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Der Wunsch nach digitalen Zwillingen geht in Erfüllung

Wenn CAD/CAM-Experten mit CNC-Praktikern reden, klingt das für Außenstehende manchmal verwirrend. Beispielsweise wünschen sich viele Unternehmen neuerdings „digitale Zwillinge“. Aber was ist eigentlich ein digitaler Zwilling? Und wofür braucht man ihn?

Digitaler Zwilling

Die zunehmende Individualisierung von Produkten sowie immer kürzere Produktlebenszyklen stellen auch CNC-Lohnfertigungsbetriebe vor neue Herausforderungen: Der Wettbewerbs- und Kostendruck steigt, der Fertigungsprozess muss immer effizienter werden. Dazu kommt, dass Maschinen am produktivsten sind, wenn das Werkzeug „im Span“ ist. Das bedeutet im Umkehrschluss: Nebenzeiten müssen reduziert und möglichst viele Aufgaben weg von der Maschine in die Arbeitsvorbereitung verlagert werden. Mit der Digitalisierung des Zerspanungsprozesses wollen Unternehmen genau das erreichen. Der erste wichtige Schritt zu dieser Digitalisierung ist die Nutzung einer CAD/CAM-CNC-Prozesskette. Dadurch können Programmier-, Simulations- aber auch Einrichtvorgänge offline in der Arbeitsvorbereitung durchgeführt werden.


Abgestimmtes Paar für den Zerspanungsprozess

Je durchgängiger und vollständiger die CAD/CAM-CNC-Prozesskette und je realitätsnäher das digitale Abbild dieses Prozesses ist, desto höher ist der Produktivitätsgewinn für das Unternehmen. Das digitale Abbild des Fertigungsprozesses wird daher auch als digitaler Zwilling bezeichnet – weil sich realer und digitalisierter Prozess möglichst ähnlich sehen sollten. Mit der Kombination des CAD/CAM-Systems NX und der CNC SINUMERIK bietet Siemens bereits heute einen digitalen Zwilling des gesamten Zerspanungsprozesses.

Durchgängige CAD/CAM-CNC-Prozesskette

Computer-Aided Design (CAD) bezeichnet die rechnerunterstützte Konstruktion und Entwicklung. Das Produkt entsteht dabei detailgetreu am Computer. Ähnelte dies früher dem technischen Zeichnen, haben sich moderne Systeme wie NX-CAD mittlerweile zu komplexen Expertensystemen entwickelt. So lassen sich damit schon in ganz frühen Phasen der Entwicklung eine Finite- Elemente-Analyse oder Strömungs- und Wärmeübertragungs-Analysen durchführen. CAD spielt aber auch in der CNC-Arbeitsvorbereitung eine Rolle. In diesem Fall steht nicht die konstruktive Veränderung der zur Verfügung gestellten CAD-Daten im Vordergrund, sondern die CAD-Daten müssen für die CNC-Fertigung analysiert und gegebenenfalls ergänzt werden. Zum Konstrukteur wird der Techniker in der CNC-Arbeitsvorbereitung, wenn es darum geht, Spannmittel, Sonderwerkzeuge oder komplexere Rohteilgeometrien mittels CAD zu modellieren. Daher ist die Durchgängigkeit zwischen CAD- und CAM-Modul wie in NX ein wichtiger Produktivitätsfaktor.

Computer-Aided Manufacturing (CAM), sprich rechnerunterstützte Fertigung, bezeichnet die Verwendung einer von der CNC-Maschine unabhängigen Software zur Erstellung des NC-Codes. Anders als bei der werkstattorientierten Programmierung (WOP) werden hier die NC-Programme bereits in der Arbeitsvorbereitung erstellt. Hauptaufgabe eines CAM- Systems ist die Überführung von CAD- Daten in Werkzeugbahnen. Die Durchgängigkeit zwischen dem CAM- System und der CNC in der Maschine ist deshalb ein großer Vorteil. Beispielsweise ist es bei der Bearbeitung von Freiformflächen extrem wichtig, dass das CAM-System die Geschwindigkeitsführung der CNC exakt parametriert. NX und SINUMERIK sind diesbezüglich optimal aufeinander abgestimmt, denn NX beliefert den High-Speed-Setting- Zyklus Cycle832 mit den erforderlichen Daten und bringt damit die  SINUMERIK in der Maschine auf Höchstform.

