Automatisierung bei der Konstruktion und Fertigung von Elektroden sowie der Vorbereitung des EDM-Prozesses

Sie verfügten über einen hochwertigen Maschinenpark (Fräszentren, Senkerodiermaschinen), qualifizierte Konstrukteure und NC-Programmierer und waren dennoch mit der Effizienz bei der Herstellung und Reparatur von Werkzeugen nicht zufrieden. Dies lag sowohl an der Verwendung unterschiedlicher Software für die Konstruktion und die Erstellung der NC-Programme als auch daran, dass ihre bestehenden CAD- und CAM-Lösungen nicht auf den Werkzeugbau spezialisiert waren.

Die Techniker von Peartec hatten vor allem mit folgenden Problemen zu kämpfen, die ihre Arbeit bremsten:

• beschädigte Daten nach dem Export und Import über externe Formate, beispielsweise STEP
• die Verwendung zweier unterschiedlicher Programme führte zu Schwierigkeiten bei der Datenübergabe zwischen Konstruktion und NC-Programmierern
• fehlende spezialisierte CAD/CAM-Lösung für die Konstruktion und spanende Bearbeitung von Elektroden 
• zeitaufwendige NC-Programmierung von Bohroperationen bei der spanenden Bearbeitung von Werkzeugen
• lange Fräszeiten bei Schruppoperationen
• keine Möglichkeit, den Senkerodierprozess außerhalb des Bedienpults der EDM-Maschine zu programmieren.

Die Unternehmensleitung plante für die Zukunft auch den Einsatz einer einheitlichen CAD/CAM-Lösung für die komplette Herstellung neuer Spritzgießwerkzeuge einschließlich ihrer Konstruktion. Die ausgewählte Lösung musste daher auch diesen Teil der Aufgabenstellung abdecken können.

Nach Rücksprache mit uns fiel die Entscheidung, die Situation durch den Einsatz von CAD/CAM Cimatron zu lösen. Dabei handelt es sich um eine Software, die gezielt für den Einsatz in Werkzeugbaubetrieben entwickelt und darauf ausgerichtet wird. Diese langfristige, zielgerichtete Entwicklung führte zur Automatisierung ihrer Abläufe bei der Konstruktion und NC-Programmierung und erstreckt sich auch auf weitere Phasen des Fertigungsprozesses, beispielsweise die Programmierung des EDM-Prozesses außerhalb des Maschinenbedienpults. Der Werkzeugbaubetrieb kann somit eine einheitliche Software nutzen, die eine höhere Arbeitseffizienz gewährleistet, menschliche Fehler verhindert und damit finanzielle Einsparungen ermöglicht.

Bei Peartec wurde die Implementierung von Cimatron in zwei Phasen geplant:

Die erste Phase (bereits umgesetzt) umfasste den Einsatz von Cimatron für

• die Konstruktion und Fertigung von Elektroden
• die EDM-Einrichtung der Senkerodierprozesse
• sämtliche CNC-Fräsarbeiten.

Die zweite Phase (sie steht am Anfang) umfasst die Implementierung von Cimatron für die Konstruktion neuer Werkzeuge.

Ziel ist es, den gesamten Prozess der Werkzeugherstellung von der Konstruktion über die Konstruktion und das Fräsen der Elektroden, die Einrichtung der Senkerodierprozesse bis hin zu sämtlichen Fräsarbeiten an den Werkzeugen mithilfe von Cimatron durchzuführen.

In den folgenden Abschnitten konzentrieren wir uns auf den Teil der Implementierung, der die Einrichtung einer effizienten und in höchstmöglichem Maße automatisierten Elektrodenfertigung sowie die Einrichtung des Senkerodierprozesses umfasste. Die Nutzung von Cimatron für das CNC-Fräsen lassen wir diesmal außer Betracht, auch wenn wir hier ebenfalls angemessen auf die Anforderungen des Kunden reagieren konnten, ebenso wie die laufende Implementierung für die Werkzeugkonstruktion.

