CAM-Simulation: 25 Jahre technischer Fortschritt Eine Reise in die Geschichte der CAM-Simulation

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In der computergestützten Fertigung (CAM) hat sich die Simulationstechnologie von einem Luxus zu einem wesentlichen Bestandteil entwickelt. Ist die Simulation von Werkzeugwegen ein Muss oder ein Extra? Welche Fähigkeiten erwarten wir?

Um die Fragen nach Bedeutung, Fähigkeiten und künftigen Entwicklungen bei der CAM-Simulation zu beantworten, kann ein Blick in ihre Geschichte helfen –angefangen bei ihren frühen, rudimentären Formen bis zu den heutigen, hochentwickelten Lösungen. Alles begann im Jahr 1997, als 3D-CAM noch sehr neu war. Die damals größte Herausforderung bestand darin, Fertigungsunternehmen über die Notwendigkeit von CAM-Software, Postprozessoren und Datenimportfunktionen aus verschiedenen CAM-Systemen zu informieren und von ihrem Gebrauch zu überzeugen. Die 5-Achs-Bearbeitung war ein noch kleinerer Nischenbereich, und Fachleute verwendeten den Begriff „Echte 5-Achs-Bearbeitung“, um die kontinuierliche Bewegung aller fünf Achsen gleichzeitig zu beschreiben.

Die Mehrheit der Kundinnen und Kunden führte das durch, was man als „indizierte“ oder „3+2-Achs-Bearbeitung“ bezeichnete, bei der die Bearbeitungsrichtung für jeden Werkzeugwegvorgang festgelegt blieb. Während dieser Zeit begannen Werkzeugmaschinenhersteller in Deutschland zunehmend, 5-Achs-CNC-Maschinen auf den Markt zu bringen. Gleichzeitig begannen Steuerungshersteller ihre Fähigkeiten zu erweitern, um diese fortschrittlichen Maschinen zu unterstützen.

Einschränkungen der CAM-Software überwinden 

Daraufhin hat man begonnen, 5-Achs-Werkzeugwegalgorithmen zu entwickeln, um die Einschränkungen der CAM-Software zu überwinden und Kunden die Bearbeitung komplexer Formen in verschiedenen Branchen zu ermöglichen. Die Überprüfung, ob ein Werkzeugweg sicher war, stellte jedoch erhebliche Herausforderungen dar. Die in CAM-Software integrierte Simulation verwendete Backplot-Technologie, um die Werkzeugspitze als eine Reihe von Linien darzustellen – effektiv für 2D- oder 3-Achs-Bearbeitung, aber unzureichend für die 5-Achs-Bearbeitung, bei der die Werkzeugspitze ihre Position auf der Linie beibehalten konnte, während sich das Werkzeug selbst neigte.
 Mit der Lösung tauchte allerdings ein Problem auf: Die in diese Systeme integrierte Simulation des Materialabtrags zeigte zwar, wie Teile aus dem Rohmaterial erstellt wurden, konnte jedoch potenzielle Kollisionen nicht erkennen, wenn alle Maschinenkomponenten in Bewegung waren. Es gab zwar eigenständige Simulationssoftware, die aber eine separate Lizenzierung, Installation und erhebliche Geduld erforderte, um die einzelnen Ergebnisse zu überprüfen. Somit stellten Maschinenkollisionen das größte Risiko dar.
 Die Annäherung an eine Lösung bestand darin, die vollständige Maschinenkinematik zu simulieren. Angesichts der Komplexität der Maschinengeometrie lag der Fokus darauf, sie zu vereinfachen, indem nur kritische Komponenten wie Tisch, Werkstückhalterung und Spindel berücksichtigt und das Gehäuse und andere weniger kritische Details außer Acht gelassen wurden.

Evolution der Postprocessor-Technologie in der CAM-Simulation

Dann entdeckt man, dass sich das für Spiele entwickelte OpenGL auch dazu eignete, flüssige Animationen von Maschinenbewegungen für jeden 5-Achs-Werkzeugweg zu erstellen. Die Herausforderung bestand darin, CAM-Software-Werkzeugwege in Maschinenbewegung umzuwandeln. Die Lösung lag im Postprozessor: Dessen Aufgabe ist es, den Werkzeugweg für das Teil in Maschinenkinematik umzuwandeln und mathematisch den Werkzeugachsenvektor im Werkstückkoordinatensystem in Drehachsenwerte für die spezifische Maschine umzurechnen
 Da 5-Achs-Postprozessoren selten waren, machte sich ModuleWorks daran, eine eigene Postprozessor-Technologie zu entwickeln. Der Postprozessor-Entwickler lieferte die kinematische Lösung, die mit einer OpenGL-Engine verbunden werden konnte. Das Ergebnis war eine bemerkenswert schnelle Simulation von Werkzeugwegen für jede 5-Achs-CNC-Maschine. Das System konnte anfangs jedoch keine Kollisionen voraussagen. Es wurde als „Visuelle Kollisionsprüfung“ bezeichnet, weil die Benutzer – ähnlich wie beim Backplotting – den Werkzeugweg manuell inspizierten. Bediener konnten die Simulation ausführen, die Ansicht mit der Maus drehen und visuell feststellen, ob Kollisionen auftreten würden. Doch mit zunehmend leistungsfähiger Computer-Hardware kam die Frage: Warum nicht eine tatsächliche statt nur visuelle Kollisionsprüfung implementieren? Dies führte zur Erkundung weiterer Gaming-Technologien, und mit einem großen Entwicklungsaufwand erfolgte die Anpassung an die industrielle Anwendung. Die so entwickelte vollständige Kollisionsprüfung ist auch als „Clash Detection“ bekannt.

