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CAM/CNC-TechnologieDas richtige Profil im Werkzeugbau

Anspruchsvolle Kunststoffprofile für Fenster und Türen herzustellen, erfordert qualitativ hochwertige Strangpress-Werkzeuge. Oft haben die Werkzeugbauer bei Profine nur sechs Wochen Zeit, um die Extrusionsanlagen zu konstruieren und zu fertigen. Durch die Einführung von NX als durchgängige CAD/CAM-Lösung konnte man nicht nur den Konstruktionsaufwand, sondern auch die NC-Programmierzeiten im Werkzeugbau um 30 Prozent reduzieren.

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CAM/CNC-Technologie: Das richtige Profil im Werkzeugbau

Eine Extrusionsanlage der Profine GmbH - International Profile Group - ist gut und gerne 30 m lang. Denn um Kunststoffprofile zu extrudieren, sind immer mehrere Werkzeuge erforderlich: Angefangen vom Düsenteil, das die Kontur des Profils und des Innenlebens vorgibt, über die Kalibrierung der Außenflächen und die Kühlstrecke im Vakuumtank bis zum Abzug und Zuschnitt. Dazwischen sitzt noch eine separate Einheit für die Co-Postextrusion, welche die Dichtungen aus einem anderen Material an die Profile anspritzt. Eine Herausforderung für die Werkzeugbauer bei Profine ist der wachsende Termindruck. "Bei den kurzen Durchlaufzeiten von fünf bis sechs Wochen können wir uns keine Fehler leisten", erläutert Konstrukteur Frank Helbing. In der Vergangenheit konnte es passieren, dass Komponenten von Lieferanten nicht so zurückkamen, wie von der Konstruktion vorgegeben. Doch gerade diese Zusammenarbeit ist für die Firmengruppe wichtig, deren Hauptsitz Troisdorf ist und die an den Standorten Berlin und Pirmasens produziert; in Pirmasens ist auch der Werkzeugbau angesiedelt. "Wir entwickeln deshalb auch für andere Standorte und Marken der Gruppe", fährt Helbing fort. "Gefertigt werden die Werkzeugkomponenten dann zum Teil bei anderen Firmentöchtern, zum Teil bei externen Lieferanten." Außerdem vergibt das Unternehmen je nach Komplexität der Anforderungen und freien Kapazitäten komplette Werkzeugsätze nach außen.

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Ein weiteres Problem war die Systemlandschaft. Zwar modelliert man bei Profine die Werkzeuge seit 2008 in 3D, aber mit dem alten 3D-CAD-System I-Deas konnten nicht alle Details bis zum letzten Kühlkanal abgebildet werden. Viele Einzelheiten wurden auf der Basis der Maßangaben und Textinformationen in der Zeichnung erst bei der Erzeugung der NC-Programme definiert. Das kostete nicht nur Programmierzeit, sondern führte gerade bei der Fremdvergabe von Fertigungsaufträgen immer wieder zu Fehlern und Missverständnissen.

Die NC-Programmierer arbeiteten zudem mit fünf verschiedenen CAM-Systemen, um die unterschiedlichen Fertigungsverfahren (Fräsen, Bohren, Gewindeschneiden, Schleifen, Draht- und Senkerodieren etc.) abzudecken. Aufbereitung und Übergabe der Konstruktionsdaten an die verschiedenen Insellösungen waren zeitaufwendig, nicht nur weil sie in das STEP- oder IGES-Format konvertiert werden mussten. Meist waren auch noch konstruktive Anpassungen oder Hilfskonstruktionen erforderlich, um die einzelnen Bearbeitungsschritte programmieren zu können. Bei nachträglichen Änderungen an den Konstruktionsdaten mussten die darauf aufbauenden NC-Programme oft ganz oder teilweise neu erstellt werden. Hinzu kam, dass die bestehenden Anwendungen den künftigen Anforderungen an die Bearbeitung in punkto 5-Achs-Simultanbearbeitung nicht gewachsen waren. "Wir standen also vor der Herausforderung, unsere Systemlandschaft zu konsolidieren und unsere Prozesse zu optimieren, um die Durchlaufzeiten weiter reduzieren zu können", erinnert sich Helbing, der das entsprechende Integrationsprojekt im Werkzeugbau leitete.

Durchgängigkeit und Altdatennutzung waren entscheidend

Unklar war zunächst, ob man sich für zwei separate - aber preiswerte - Lösungen für CAD und CAM entscheiden sollte oder für die Integrationslösung eines der High-end-Anbieter. Das Projektteam, dem auch eine CAM-Programmiererin und ein Mitarbeiter aus der IT angehörten, untersuchte deswegen im Rahmen eines Benchmarks verschiedene Systemlösungen und -kombinationen und entschied sich am Ende für das integrierte CAD/CAM-System NX von Siemens PLM Software und deren PLM-Lösungs-Partnern im Netzwerk von Adanos - eine Kooperation der Firmen A+B Solutions GmbH, Dr. Wallner Engineering GmbH, Janus Engineering AG und BCT Technology AG. Ausschlaggebend war nicht nur die Durchgängigkeit von CAD und CAM und die gute Unterstützung der in Frage kommenden Fertigungsverfahren einschließlich der 5-Achs-Simultanbearbeitung, sondern auch die Möglichkeit, den großen Bestand an Altdaten in der neuen Umgebung weiter verwenden zu können.