Automatisierung der Fertigung und des Einsatzes von Elektroden mit CAD/CAM Cimatron

Elektrodenkonstruktion – der Einsatz von Vorlagen übernimmt einen großen Teil der Routinearbeit für Sie

Für die Elektrodenkonstruktion verfügt Cimatron über ein spezialisiertes Modul mit Funktionen, die die Arbeit des Konstrukteurs erheblich erleichtern. Eines der wichtigsten Hilfsmittel ist die Möglichkeit, Vorlagen zu verwenden. Nach der Auswahl der Flächen, die mit EDM-Technologie bearbeitet werden müssen, lässt sich eine Vorlage anwenden, die automatisch eine vordefinierte Abfolge von Funktionen ausführt. Diese Funktionen modellieren den restlichen Teil der Elektrode, platzieren den Rahmen mit der Elektrodenbasis und definieren die Koordinatensysteme sowohl für die spanende Bearbeitung als auch für das Senkerodieren. Der Elektrodenhalter kann im Rahmen dieses Prozesses ebenfalls automatisch importiert werden. Ein großer Vorteil der Anwendung von Vorlagen in Cimatron ist die Möglichkeit, nachträglich in die verwendeten Funktionen einzugreifen. So lässt sich beispielsweise nachträglich die Rahmengröße ändern, die Kennzeichnung anpassen, die tangentiale Anbindung der Erodierflächen verlängern und Ähnliches, oder es lassen sich verwendete Funktionen ergänzen/entfernen, wenn wir mit dem Ergebnis nicht zufrieden sind. 

Abbildung 1. Verwendung einer Vorlage für die Elektrodenkonstruktion.

Wichtig ist auch zu erwähnen, dass die Verwendung von Konstruktionsvorlagen bei geometrisch komplexen Elektroden problematisch sein kann. Dennoch bietet die Vorlage auch in diesen Fällen einen Nutzen. Häufig genügt es, wenn der Konstrukteur die Vorlage anpasst oder eine bestimmte Funktion auf den richtigen Weg bringt, etwa durch die Änderung der Auswahl eines Referenzelements, und der Rest der Konstruktion wird anschließend korrekt berechnet.

Die Zeitersparnis bei der Elektrodenkonstruktion mit einer derart spezialisierten Lösung kann bei einfachen Elektroden bis zu etwa 80 % betragen. Bei komplexeren Elektroden fällt sie naturgemäß geringer aus, bleibt aber auch dort gegenüber einer allgemeinen oder weniger ausgereiften Lösung deutlich erkennbar.

EDM-Einstellungen – automatischer Betrieb und Fehlervermeidung

Die EDM-Einstellungen sind ein weiterer Schritt, der unmittelbar nach der Elektrodenkonstruktion noch in der CAD-Umgebung erfolgt. Nach der Erstellung des geometrischen Modells werden weitere Informationen ergänzt.

In den EDM-Einstellungen ergänzt der Konstrukteur Anweisungen und erforderliche Informationen für die weitere Verarbeitung. Dazu gehören die physische Fertigung der Elektrode und die Festlegung der Senkerodierparameter für die EDM-Maschine. Die benötigten Daten hängen in gewissem Umfang von der EDM-Maschine ab, auf der die Elektrode eingesetzt wird. Cimatron beherrscht im Rahmen der EDM-Einstellungen auch das Postprocessing von Daten/Programmen für Senkerodiermaschinen. Für Maschinen von Exeron erzeugt Cimatron beispielsweise eine Datei im Format .XML, die nahezu alle Daten für das Senkerodieren mit einer oder auch mehreren ausgewählten Elektroden enthält. Die wichtigsten Informationen sind die Position und Drehung der Elektrode beim Senkerodieren sowie eine gegebenenfalls erforderliche Bewegungsbahn, Untermaße, Erodierflächen und weitere Angaben. Für andere EDM-Maschinen kann die Ausgabe geringfügig abweichen.

