anwenderreportage

Virtuelle Bearbeitung im XL-Format

Das in Nordengland ansässige Nuclear Advanced Manufacturing Research Centre (AMRC) verfügt über hochmoderne Werkzeugmaschinen, die speziell für Applikationen in der Nuklearindustrie ausgelegt sind. Geschützt werden die 35 Millionen britische Pfund teuren Fertigungsanlagen mit der CNC-Simulations- und Optimierungssoftware Vericut.

Das Nuclear AMRC verfügt über eine 5.000 m² große F&E-Werkstatt.

Das Nuclear AMRC verfügt über eine 5.000 m² große F&E-Werkstatt.

Shortcut

Aufgabenstellung: Maschinenkollisionen in der Großteilebearbeitung verhinden und neue Bearbeitungstechniken erforschen.

Lösung: NC-Simulationstools VERICUT und FORCE von CGTech.

Vorteil: Arbeiten mit hohen Vorschubgeschwindigkeiten; keine Überbelastungen der Werkzeuge; Prozesssicherheit.

Zwischen Sheffield und Rotherham gelegen, forschen und fertigen die Mitarbeiter des AMRC in einer 8.000 m² großen Forschungseinrichtung, die an die Universität Sheffield angegliedert ist. Als Forschungszentrum mit Fertigungskapazitäten setzt man im AMRC innovative Prozesse in den Segmenten Zerspanung, Schweißen, Kontrolle und anderen Schlüsselbereichen der Fertigung ein. Andrew Wright, Produktionsleiter des Teams Bearbeitungstechnologie im Nuclear AMRC: „Obwohl wir das einzige Zentrum der Catapult-Allianz sind, das sich auf nur einen Industriesektor konzentriert und Expertise in der Herstellung von Reaktorstrukturen und der Entsorgung von Atommüll vorhält, unterstützen wir auch die britische Industrie bei Herausforderungen mit großen Bauteilen. Denn selbst wenn es sich nicht um Nuklearapplikationen handelt, so ist es doch die Größe der Teile, auf die wir uns wirklich spezialisiert haben, nämlich die Vorbereitung großer Komponenten für die maschinelle Bearbeitung.“

Vericut simuliert die gesamte CNC-Fertigung und überprüft das NC-Programm auf Kollisionen und Fehler vor dem echten Maschinenlauf.

Vericut simuliert die gesamte CNC-Fertigung und überprüft das NC-Programm auf Kollisionen und Fehler vor dem echten Maschinenlauf.

Andrew Wright
Produktionsleiter des Teams Bearbeitungstechnologie im Nuclear AMRC.

„Eine unabhängige CNC-Simulationssoftware wie Vericut ist unerlässlich. Ich kann mir nicht vorstellen, warum ein Produktionsingenieur nicht darauf bestehen würde, sie zu verwenden.“

Werkstücke bis zu 50 Tonnen

Einer der Hauptantriebe für das Zentrum besteht darin, Konzepte, die die Technology Readiness Level 1 bis 3 (TRL) durchlaufen haben, in die nächste Phase (TRL 4 bis TRL 6) und darüber hinaus zu bringen – eine Route, die manchmal als „Tal des Todes“ bezeichnet wird. Im Allgemeinen erfordert dieses Vorhaben einen Prototypen im Zwei-Drittel-Maßstab. Seine Eignung muss unter Beweis gestellt werden, bevor es in die Produktion geht. Zudem werden alle Werkzeugmaschinen der Größe entsprechend ausgewählt. „Wir verfügen über einige der weltweit größten Bearbeitungsplattformen im Segment Forschung und Entwicklung und können so Werkstücke bis zu 50 Tonnen bearbeiten. Die Soraluce FX-12000 zum Beispiel ist eine der größten horizontalen Bohrwerke und kann Werkstücke bis zu 12 x 5 x 5 m aufnehmen, was zwei nebeneinander geparkten Doppeldeckerbussen entspricht“, erklärt Andrew Wright.

Hier im Bild sieht man ein großes Soraluce-Bohrwerk mit Kopfwechselfunktion, kollisionsgeschützt durch Vericut.

Hier im Bild sieht man ein großes Soraluce-Bohrwerk mit Kopfwechselfunktion, kollisionsgeschützt durch Vericut.

State of the Art

Der Werkzeugmaschinenpark steht repräsentativ für das, was typischerweise in der Nuklearindustrie verwendet wird. State of the Art ist hier eine schlichte Notwendigkeit, da Spielraum für Fehler praktisch nicht vorhanden ist. Das hängt auch damit zusammen, dass die meisten zu bearbeitenden Teile komplexe Geometrien aufweisen, die Bearbeitungsflächen schwierig zu erreichen sind und die Aufträge oft nur Losgröße 1 haben.