Die immer komplexeren Maschinenkonzepte erfordern Maßnahmen zur Kollisionsvermeidung möglichst schon während der CNC-Arbeitsvorbereitung. Hier bieten CAM-Systeme entsprechende Simulationsmodule, um die Prozesseffizienz und Prozesssicherheit bei der CNC-Fertigung zu gewährleisten. Die reine Darstellung von Werkzeugbahnen lässt sich durch das Einbeziehen von Werkzeuggeometrien und Rohteilmaßen zur Abtragssimulation erweitern. Bei einer Simulation mit virtuellen Werkzeugmaschinen werden die Werkzeugbahnen zusätzlich auf einem 3D-Modell der Maschine abgebildet. Dabei können nicht nur Kollisionen des Werkzeugs mit dem Werkstück, sondern auch Kollisionen des Werkzeugs mit der Maschine oder Spannmitteln erkannt werden. Dadurch erhöht die virtuelle Maschine in NX-CAM die Prozesssicherheit erheblich. Während herkömmliche CAM-Systeme die Simulation lediglich mit neutralen, also CNC-unabhängigen Werkzeugbahnen versorgen, verwendet NX-CAM als Eingangsgröße das bereits vom Postprozessor übersetzte CNC-Teileprogramm. NX bezieht damit den Einfluss der CNC in das Simulationsergebnis ein. Das Ergebnis ist ein exakteres Prozessabbild im Vergleich zu herkömmlichen CAM-Systemen und somit eine höhere Prozesssicherheit.

Perfekte Simulation mit dem SINUMERIK VNCK-Kern

Technische Voraussetzung für die nahezu 100-prozentige Simulation des CNC-Programms ist die Nachbildung des CNC-Kerns im CAD/CAM-Rechner. Diese umfasst typische Funktionen wie CNC-Interpreter, CNC- Interpolator und die Berechnung der kinematischen Transformationen, beispielsweise einer 5-Achs-Fräsmaschine. Mit der Common Simulation Engine verfügt NX-CAM über einen universellen CNC-Emulator, der CNCs unterschiedlicher Hersteller sehr genau nachbilden kann.

Besonders präzise ist aber das Zusammenspiel mit SINUMERIK, denn nur für diese CNC bietet NX-CAM den virtuellen SINUMERIK-CNC-Kern (VNCK) an. Da dieser VNCK identisch mit der SINUMERIK in der Zielmaschine ist, kommt das Prozessabbild der Simulation der realen Bearbeitung sehr nahe. Speziell bei komplexen Maschinen oder extrem teuren Werkstücken ist der SINUMERIK VNCK deshalb ein häufig in der CNC-Arbeitsvorbereitung genutztes Tool. Ein weiterer Vorteil dieser Integration: Die simulierte Programmlaufzeit des SINUMERIK VNCK ist nahezu identisch mit der Programmlaufzeit in der Maschine. Das ermöglicht es Anwendern, bereits in der Angebotsphase und auf Basis einer Simulation Stückkosten sehr zuverlässig zu berechnen. Dank der vollwertigen SINUMERIK Operate-Bedienoberfläche des SINUMERIK VNCK lässt sich außerdem das Einfahren des CNC-Programms an der Maschine bereits am PC verifizieren. Wie die Erfahrung zeigt, können auf diese Weise die Einrichtzeiten bei Neuteilen um bis zu 20 Prozent verkürzt werden.

Von der VNCK-Anwendung profitieren sowohl Großserienfertiger als auch Hersteller von lang laufenden Bauteilen wie zum Beispiel komplexen Formen, da die Fertigungskosten bereits im Vorfeld transparent gemacht und spanlose Zeiten der Maschine vermieden werden. Maximalen Nutzen haben die Maschinenbauer aber erst, wenn sie die VNCK-Anwendung konsequent in ihren Fertigungsprozess integrieren.

Digitaler Zwilling mit Perspektive

Neben höherer Prozesssicherheit und Prozesseffizienz punktet die Kombination aus NX und SINUMERIK mit weiteren Vorteilen: Die Prozesskette kommt aus einer Hand, ist perfekt aufeinander abgestimmt und minimiert so den Aufwand bei Schnittstellenanpassungen und Software-Updates. Zusätzlich bietet eine breit etablierte Komplettlösung nur eines Anbieters wie NX plus SINUMERIK mehr Sicherheit bei der Personal- und Ressourcenplanung. Dagegen erzeugt eine CAD/CAM-CNC-Prozesskette aus Softwaremodulen verschiedener Hersteller zusätzliche Kosten – beispielsweise durch Anpassungen der Schnittstellen sowie durch anstehende Software- Updates aufgrund von Inkompatibilitäten. Außerdem erfordert die Kombination der Softwaremodule verschiedener Hersteller individuelle Spezialisten. Bei Personalveränderungen und in Zeiten des Fachkräftemangels führt das schnell zu Engpässen in der Fertigung.

Siemens ist aktuell der einzige Anbieter im Markt, der mit SINUMERIK und NX sowohl CNC-Technik als auch ein CAD/CAM-System aus einer Hand anbieten kann. Die extrem breite Marktaufstellung beider Teilsysteme sorgt für hohe Investitionssicherheit in der CAD/CAM-CNC-Prozesskette – also gute Zukunfts- und Entwicklungschancen für den digitalen Zwilling