals nach dem Postprozessor-Export getestet werden mussten, also jene NC-Sätze, die tatsächlich in der Maschine eingesetzt werden. Auch wenn Coscom sehr gute NC-Codes durch maschinenoptimierte Postprozessoren in seinem CAM-System liefert, wollen wir wirklich sicher bei der Kollisionskontrolle gehen.“ Wirtschaftliche Großteilfertigung verlangt eben diese Rückversicherung.

Die Soraluce-Maschinen haben keinen festen Werkzeugwechselpunkt, sondern nehmen das Werkzeugmagazin im Sinne von hauptzeitparallelem Rüsten bei der Bearbeitung mit, um die Spindellaufzeit zu maximieren. Das wird bei der NC-Satz- basierten Simulation von Vericut berücksichtigt. „Das ist sehr wichtig, weil man sich nicht genau vorstellen kann, ob beim Wechsel das Werkzeug mit einer Länge von zum Beispiel 300 mm nicht doch irgendwo am Werkstück bei einer Höhe von 5 m oder mehr aneckt“, erklärt Marijan Lokner. Durch die Proficam- Vericut-Kopplung ist die Kontrolle mit ‚echten‘ NC-Programmen nach dem Postprozessor-Export sichergestellt – die offene Coscom-Systemarchitektur mit der universellen CAM- und Simulationsschnittstelle Coscom TCI (Tooldata Cooperation Interface) macht’s möglich.

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Datenprozess soll bis an die Maschine lückenlos sein

Die Einführung des Tooldirector VM hob die CAM-Programmierung auf ein neues Qualitätsniveau und sorgte gleichzeitig für einen lückenlosen End-to-End-Prozess, bezogen auf das Durchreichen von digitalen Werkzeuginformationen bis in die Werkzeugvoreinstellung und an die Maschine: Werkzeuglisten, Zusammenbauvorschriften der Komplettwerkzeuge, vermessene Werkzeug-Ist-Daten wurden nun im gesamten Prozess unmittelbar verfügbar. „Die Bereitstellung von aktuellen Daten ist extrem wichtig, weil es um Rüst- und Bearbeitungszeiten von teilweise mehreren hundert Stunden geht. Da dürfen keine Irrtümer geschehen. Doch bei aller Digitalisierung wird der versierte Werker an der Maschine nach wie vor gebraucht, weil es sich ja um Einzelteilfertigung handelt. Jedes Bauteil muss schließlich individuell eingefahren werden“, betont Dietmar Koch. Die Details dazu sind zum Beispiel in den digital erfassten Spannplänen festgehalten.

Allein die exakte Positionierung eines Rohlings auf dem Maschinenbett von mehreren Tonnen Gewicht ist die erste, aber besonders wichtige Voraussetzung für eine schnelle Abarbeitung des Auftrags. Und es muss schnell gehen, daher wird parallel gearbeitet: „Zum Beispiel wird an der linken Seite des Maschinentischs ein Werkstück bearbeitet, während auf der rechten Seite, durch eine mechanische und elektronische Trennung geschützt, das nächste Werkstück aufgespannt und für den nächsten Bearbeitungsprozess vorbereitet wird – vorausgesetzt natürlich, die Situation lässt dies zu“, veranschaulicht Dietmar Koch eine typische Aufgabenstellung der Bearbeitung auf großen Maschinen. Die Bemaßung (bezogen auf den Nullpunkt) und die Spannpläne lagen früher nur in Papierform an der Maschine vor. Doch ging stets die Angst um, dass nicht alle notwendigen Informationen oder veraltete Daten die Maschine erreichen würden.