Kunden aus der Industrie können ohne Weiteres auf die Kapazität des AMRC zugreifen, ohne ihren eigenen Arbeitsablauf unterbrechen zu müssen. Neben dem großen Soraluce-Bohrwerk steht ein Horizontal-Bohrwerk von Heckert. Die HEC 1800 kann Werkstücke bis zu 20 Tonnen mit einem Durchmesser von 3,3 m und einer Höhe von 2,5 m bearbeiten. Dazu gesellt sich eine Dörries-Vertikaldrehmaschine (VTL), welche in der Lage ist, Teile bis zu einem Durchmesser von 5 m und einer Höhe von 3 m zu drehen. Eine Heckert HEC 800 bietet Schwerlastbearbeitung in vertikaler oder horizontaler Achse, während das große Mehrachsen-Drehfräsen von einer DMG Mori NT6600 übernommen wird. Eine Reihe kleinerer moderner Werkzeugmaschinen wird ebenfalls eingesetzt.

CGTech’s Vericut Force ist ein Softwaremodul zur NC-Programmoptimierung, das Schnittbedingungen während des gesamten NC-Programmbetriebs analysiert und optimiert.

CGTech’s Vericut Force ist ein Softwaremodul zur NC-Programmoptimierung, das Schnittbedingungen während des gesamten NC-Programmbetriebs analysiert und optimiert.

Infos zum Anwender

Das Nuclear AMRC wird von führenden Industrieunternehmen und der Regierung unterstützt und befindet sich im Besitz der Universität Sheffield. Die Forschungsfabrik im Advanced Manufacturing Park in South Yorkshire ist Teil eines weltweit führenden Innovationsclusters und unterstützt britische Unternehmen bei der Gewinnung von Aufträgen im gesamten Nuklearsektor sowie in anderen hochwertigen Fertigungsindustrien. Die Einrichtungen und Dienstleistungen sind für alle zugänglich.

www.amrc.co.uk

Digitaler Zwilling für jede Werkzeugmaschine

Der Schutz der Werkzeugmaschinen ist den Ingenieuren des AMRC sehr wichtig. „Sämtliche im CAD/CAM erstellten Programme für unsere Werkzeugmaschinen müssen eine NC-Code-Simulation durchlaufen, und seit unserem Start im Jahr 2012 arbeiten wir deshalb mit CGTech zusammen. Vericut hat uns von Anfang an begleitet und es ist wichtig, dass unsere Programme ausnahmslos in einer virtuellen Umgebung getestet werden, bevor sie auf die Maschinen gehen“, betont Wright. Für jede einzelne seiner komplexen Werkzeugmaschinen, die sowohl sehr teuer als auch schwer zu ersetzen sind, verfügt das Nuclear AMRC über detaillierte Digitale Zwillinge. „Mit Vericut“, sagt Andrew Wright, „können wir also alles simulieren, um sicherzustellen, dass es keine Kollisionen zwischen der Maschine, dem Bauteil oder der Aufspannung gibt. Und natürlich auch, ob zum Beispiel die Schneide das Material verletzt oder beim Versuch in enge Arbeitsräume zu gelangen irgendwo anstößt. Wir haben zum Beispiel vor Kurzem für einen Kunden ein Prototyp-Bauteil auf einer unserer größten Maschinen fertiggestellt, bei dem der Spielraum zwischen Maschine und dem großen Bauteil fast gleich Null war. Ohne einen genauen Digitalen Zwilling von Werkzeugmaschine, Bauteil und Werkzeugen wäre dies ein sehr risikoreicher Prozess gewesen.“

Vericut Force bietet dem Anwender eine proaktive Analyse der NC-Programme, so dass sie beim ersten Mal fehlerfrei sind. Ein einziger Klick ermöglicht eine visuelle Analyse, um z.B. zu erkennen, was im NC-Programm passiert, wenn das Werkzeug das Material berührt.

Vericut Force bietet dem Anwender eine proaktive Analyse der NC-Programme, so dass sie beim ersten Mal fehlerfrei sind. Ein einziger Klick ermöglicht eine visuelle Analyse, um z.B. zu erkennen, was im NC-Programm passiert, wenn das Werkzeug das Material berührt.

Nahtlose Integration

Im Nuclear AMRC kommt eine Vielzahl von CAD/CAM-Paketen zum Einsatz, einschließlich EdgeCAM, SolidCAM und Siemens NX. Das hat Vorteile, denn so kann das Fertigungszentrum eine enge Zusammenarbeit mit verschiedenen Kunden pflegen und kann hochmoderne Algorithmen zur Erzeugung von Werkzeugwegen handeln. „Die spezielle Vericut-Schnittstelle für jedes einzelne CAM-Softwaresystem bedeutet, dass wir beide Programme nebeneinander mit ununterbrochenem Datenfluss betreiben können. Da es sich um eine nahtlose Integration handelt, kann die Software unsere Master-Werkzeugdatenbanken und die Vorrichtungsdatenbank gemeinsam nutzen“, so Andrew Wright.

