Engineering 16.06.2006, 19:22 Uhr

Simulation im Cyberspace lässt die Späne fliegen  

Durchgängige Simulation wird zur dominierenden Strategie rund um die Werkzeugmaschine. Das kommt gerade recht, denn sinkende Losgrößen und immer anspruchsvollere Bauteile treiben Zeitwand und Fehlerrisiko etwa beim Programmieren komplexer Mehrachsbearbeitung schmerzhaft in die Höhe. Die „Vorabfertigung im Cyberspace“per Virtual Reality (VR) wird deshalb für reichlich Diskussionsstoff in den Messehallen der Metav 2006 sorgen.

Neue Möglichkeiten, Maschinen zu testen und Benutzer an Anlagen zu schulen, stellen Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fabrikbetrieb und -automatisierung (IFF) in Magdeburg auf der Metav 2006 vor: Sie haben eine CNC-Maschinensteuerung gekoppelt mit dem virtuellen Modell einer Schwerwerkzeugmaschine in einer interaktiven 3-D-Umgebung. „Bisher ist es üblich, virtuelle Modelle und reale CNC-Werkzeugmaschinen in völlig unterschiedlichen Programmiersprachen zu steuern. Bei unserem Ansatz verwenden wir originale CNC-Programme zur Steuerung des virtuellen Modells“, erläutert Marco Schumann, Wissenschaftler und Simulationsexperte am IFF. Im Umkehrschluss könnten die Programme zur Steuerung der realen Maschine bereits frühzeitig am virtuellen Modell getestet werden. So verkürze sich die Inbetriebnahme der realen Maschine.

Bei der Simulation in der Produktionstechnik sind vier Ebenen zu unterscheiden, erläutert Alexander Broos, Wissenschaftlicher Mitarbeiter und Koordinator für den Forschungsschwerpunkt Virtuelle Produktion am Institut für Produktionstechnik (wbk) der Universität Karlsruhe: „Die der Fertigungsprozesse, der Werkzeugmaschine, der Anlagen und der Fabrik. Auf allen diesen Ebenen werden heute schon Simulationswerkzeuge benutzt und intensiv weiterentwickelt.“ Durch den mittlerweile einige Jahre währenden Einsatz dieser Tools sei hier bereits viel Know-how vorhanden, um den Produktentwicklungsprozess und die Produktionsplanung mit virtuellen Modellen zu begleiten, was besonders für die Simulation der Strukturmechanik von Werkzeugmaschinen gelte.

Die Herausforderung liegt immer noch in der belastbaren, prognosefähigen Simulation. Um schnell Ergebnisse zu erzielen, die geringe Fehler und Abweichung zur Realität aufweisen, sei einerseits viel Erfahrungswissen in der Modellierung und Beherrschung der Softwarepakete notwendig. Andererseits müsse ein detailliertes Wissen über Einflussgrößen und Modellparameter vorliegen, was gerade für KMU schwierig zu erreichen sei. „Sobald dieses Wissen aufgebaut wurde, können heute einzelne Simulationsfragestellungen in kurzer Zeit bearbeitet werden.“ Mit wachsender Komplexität steigt jedoch der zeitliche Aufwand, zudem führe mangelndes Detailwissen zu größerer Fehleranfälligkeit. An dieser Stelle stehe eine enge Kooperation mit Softwareherstellern und Komponentenlieferanten im Mittelpunkt.

Bei der Simulation von Werkzeugmaschinen stellt die Abbildung der Wechselwirkungen zwischen Struktur, Regelung, Dynamik und Störeinflüssen hohe Herausforderungen an Methodenintegration. Kritische Parameter für dynamische Größen, wie etwa das Dämpfungsverhalten von Führungen oder Kugelgewindetrieben, sind nur unzureichend bekannt. Die Simulation von Eigenfrequenzen und statischer Nachgiebigkeit hingegen werden relativ sicher beherrscht.

Wie sich Simulationswerkzeuge in der Produktion – oder bereits im Vorfeld der Produktion – heute sinnvoll nutzen lassen, erläutert Joachim Bauer, Leiter Sales & Consulting Deutschland der Delmia GmbH am Beispiel dreier Einsatzschwerpunkte: „Projektierung und digitale Absicherung der mechanischen Funktion von Sondermaschinen und -anlagen. Dazu gehört die Überprüfung von Erreichbarkeit und Kollisionen sowie die Simulation der Maschinen im Verbund. Zweiter Punkt ist die Unterstützung der Maschinen im Einsatz durch Simulation und Offline-Programmierung und die Ergänzung der Maschine durch Simulationssoftware, um den Nutzungsgrad zu verbessern und Fehler im Betrieb zu vermeiden. Drittens die Planungsunterstützung bei der Serienproduktion von Maschinen. Dazu gehört die Prozessplanung und Layoutplanung ebenso wie Ergonomieuntersuchungen und Materialflusssimulation.