Der 3D-Datenbestand von Profine umfasst Tausende von Baugruppen, die sich aus bis zu 1.500 Einzelteilen zusammensetzen können. "Am Ende haben wir allerdings weit weniger Daten migriert als ursprünglich vorgesehen", berichtet Frank Helbing, weil die Anwender ihre Werkzeuge lieber gleich in NX neu aufbauten, um die Vorteile des Systems ausschöpfen zu können. Binnen zwei Jahren habe man auf diese Weise 21.000 Teile neu in NX angelegt. "Sogar unsere Lehrwerkstatt hat geholfen, Teile nachzumodellieren." Inzwischen liegen alle aktuellen Werkzeugdaten und Programme in NX vor.

Eine wichtige Rolle spielten auch die Adanos-Partner, weil das Netzwerk verschiedene Kompetenzen bündelt. Janus Engineering kümmerte sich um die Implementierung der CAM-Lösung, die Programmierung der Postprozessoren und die Anbindung des Maschinenparks - ein 3-Achs-Bearbeitungszentrum von Matec und verschiedene 3-Achs-Fräsmaschinen von Maho. Die Drahterodiermaschinen werden zur Zeit noch mit einem anderem CAM-System programmiert, sollen aber ebenfalls an NX-CAM - die CAM-Komponente von NX - angebunden werden. Nach Abschluss der CAM-Installation übernahm darüber hinaus BCT Technology die Regie, um das CAD-System in der Werkzeugkonstruktion einzuführen, die Anwender umzuschulen und sie bei der Definition von Vorlagen für die Automatisierung von bestimmten Konstruktionsschritten zu unterstützen. "Dass wir das CAM-Modul zuerst eingeführt haben, war dabei kein Nachteil", betont Helbing, "weil wir die I-Deas-Daten in NX-CAM einlesen konnten." In NX sind ja die Systeme I-Deas und Unigraphics zusammengeführt worden.

Umstellung der Arbeitsmethodik

Für die Werkzeugkonstrukteure bedeutete der Umstieg von I-Deas auf NX dennoch eine ziemliche Umstellung, weil sie sich eine andere Arbeitsmethodik aneignen mussten. "Dabei hat uns BCT gut unterstützt", so Helbing weiter. "In I-Deas geht man immer vom Negativ aus und modelliert auch die Geometrie, die eigentlich abgezogen wird. In NX ist die Vorgehensweise genau umgekehrt: Das heißt, man konstruiert das Bauteil so wie es nachher gefertigt wird. Macht man das nicht, lassen sich die Vorteile der Feature-Technologie wie Bohrungen, Gewinde oder Fasen nicht bei der CAM-Programmierung nutzen." Etwa ein halbes Jahr dauerte es, bis die Konstrukteure ihre Werkzeuge mit NX genauso schnell wie mit I-Deas modellieren konnten ¿ mittlerweile sind sie überzeugte NX-Anwender und wollen das System nicht mehr missen.

NX erlaubt darüber hinaus ein hohes Maß an Standardisierung bei der Werkzeugkonstruktion, was sich inzwischen auch zeitlich bemerkbar macht. Die Konstrukteure nutzen nicht nur das Normteil-Package von BCT, sondern sie haben auch eigene Bibliotheken mit Kaufteilen (etwa den Kühlanschlüssen von Camozzi) angelegt. Außerdem haben sie einheitliche Vorlagen für Werkzeugplatten und andere häufig wiederkehrende Standardelemente wie zum Beispiel die Düsengeometrie definiert, die sich über die Eingabe von wenigen Parameterwerten schnell anpassen lassen. !Dadurch sind wir bei der Werkzeugkonstruktion heute mindestens 20 Prozent schneller", sagt Helbig, der die Konstruktion durch User Defined Features (UDF) weiter automatisieren möchte. "Die Idee ist, ein komplettes Modul für die Kalibrierung so intelligent aufzubauen, dass man es auf Knopfdruck in eine Konstruktion einbetten kann, die sich entsprechend anpasst."

