Model Based Definition: Der digitale Weg zur perfekten Frässpindel

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Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von Frässpindeln ist die Erwärmungs-Simulation. Zudem arbeitet der Step-Tec daran, seine Entwicklungs- und PLM-Prozesse ebenso vehement digital weiterzuentwickeln, wie seine Spindeln.

Die Spindel ist das Herz jeder Bearbeitungsmaschine. Von ihrer Präzision hängt das Leistungsvermögen der ganzen Anlage ab. Trotz hochkomplexem Innen­lebens aus Lagern, Leitungen, Sensoren und Elektronik soll sie gleichzeitig möglichst kompakt und leicht sein. Solche Spindeln liefert GF Machining Solutions unter dem Markennamen Step-Tec, entwickelt mit Software von PTC und dem Einsatz von Model Based Definition, betreut vom PLM-Integrator Inneo.

Die Marke Step-Tec

1995 gegründet, beteiligte sich 1997 der Fräsmaschinenhersteller Mikron mehrheitlich an Step-Tec, 2002 ging das Unternehmen an den Maschinenbauer Agie-Charmilles über und kam mit diesem schließlich unter das Dach des Georg-Fischer-Konzerns. 2019 bezog das Unternehmen gemeinsam mit anderen Bereichen des GF-Konzerns ein neues Gebäude in Biel. Die 100 Mitarbeiter der Step-Tec-Sparte erwirtschaften heute (2019) einen Umsatz von 35 Millionen Schweizer Franken und sie produzieren dabei 1.500 Spindeln. Insgesamt wurden so bereits 30.000 Step-Tec-Spindeln ausgeliefert.

Konstruktionsleiter Markus Bauder erklärt: „Etwa die Hälfte unserer Spindeln liefern wir an Schwesterunternehmen in der GF Division, die andere Hälfte geht an Maschinenhersteller vor allem in Deutschland. Wir bauen sehr hochwertige Spindeln, wie sie beispielsweise im Hochpräzisionsformenbau, in Schleifanwendungen sowie in der Schwerzerspanung im Bereich Aero­space zum Einsatz kommen.“

Die Spindel in 24h erneuern

Durch ihre Komplexität sind die Spindeln entsprechend teuer, ein Grund, weshalb Revisionen eine wichtig Rolle spielen. Gebrauchte und beschädigte Spindeln werden daher möglichst aufgearbeitet, wobei alle defekten und verschlissenen Teile ausgetauscht werden. Die Spindel ist im Anschluss quasi neuwertig.

Der Kunde erhält innerhalb von 24 h eine revidierte Austauschspindel. Um so schnell reagieren zu können, betreibt Step-Tec zwei Reparaturwerkstätten in Kanada und China.

Model Based Definition: Viele Varianten und Kundennähe

Dabei geht der Hersteller intensiv auf Kundenwünsche ein. 75 Spindelplattformen bilden die Basis für die Entwicklung kundenspezifischer Varianten. „Zudem liefern wir aber auch Spindeln, die nicht auf einer Plattform basieren, sondern komplett auf Basis von Kundenanforderungen entwickelt wurden.“, ergänzt Konstruktionsleiter Bauder.

Die Spindelplattformen unterscheiden sich nicht nur im Durchmesser, sondern auch in Ausführung, Leistung und Drehzahl. Jede einzelne Plattform verzweigt sich in 2 bis 30 Varianten. So bietet Step-Tec ein Spektrum von Spindeltypen mit Durchmessern von 90 bis 320 Millimetern, die einen Leistungsbereich zwischen 1 und 130 Kilowatt mit Drehmomenten von bis zu 1.200 Newtonmetern abdecken.

Auf die Wärmeverteilung kommt es an

Eine Step-Tec-Spezialität ist das schnelle Erreichen der Thermostabilität. Während andere Spindeln 20 Minuten und länger laufen müssen, bis sie eine stabile Betriebstemperatur und damit ihre höchste Präzision erreichen, sind Step-Tec-Spindeln durch ihre Wellenkühlung nach maximal drei Minuten einsatzbereit.