Peartec verwendet EDM-Maschinen der Firma Penta. In Zusammenarbeit mit Penta haben wir auch für deren Maschinen ein spezielles Profil für die EDM-Einstellungen entwickelt. Peartec erzeugt aus Cimatron somit keine .XML-Datei, sondern direkt NC-Code, den die Senkerodiermaschinen von Penta lesen können. Der Prozess ähnelt in gewissem Umfang dem Fräsen. Dieses NC-Programm enthält nicht nur Anweisungen für den Senkerodierprozess (Untermaß, Technologie, Orbittyp, Materialien usw.…), sondern auch Anfahrbahnen, Rückzugsbewegungen auf die Sicherheitsebene zum Verfahren der Elektrode zur nächsten Erodierposition sowie den Aufruf weiterer Makros, die unterschiedlichste Aufgaben ausführen können, vom Versand einer Informations-SMS über den Programmabschluss bis hin zum Entleeren des Maschinenbeckens. 

Abbildung 2.  Ablaufschema der Elektrodenkonstruktion und -fertigung.

Ziel der Vorbereitung des Senkerodierprozesses bereits innerhalb der CAD-Lösung sollte der mannlose Betrieb der Senkerodiermaschine sein. Die Möglichkeit, ein NC-Programm für die EDM-Senkerodiermaschine einschließlich der zugehörigen Daten zu erzeugen, bedeutet, dass der Maschinenbediener am Schichtende die Elektroden anhand dieser Daten im Magazin bereitstellt und nach dem Einmessen des Werkstücks das Programm lädt und startet. Die Senkerodiermaschine nimmt die Elektroden automatisch gemäß dem Programm auf, fährt mit jeder von ihnen nacheinander an die richtige Position und führt den Senkerodierprozess aus. Dabei kann sie beispielsweise Daten für die Elektrodenkorrektur von einer Koordinatenmessmaschine einlesen – alles vollautomatisch. Ein Vorteil dieses Vorgehens besteht auch darin, dass die manuelle Eingabe der Elektrodenposition vollständig entfällt und dem Bediener somit beispielsweise kein Eingabefehler um eine Dezimalstelle unterläuft.

Spanende Bearbeitung von Elektroden – NC-Programm mit einer Vorlage auf einen Klick

Die spanende Bearbeitung der Elektrode schließt nahtlos an die Konstruktion an, vor allem dank der vom Konstrukteur eingegebenen Daten. Die Daten werden in die Bearbeitungsumgebung übertragen und automatisch in die Prozeduren eingefügt, die anschließend die Werkzeugbahnen für die spanende Bearbeitung der Elektrode erzeugen. Der NC-Programmierer muss das Untermaß somit nicht manuell eingeben, wodurch eine weitere mögliche Quelle für menschliche Fehler entfällt.

Wie funktioniert diese Datenübertragung? Cimatron arbeitet mit einem Nennmaßmodell, das heißt, das Untermaß für das Senkerodieren wird nicht auf das Elektrodenmodell angewendet, und es handelt sich um ein exaktes Abbild der Form. Das Untermaß wird im Prozess der spanenden Bearbeitung der Elektrode berücksichtigt. Im Kopf des gesamten Programms wählt der Programmierer den Elektrodentyp (Schrupp-, Schlichtelektrode…) aus, und Cimatron ergänzt selbstständig die richtige, vom Konstrukteur definierte Art und Größe des Untermaßes. Müssen mehrere Elektrodentypen gefertigt werden, genügt es, einen Typ zu programmieren und anschließend das gesamte Programm mit einer geänderten Einstellung des Elektrodentyps zu duplizieren. Cimatron berechnet die Werkzeugbahnen automatisch neu, damit die Elektrode mit dem richtigen Untermaß spanend bearbeitet wird. Das Ergebnis sind zwei NC-Codes für die spanende Bearbeitung aus einem einzigen NC-Elektrodenprojekt. Dadurch spart der Programmierer wiederum Zeit.