Ein wesentlicher Vorteil gegenüber der früheren Arbeitsweise ist, dass heute alle Details und fertigungsrelevanten Informationen am 3D-Modell unmissverständlich beschrieben sind. "Wenn sie eine mit NX modellierte Kalibrierung an die Fertigung oder einen externen Partner schicken, können sie sicher sein, dass sie korrekt gefertigt wird", betont der Projektleiter. Das Mastermodell des Werkzeugs entspreche eins zu eins dem späteren Produkt. "Dadurch sind wir bei der Fremdvergabe von Fertigungsaufträgen viel flexibler geworden und nicht mehr auf die Zusammenarbeit mit bestimmten Partnern angewiesen, die unsere Anforderungen genau kennen", sagt Helbing. In der eigenen Fertigung kommt Profine heute mit wenigen Zeichnungen aus beziehungsweise nutzt die Zeichnung nur noch als Hilfe für die Visualisierung. Lediglich vom Düsenteil werden noch komplett bemaßte Zeichnungen erstellt, weil der Einfahrtechniker für die filigranen Änderungen beim Einfahren der Werkzeuge die genauen Maße benötigt.

Weitere Effizienzsteigerungen im Konstruktionsprozess versprechen sich die Werkzeugbauer vom Umstieg ihrer Kollegen in der Produktentwicklung auf NX. Heute bekommen sie als Grundlage für ihre Werkzeugkonstruktion lediglich eine DXF-Datei mit der Kontur des Profils und werden oft nicht oder relativ spät über Änderungen an dieser Kontur informiert. Wenn die Produktentwickler ihre Kunststoffprofile ebenfalls mit NX modellieren würden, ließe sich das 3D-Profilmodell direkt in die Düsengeometrie einbetten. Dank der Assoziativität zwischen Bauteil- und Werkzeuggeometrie könnte man die Düse dann bei späteren Bauteiländerungen sehr einfach aktualisieren.

Automatisierung der CAM-Programmierung

Der Einsatz der durchgängigen CAD/CAM-Lösung im Werkzeugbau hat bei Profine zu massiven Zeiteinsparungen bei der NC-Programmierung geführt, weil die Anwender bei der Programmerstellung direkt auf die in NX definierten Konturen, Bohrungen, Taschen, Anfasungen und andere Features zugreifen können. Die Software erkennt die Features automatisch und macht entsprechende Vorschläge für ihre Bearbeitung. Die NC-Programmierer nutzen den Technologiemanager von Janus Engineering, in dem bestimmte Bearbeitungszyklen beispielsweise für das Gewindebohren oder Taschenfräsen definiert sind, um sie als eine Art Template der zu bearbeitenden Geometrie zuzuweisen.

Helbing schätzt, dass sich die Programmierzeiten um mindestens 30 Prozent reduziert haben, so dass man heute mit zwei Programmierarbeitsplätzen auskommt. "Dank der durchgängigen Prozesskette sind wir bei der internen Fertigung schneller als wenn wir sie an externe Partner vergeben, weil wir die NC-Programme bei kleineren Änderungen auf Knopfdruck aktualisieren können." Wenn die Komponenten extern gefertigt werden, müssen sie bei Änderungen oft neu erstellt werden, weil die Lieferanten die Komponenten normalerweise nicht mit den NC-Programmen abliefern.

Die Qualität und Zuverlässigkeit der erstellen NC-Programme hat ebenfalls zugenommen, weil die Anwender die Aufspannung und Palettensysteme konstruiert und zusammen mit der Werkzeug-Geometrie im Technologiemanager abgelegt haben. Das erlaubt eine relativ realitätsgenaue Simulation der Bearbeitung bis hin zur Kalkulation der zu erwartenden Bearbeitungszeiten. Sie sind im Übrigen auch kürzer geworden, da das System den Materialabtrag erkennt, was bei Werkzeugwechseln kürzere Verfahrwege ermöglicht.

Ein weiterer Vorteil der integrierten CAD/CAM-Lösung ist, dass Profine für die künftigen Anforderungen im Bereich der Fertigung gewappnet ist. So können nicht nur die Draht- und Senkerodiermaschinen mit NX-CAM angesteuert werden. Die CAM-Software würde beispielsweise auch die Anbindung eines Bearbeitungszentrums für das High-Speed-Fräsen mit fünf Achsen unterstützen, um die Oberflächen der Werkzeuge gleich in der gewünschten Qualität finishen zu können und nicht mehr schleifen zu müssen. Helbing abschließend: "Das würde unsere Bearbeitungs- und Änderungszyklen noch einmal drastisch verkürzen." Außerdem ist man bei Profine jetzt dabei, unternehmensweit die PDM-Lösung Teamcenter unter der Federführung von BCT Technology einzuführen. Die Ziele sind auch hier klar formuliert: Abbildung des kompletten technischen Prozesses und die unternehmensweite Bereitstellung aller technischen Produktinformationen für alle Standorte weltweit.

Michael Wendenburg, Fachjournalist, Sevilla

BCT Technology AG, Willstätt, Tel. 07852/996-0, http://www.bct-technology.com

Profine GmbH, Troisdorf, Tel. 02241/9953-0, http://www.profine-group.de

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