Neue Wege in der Werkzeugentwicklung

CAD CAM

Virtual Tool Design – Werkzeuge werden heute oft noch sehr konventionell entwickelt. Moderne Methoden mit 3D-CAD und Simulation bringen hier große Vorteile.

30. März 2012

Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Zerspanprozessen sind einem stetigen Wandel unterworfen. Um die Wirtschaftlichkeit der Bearbeitung moderner hochfester und schwer zu zerspanender Werkstoffe zu gewährleisten, bedarf es auf Seiten der Werkzeugentwicklung des Einsatzes neuer Schneidstoffe, Schneidstoffkombinationen und Beschichtungen sowie der Weiterentwicklung der Werkzeuggestaltung beziehungsweise neuer Werkzeugkonzeptionen. Vergleichbar zu anderen Branchen des Maschinenbaus können moderne CAE-Methoden entscheidend für eine erfolgreiche Werkzeugentwicklung sein. Ebenso lassen sich die Effizienz der eingesetzten Ressourcen, der Grad der angestrebten Entwicklungsziele als auch die Qualität in der Produktion deutlich steigern. Dafür steht mit dem Virtual Tool Design (VTD) eine Kombination neuartiger Softwaremodule bereit, die alle notwendigen Funktionalitäten für die Entwicklung und Konstruktion von Vollkörperwerkzeugen wie Fräsern, Bohrern oder Gewindewerkzeugen unterstützen.

Altmodische Prozesse

Für viele Unternehmen der werkzeugherstellenden Industrie beschränkt sich der CAx-Einsatz in der Werkzeugentwicklung auf Systeme zur Zeichnungserstellung. Während erste Angebotszeichnungen häufig noch per Handskizze ausgeführt werden, werden in der Werkzeugkonstruktion 2D-CAD-Systeme eingesetzt. Aufgrund des begrenzten Informationsgehaltes sind 2D-Zeichungen gerade bei komplexen Werkzeuggestalten nicht ausreichend, um das Werkstück vollständig beschreiben zu können. Zur Definition der komplexen Geometrien ist ein hoher Zeitaufwand im CAD-System erforderlich, welcher mit steigender Komplexität überproportional zunimmt. Ähnliches gilt für die Umsetzung der Werkstückzeichnung zur NC-Programmerstellung im Werkzeugschleifprozess. Hierbei ist es oft der Erfahrung der Maschinenbediener überlassen, die geforderten Werkzeugkonturen zu generieren. Ein durch »Trial & Error« geprägtes, iteratives Vorgehen mit hohem Zeit- und Ressourcenaufwand stellt bis heute die Regel dar.

Aber auch das Einsatzverhalten des Prototypenwerkzeuges muss erst in aufwendigen Zerspanversuchen getestet und analysiert werden, um seine Funktionalität zu überprüfen. Neben dem Zeit- und Kostenaufwand des experimentellen Vorgehens, sind die Untersuchungsmöglichkeiten für den Zerspanprozess ebenfalls begrenzt. Zusätzlich steht und fällt der Nutzen der Prototypentests für den Entwickler mit der Qualität des vorhergehenden Schleifprozesses. In der Regel ist es schwer zu sagen, inwieweit genau die erzeugte Werkzeuggestalt des geschliffenen Prototypen mit den Vorgaben der Zeichnungsunterlagen übereinstimmen und welche Abweichungen durch den Schleifprozess hinzukommen.

Das VTD kann als umfassende CAE-Lösung angesehen werden, mithilfe dessen sich die Funktionalitäten der Werkzeugentwicklung entscheidend erweitern. Resultierende Vorteile sind neben der Erzeugung parametrierbarer 3D-Werkzeugmodelle und der Beschleunigung der Entwicklung und exakten Definition neuer Werkzeuggeometrien die einfache Optimierung bestehender Geometrien.

3D-Geometrie nutzen

Über Eingabemasken werden einzelne Geometrieaspekte des Werkzeugs wie Nutprofil und Stirngestalt definiert. Hierzu kommen unter anderem die Isbe Tool Designer-Softwaremodule TD Sketcher und TD WinNut zur Anwendung. Durch den Export der Daten lässt sich die parametrierte Werkzeuggeometrie entweder in ein CAD-System importieren und weiterbearbeiten oder direkt an die Maschinensteuerung übergeben. Für die Erstellung eines vollständigen dreidimensionalen Werkzeugmodells können die Daten an das Modul TD Surface übergeben werden. Hier wird auf Basis der Spline Surface-Technologie das 3D-Modell aus den Schnittflächen der berechneten Werkzeugkontur mit einem Werkzeugrohling erstellt.

Die exakten 3D-Flächenmodelle bieten beim VTD vor der endgültigen Herstellung eines Prototypenwerkzeuges ein erhebliches Rationalisierungspotenzial, da sich eine Zerspansimulation vorschalten lässt. Die Wirkungsweise der neuen Werkzeuggestalt kann somit bereits vor der Produktion virtuell getestet werden. Dies spart Zeit, Materialressourcen sowie Personal- und Maschinenkapazitäten und somit erhebliche Kosten. 3D-Modelle komplexer Vollkörperwerkzeuge bilden die Grundlage für eine realitätsnahe Simulation des Zerspanprozesses und die exakte Definition des Werkzeugschleifprozesses.

Nach der Parametrierung des CAD-Modells wird das Modell für die Untersuchung in der Finite-Elemente-Zerspansimulation erstellt. Das Modell wird, vergleichbar mit einer experimentellen Versuchsdurchführung, speziell für die Untersuchung spezifischer Werkzeugaspekte aufgebaut, um einzelne Ursache-Wirkungsprinzipien zu isolieren. Die umfangreichen Ergebnisdaten der Simulation, zu denen beispielsweise das thermomechanische Belastungsprofil gehört, bieten zusammen mit den digitalen Analysemöglichkeiten die Basis, ein tiefergehendes Prozessverständnis für die Optimierung von Zerspanungswerkzeugen und -prozessen zu erlangen.

Sind die Erkenntnisse aus der Simulation in das Modell eingearbeitet, wird das endgültige 3D-Werkzeugmodell in eine Simulation des Werkzeugschleifprozesses überführt. Für das 3D-Werkzeugmodell werden die notwendige Gestalt der Schleifscheibe und deren Verfahrwege zur Erzeugung der Werkzeugkontur unter Berücksichtigung kinematischer Restriktionen bestimmt. Dadurch kann die Kompatibilität zwischen Werkzeugkonstruktion und Werkzeugschleifprozess sichergestellt und die Umsetzung neuentwickelter Geometrien unter Ausschluss physikalischer Tests gewährleistet werden.

Systematische Optimierung

Das Virtual Tool Design ermöglicht eine systematische Optimierung des Werkzeugentwicklungsprozesses. Durch die Verlagerung maßgeblicher Anteile der Entwicklungsarbeit vom Maschinenumfeld in die virtuelle Simulation lassen sich einerseits Kosten einsparen sowie Ressourcen und Kapazitäten effizienter einsetzen. Andererseits wird das Prozessverständnis der Wirkungsweise der Werkzeuge erhöht. Insgesamt lässt sich durch Virtual Tool Design die Innovationsfähigkeit systematisch Steigern und eine Verkürzung der Zeitspanne bis zur Markteinführung neuer Produkte erreichen.

Erschienen in Ausgabe: 02/2012