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Diese Simulation konnte zwar gewährleisten, dass das Werkstück nicht durch das Werkzeug beschädigt und keine Maschinenkollisionen auftreten würden, doch es fehlte die Simulation des Materialabtrags. Das heißt: Unerwartete Schnitte in unbearbeitetes Material blieben unentdeckt, wie etwa eine schnelle Bewegung, die das Material durchquert. Dementsprechend war der nächste logische Entwicklungsschritt die Verbesserung der vollständig integrierten Simulation des Materialabtrags innerhalb des Maschinensimulators.

Präventive Intelligenz: Kollisionsvermeidung in Echtzeit

Mit der Etablierung dieser Simulationstechnologie schien die Geschichte abgeschlossen. Doch das war sie nicht. Denn 2015 kam die Frage auf, wie die Simulationsengine auf einem Industrie-PC neben der CNC-Steuerung ausgeführt werden kann, um Maschinenkollisionen in Echtzeit zu verhindern. Eine spannende Herausforderung, die einen Vorteil mit sich brachte. Denn nun konnte man Informationen über Maschinenbewegungen durch einen Blick in die Zukunft erhalten. Die Daten der „Zukunft“ wurden eine Sekunde im Voraus geliefert. Die Aufgabe bestand somit darin, Kollisionen und Materialabtrag zu berechnen und die Maschine zu stoppen, bevor Probleme auftraten. Dies erforderte eine erhebliche Optimierung der Berechnungsengine, gelang aber ebenfalls.
 Mit der raschen Weiterentwicklung der Chiptechnologie, beschleunigt durch Entwicklungen in der KI, kann man davon ausgehen, dass in wenigen Jahren sogar grundlegende Chips in CNC-Steuerungen so viel Leistung haben werden, dass keine zusätzlichen Industrie-PCs mehr erforderlich sind.

CAM-Technologie führt zu erheblichen Produktivitäts- und Qualitätssteigerungen

Die Geschichte endet hier nicht. Der Erfolg von Nvidia mit KI hat die Entwicklung leistungsstarker GPUs vorangetrieben, die zuvor hauptsächlich für Gaming verwendet wurden. Da jetzt stabile Entwicklungsumgebungen für industrielle GPU-Anwendungen wie Simulation verfügbar sind, haben die Entwickler von ModuleWorks die rechenintensivsten Teile ihrer Simulationsengine auf GPU portiert. Die Benchmark-Ergebnisse auf einer GPU der mittleren Preisklasse sind faszinierend: Viele Werkzeugwege mit ein bis drei Millionen Zeilen NC-Code schließen die Simulation mit höchster Auflösung in weniger als zehn Sekunden ab.
 Es ist beeindruckend zu sehen, wie diese Technologie zu erheblichen Produktivitäts- und Qualitätssteigerungen führt. Die Möglichkeit, große und komplexe Werkzeugwege in wenigen Sekunden statt Minuten zu simulieren, reduziert den Druck auf Ingenieure und CAM-Programmierer, Kompromisse zwischen Genauigkeit und Geschwindigkeit einzugehen, Verifizierungsschritte zu überspringen oder Termine zu verschieben.

Ist die Geschichte denn nun abgeschlossen?

Keineswegs. Die Integration von Lösungen in bestehende Hard- und Softwareplattformen erfordert, dass all diese Lösungen auf ARM-CPU-Architektur, Linux, macOS und verschiedenen Echtzeit-Betriebssystemen funktionieren. Die Unterstützung zahlreicher Funktionen auf mehreren Plattformen und Betriebssystemen erfordert umfangreiche Arbeit an automatisierten Leistungs- und Regressionstests. Die Geschichte zeigt jedoch, dass sich der Entwicklungsaufwand lohnt, da die Simulationstechnologie die Effizienz und Qualität der Fertigung kontinuierlich steigert.