Zettelwirtschaft wurde durch virtuelle Fertigung abgelöst

Mayer Stahl- und Apparatebau ging im Laufe der Jahre noch weitere Schritte in Richtung virtuelles Fertigen und führte den Factorydirector VM ein, um sämtliche Papierdokumente zu digitalisieren und auf Infopoints zu visualisieren. Aus Sicht von Dietmar Koch war es ein großer Schritt nach vorne, als jede Maschine mit einem PC und einem Monitor ausgerüstet wurde und damit die Zettelwirtschaft ein Ende fand: „Alle bereitgestellten Daten werden nun direkt vor der Maschine mit dem Coscom Infopoint VM visualisiert. Selbst die Simulation kann dort aufgerufen werden und man kann sich die konkrete Aufspannsituation in 3D anzeigen lassen und von allen Seiten aus begutachten.“ Wirklich alles, was vor Ort benötigt wird, ist nun 100% digital über den Infopoint VM abrufbar: Werkzeuglisten, Spannpläne, NC-Programme und Simulationen, was zu signifikanter Fehlerreduktion und Erhöhung der Präzision bei der Bearbeitung führt.

Nun darf man sich den Datenfluss am Infopoint VM aber nicht als Einbahnstraße vorstellen, denn in der Ausbaustufe mit einem Kommunikationsmodul kann der Werker über den Infopoint VM Rückmeldung an die Arbeitsvorbereitung oder den Meister geben, etwa wenn etwas nicht vorrätig ist. Das steigert die Produktivität, denn fehlende Informationen sind ein Synonym für Maschinenstillstand. Der Werker dokumentiert seine Arbeitsgänge über den Infopint VM direkt in den PDF-Zeichnungen, was die unmittelbare Nachverfolgbarkeit der einzelnen Tätigkeiten garantiert. Dieses ‚digitale Markieren‘ sei eine Besonderheit von Mayer, wie der zuständige Coscom-Vertriebsbeauftragte Peter Schrumpf betont. Die Werker arbeiten im 3-Schichtbetrieb. Jedem Kollegen ist eine Farbe zugewiesen, die sie nutzen, um jene Bereiche des Bauteils zu kennzeichnen, die sie bearbeiten.

Digitalisierung zu Ende gedacht – Papier ade

Bei Mayer Stahl- und Apparatebau dient der Factorydirector VM als zentrale Datenbasis für alle Fertigungsdaten und digitalen Fertigungsdokumente. Alle Technologiedaten rund um ein Werkstück, wie NC-Programme, Fertigungszeichnungen, Rüstlisten und Aufspannpläne werden nun zentral in einer Datenbank verwaltet und von dieser aus allen Prozessteilnehmern gemäß der anstehenden Aufgabe in der Arbeitsvorbereitung und im Shopfloor zur Verfügung gestellt.

Auch der Factorydirector VM arbeitet in beide Richtungen: So werden die während des Produktionsprozesses optimierten NC-Codes, etwa in Hinsicht auf angepasste Vorschübe oder Fräswegekorrekturen, in die Datenbank zurückgespielt. „Im Falle der Wiederholteilfertigung bedeutet diese Fertigungsdokumentation, dass das Coscom Eco-System eine Knopfdruck-Lösung aufgrund von ausgeklügelter Knowhow-Sicherung aus der vorangegangenen Fertigung ist“, sagt Geschäftsführer Martin Gentner. Es werden sämtliche Fertigungsinformationen ausnahmslos digitalisiert. In Summe sind es bis dato rund 12.000 auftragsbezogene Technologiedatensätze – das ist das Ergebnis von durchschnittlich 250 Aufträgen pro Jahr, wobei für jeden Auftrag im Schnitt vier bis fünf NC-Programme erstellt werden. Der Geschäftsführer rechnet vor: „Nahm früher eine typische Bauteil-Bearbeitung rund 15 Arbeitstage in Anspruch, sind es heute keine zehn mehr. Gut 25% der erzielten Zeiteinsparungen haben wir durch die Digitalisierung mit Coscom erreicht“ Marijan Lokner äußert sich ähnlich: „70% aller Teile könnten wir heute ohne Digitalisierung gar nicht mehr effizient und wettbewerbsfähig produzieren“. Die virtuelle Fertigung sichert Mayer Stahl- und Apparatebau so ihre Existenz als Großteile-Lohnfertiger, wobei Wettbewerbsfähigkeit nicht nur im Sinne von minimalen Bearbeitungszeiten verstanden werden sollte, sondern auch als Fähigkeit, die steigenden Qualitätsanforderungen der Kunden weiterhin erfüllen zu können.

* Dr. Bernhard Valnion arbeitet als freier Fachjournalist in München.

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