Die Automatisierung hat auch vor diesem Teil des Prozesses nicht haltgemacht. Cimatron ermöglicht das Einfügen von Vorlagen für NC-Prozeduren, entweder einzeln nacheinander oder als vorbereitete Abfolge vom Schruppen über das Schlichten bis zum Restmaterialbearbeiten. Die Vorlagen können die Zielflächen der Elektrodengeometrie und deren Typ automatisch erkennen und die Bahnen anhand dieser Auswahl berechnen. Der Programmierer kann sie beliebig miteinander kombinieren oder einzelne Teile bearbeiten, löschen und durch neue Prozeduren ersetzen. Dadurch wird der gesamte Prozess sehr flexibel. Diese Vorlagen verhalten sich ebenso wie die Vorlagen für die Elektrodenkonstruktion wie eigenständige Dateien, die zwischen Computern kopiert und verschoben werden können. Dadurch lassen sich diese Vorlagen in einem freigegebenen Ordner auf dem Server ablegen, aus dem sie anschließend geladen werden. Dieses Szenario eignet sich ideal, wenn ein Unternehmen mehrere Programmierer und Konstrukteure beschäftigt. Vorgenommene Änderungen werden sofort in die Vorlagen für die anderen Kollegen übernommen, wodurch die Implementierung beschleunigt und Fehler vermieden werden. Dank der Verknüpfung des Prozesses lässt sich ein Punkt erreichen, an dem die Vorlagen die Elektrode ohne weitere Eingriffe des Programmierers spanend bearbeiten. 

Abbildung 3.  Fräsen von Elektroden.

Fazit – Arbeitseffizienz mehr als verdoppelt

Alle oben genannten Verfahren wurden bei der Elektrodenherstellung und beim Senkerodieren im Unternehmen Peartec angewendet und implementiert. Vor der Einführung von Cimatron waren am gesamten Fertigungsprozess der Elektroden (Konstruktion, Fräsen, Senkerodieren) 6 Mitarbeiter beteiligt, jeder in einer Achtstundenschicht. Mit dieser Besetzung fertigte Peartec je nach Komplexität 100 bis 250 Elektroden pro Woche und setzte sie zum Senkerodieren ein.

Nach der Einführung von Cimatron arbeiten insgesamt 4 Mitarbeiter an Konstruktion, Fräsen und Senkerodieren, und das Ergebnis ihrer Arbeit sind 250 bis 350 Elektroden pro Woche, obwohl die Veränderungen in der Auftragsstruktur im letzten Jahr die Fertigung größerer und komplexerer Elektroden als im vorherigen Zeitraum erforderten.

Die Arbeitseffizienz bei der Elektrodenfertigung und im Senkerodierprozess hat sich somit mehr als verdoppelt. Der Grund dafür war der Einsatz einer einheitlichen und spezialisierten CAD/CAM-Lösung für die Konstruktion und Fertigung von Elektroden, die Folgendes ermöglicht

• direkte Verwendung der Konstruktionsdaten zur Erstellung des NC-Programms, ohne dass eine Übertragung in eine andere Software erforderlich ist
• erhebliche Beschleunigung der Arbeit durch die richtige Einstellung automatischer Vorlagen
• Möglichkeit zur Erzeugung von EDM-Programmen direkt in der CAD/CAM-Software.

Wir danken dem Werkzeugbau Peartec für die Bereitstellung der Datengrundlage für diesen Beitrag. Gerne werden wir uns in einem weiteren Artikel und einer Präsentation mit den Erfahrungen des Unternehmens beim CNC-Fräsen in Cimatron befassen, möglichst auch mit der Anbindung an die Werkzeugkonstruktion, sobald diese letzte Implementierungsphase bei Peartec abgeschlossen ist.