Das alles läuft jedoch nicht von allein: Um Simulations-Know-how aufzubauen, sind kompetente Dienstleistungspartner gefragt sowie der Aufbau oder die Einstellung von ein bis zwei Inhouse-Spezialisten, die sich mit Simulationswerkzeugen auskennen.

„Auf jeden Fall“, so Bauer, sind Produkte, Maschinen oder Anlagen mit Hilfe der Simulation „real besser, schneller und wirtschaftlicher herstellbar“. Zum einen lasse sich die Maschine bereits während der Entwicklung in Bezug auf ihre Leistungsfähigkeit optimieren, indem wichtige Einsatzprofile während der Entwicklung simuliert werden und die Maschinen etwa in Bezug auf Durchsatz, Bedienbarkeit, Standzeitminimierung optimiert werden: „Vor allem bei Sondermaschinen lassen sich so schon in der Projektierungsphase potenzielle Probleme erkennen und frühzeitig vermeiden“, so der Verkaufsleiter. Eine aus einer 3-D-Simulation hervorgegangene Visualisierung erleichtert zudem die überzeugende Präsentation bei Kunden und die Abstimmung mit Auftraggebern.“

Bei der Herstellung von Maschinen in Serienproduktion können darüber hinaus Fertigungszeiten, Flächenbedarf und Investitionen in Fertigungsmittel durch eine simulationsgestützte digitale Planung reduziert werden. Joachim Bauer: „Spanende Prozesse lassen sich optimieren beispielsweise hinsichtlich Kollisionsvermeidung und Prozesszeit. Und kritische Montagevorgänge können durch Simulation abgesichert werden.“

Und ein weiterer treibender Grund für Simulation im Werkzeugmaschinenbau: Kundenindividuelle Systemlösungen sowie die Reduzierung der Entwicklungskosten treten bei Werkzeugmaschinen immer stärker in den Vordergrund. Grund hierfür sind die gestiegenen Kundenforderungen nach Flexibilität und die Internationalisierung der Märkte, die immer neue Produktinnovationen in immer kürzeren Zeitabschnitten verlangen.

Da der Kostendruck ständig steigt bei sinkenden Planungszeiten, sei es heute ohne durchgängige Simulationskonzepte nicht mehr möglich, den Anforderungen aus der Automobil- und Zulieferindustrie gerecht zu werden, so der Ansatz beim Werkzeugmaschinenbauer Ex-Cell-O GmbH. Und auch das Risiko, an der Maschine Probleme lösen zu müssen, könne mit der NC-Simulation reduziert werden, versprechen die Simulations-Experten in Eislingen. Schwerpunkte hierbei sei die geometrische Überprüfung des Systems hinsichtlich Störkanten und die Simulation der Taktzeit am Simulationssystem.

In jedem der einzelnen Prozessschritte wurden deshalb bei Ex-Cell-O Methoden und Hilfsmittel erarbeitet mit dem Ziel, Probleme möglichst früh zu erkennen und abzustellen. Denn der der geregelte Ablauf gerate erst unter Druck, wenn in der letzten Phase vor der Abnahme Probleme erkannt und abgestellt werden können, hebt man in Eislingen hervor.

Bei der Emag GmbH in Salach werden Simulationswerkzeuge in verschiedenen Phasen der Wertschöpfungskette eingesetzt – nicht nur für Produktionszwecke. Ulrich Walter, in der Emag-Gruppe als Bereichsleiter Neue Technologien verantwortlich für neue Prozesse und Maschinenkonfigurationen: „In der Produktentwicklung verwenden wir Simulationen in Form von Berechnungswerkzeugen bei der Auslegung von mechanischen Systemen, wie z. B. bei Durchbiegungs- oder Gewichtsoptimierungen von bewegten Baugruppen.“ Als Resultate werden direkt Verformungen und Massen für diese mechanischen Systeme bestimmt. Anhand dieser Ergebnisse erfolgt eine direkte Optimierung. Analog zu diesen mechanischen Aufgabenstellungen werden auch thermische Optimierungen angegangen. „Wir verwenden dabei stets Modellierungen auf Basis der Strukturmechanik und der Finite-Elemente-Methode“, ergänzt Walter.

In einem anderen Systembereich werden Fertigungsprogramme und Maschinen zur Bearbeitung der eigenen Werkstücke in der Produktion simuliert. „Ziel ist es hierbei, optimale NC-Programme zu generieren und die Einfahrzeit der Werkstücke stark zu senken. Dadurch erreiche man eine sehr hohe Wirtschaftlichkeit der eigenen Fertigung“, freut sich der Virtual Reality -Spezialist. Denn die Durchgängigkeit der CAD-CAM-Kette sei hierbei von besonderem Vorteil. Somit könnten schon in der Detaillierung der Einzelteile die vorhandenen Werkzeuge und Maschinen optimal einbezogen werden. VDW/KIP

Von Vdw/Dietmar Kippels
Von Vdw/Dietmar Kippels

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