Vericut überprüft den tatsächlichen NC-Code, den die Maschine ausführen wird, so dass potenzielle Fehler bereits auf der virtuellen Maschine entdeckt werden, bevor es in die reale Fertigung geht. „Eine unabhängige CNC-Simulationssoftware wie Vericut ist unerlässlich. Ich kann mir nicht vorstellen, warum ein Produktionsingenieur nicht darauf bestehen würde, sie zu verwenden. Wir müssen auch keine Zeit ans Einfahren und das Testen auf der Maschine verschwenden – das passiert alles in Vericut“, erläutert Andrew Wright und fährt fort: „Die einzige Ausnahme wären neue Funktionen, die wir noch nicht getestet haben. Zum Beispiel hat CGTech kürzlich die Plandrehkopf-Option hinzugefügt, die wir auf der Soraluce-Maschine haben. Dabei handelt es sich um einen zweiachsigen D'Andrea-Kopf, der über eine CNC-Steuerung verfügt, um Drehfunktionen ausführen zu können. Das Schneidwerkzeug auf einem Positionierschlitten zu steuern, ermöglicht die Bearbeitung von Dichtflächen oder einem Zentrierkonus direkt auf dieser Maschine, ohne das Bauteil auf unserer Vertikaldrehmaschine umzuspannen.“

Jedes Teil, das auf den modernen Werkzeugmaschinen beim Nuclear AMRC bearbeitet wird, hat vorher die NC-Simulation in Vericut durchlaufen.

Jedes Teil, das auf den modernen Werkzeugmaschinen beim Nuclear AMRC bearbeitet wird, hat vorher die NC-Simulation in Vericut durchlaufen.

Überprüfung der NC-Werkzeugbahnen

Das Team im Nuclear AMRC testet ständig neue Bearbeitungstechniken, um sowohl den geometrischen Anforderungen der Komponenten und den Prozessbedürfnissen der Industrie gerecht zu werden als auch neue Materialherausforderungen wie Legierungen mit hoher Entropie zu bewältigen. „Um diese Bereiche voll und ganz zu unterstützen, verwenden wir jetzt das Modul Vericut Force. Wenn wir uns neue und neuartige Bearbeitungstechniken ansehen, wollen wir genau wissen, was los ist. Wir geben die Force Daten ein und nehmen einige Messungen vor, damit wir die Ergebnisse darstellen können. Force ist zudem ideal für Berechnungen zur Werkzeugstandzeit. Gerade in der Nuklearindustrie ein großes Plus, wo der Werkzeugverschleiß ein bedeutender Faktor ist. Wenn wir uns mit der Bearbeitung eines Bauteils befassen, werden die NC-Werkzeugbahnen mit Hilfe des Force Analyse-Moduls innerhalb von Vericut überprüft, um nach Überbelastungen der Werkzeuge zu suchen“, sagt Andrew Wright.

Auf sämtlichen Maschinen – wie hier auf einer Vertikal-Drehmaschine – laufen nur verifizierte NC-Programme von Vericut.

Auf sämtlichen Maschinen – wie hier auf einer Vertikal-Drehmaschine – laufen nur verifizierte NC-Programme von Vericut.

Auf der sicheren Seite

Force ermöglicht den Ingenieuren, die Einstellungen für die Bearbeitungen zu ändern, Zyklen und sogar die CAM-Software zu tauschen. „Wir sind bekannt dafür, teils völlig unterschiedliche CAD/CAM-Systeme zu nutzen, um einen geeigneten Werkzeugweg zu erhalten. Insbesondere für die Grobbearbeitung suchen wir nach einem stabilen und effizienten Werkzeugweg. Hier haben wir festgestellt, dass Force die besten Optionen außerordentlich gut eingrenzen kann. Wir achten auch darauf, dass wir keine Überlastungen erhalten und auf keinem Bereich der Bearbeitung zu viel zustellen. Force ist ein immens wichtiger Teil dessen, was wir jetzt tun“, so Andrew Wright und betont weiter: „Was unsere Partner und Kunden nicht wollen, ist ein Risiko für die hochwertigen Komponenten. Was wir als Forschungszentrum mit Hilfe von Vericut und Force tun können, ist herauszufinden, wo genau diese Risiken liegen. Dann wissen wir, dass wir mit diesen Parametern auf der sicheren Seite sind und erzielen eine konstante Werkzeugstandzeit, weil alles erprobt und vorhersehbar ist.“

Fazit

„Die andere Sache, mit der wir es bei so großen Werkzeugmaschinen zu tun haben, sind sehr dynamische Werkzeugwege. Das könnte tatsächlich dazu führen, dass wir die Grenzen der Werkzeugmaschinen in Bezug auf die Beschleunigungsraten überschreiten. Mit dem dynamisch optimierten Werkzeugweg aus Vericut, der eine komplexe Geometrie bearbeitet, können wir mit modernen Zerspanungswerkzeugen und hohen Vorschubgeschwindigkeiten arbeiten. Die Grenze ist heutzutage nicht das Schneidwerkzeug, es sind andere Dinge im Prozess. Wir können diese Faktoren in einer virtuellen Vericut-Umgebung mit Force berücksichtigen, um sicherzustellen, dass der gesamte Prozess realistisch, robust und zuverlässig ist“, zeigt sich Andrew Wright abschließend hochzufrieden.

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