Ein wichtiger Aspekt für die Präzision der Spindeln ist dabei eine gleichmäßige polare Wärmeverteilung, also dass die Wärmeverteilung so optimiert wird, dass die Spindel sich an jeder Stelle des Umfangs gleichmäßig erwärmt. Dadurch bleibt der Rundlauf sehr präzise.

Entwicklungslandschaft: Model Based Definition

Die Entwickler bei Step-Tec nutzen seit 2003 Creo (damals noch Pro/Engineer), seit 2004 unterstützt von der Schweizer Niederlassung von Inneo. Neben der Basis­lizenz wird eine ganze Reihe von Zusatzmodulen eingesetzt, darunter Creo Simulate, das nun von der im gesamten Konzern genutzten, ebenfalls von Inneo vertriebenen Berechnungssoftware Ansys abgelöst wird.

Das Cabling-Modul für Creo wird genutzt, um Kabel und Leitungen im beengten Innenraum der Spindeln optimiert zu verlegen.

Mit dem von Inneo selbst entwickelten Model Processor überprüfen die Step-Tec-Entwickler Kaufteilmodelle und alte Dateien, ob sie dem aktuellen Aufbau entsprechen – beispielsweise lassen sich Layer und Folien entsprechend der firmeneigenen Vorschriften sortieren und belegen. Auch die definierten Parameter und Metadaten lassen sich mit dem Model Processor durch Model Based Definition schnell und effizient prüfen und ergänzen.

Die Entwicklungsdaten in die Fertigung bringen

„Die Parametrik in Creo zwingt uns, die Modelle sauber aufzubauen“, erklärt Entwicklungsingenieur Adrian Kammer. „Auch das Änderungswesen muss sauber aufgesetzt sein, damit sich Varianten aus den Plattformmodellen erzeugen lassen, ohne dass Parameter im Weg stehen.“

Sauber aufgebaute Modelle sind wichtig, um sie in nachfolgenden Prozessen weiternutzen zu können, beispielsweise in der Montage, wie Konstruktionsleiter Bauder erläutert: „Wir müssen bis dato sehr aufwendige Zusammenstellzeichnungen erstellen, damit die Kollegen in der Montage alle wichtigen Informationen sehen. Wir sind aktuell dabei, gemeinsam mit Inneo, einen Prozess zu entwickeln, wie wir diese Zeichnungen durch den CAD-­Datenbetrachter Creo View ersetzen können. Dazu müssten allerdings auch die ganzen Informationen, die auf der Zeichnung sind, am Modell definiert werden und abrufbar sein. Wir werden uns also stärker mit Model Based Definition (MBD) beschäftigen müssen. Zudem müssen die Modelle so strukturiert sein, dass sich Explosions­modelle sehr einfach erstellen lassen.“

In einem Zwischenschritt werden die Step-Tec-Mitarbeiter zunächst mit einer Kombination aus Creo-View-Ansicht und einer reduzierten Zusammenbauzeichnung arbeiten, was auch schon einige Arbeit in der Konstruktionsabteilung erspart.

Model Based Definition im Blick

„Wir gehen da gemeinsam mit Inneo Schritt für Schritt vor“, erläutert Bauder. „In der reduzierten Zusammenstellzeichnung finden sich alle Angaben, die nicht im Viewer sichtbar sind. Zusätzlich erstellen wir Explosionen kritischer Baugruppen, beispielsweise der Lagerflansche. Dort wird an jedem Bauteil die Artikelnummer dargestellt, so dass die Montage fehlerfrei gelingt.“

Ebenso abhängig von der Verlagerung von Informationen sind die Konstrukteure bei der Toleranzanalyse, wie Bauder erläutert: „Die Toleranzanalyse läuft heute noch in Excel, weil die notwendigen Angaben in den Zeichnungen und nicht am Modell definiert sind und manuell zusammengesucht werden müssen. Sobald wir mehr Angaben im Model Based Definition -Modell haben, nutzen wir das in Creo integrierte Tool Cetol.“

Viel erreicht, viel zu tun

Nicht nur in Sachen Model Based Definition und Simulation – an vielen Stellen arbeitet Step-Tec kontinuierlich daran, die Prozesse durchgängiger und digitaler zu gestalten – immer in der Abwägung, wo es Sinn macht und welche Voraussetzungen notwendig sind.

„Dabei sind die Inneo-Mitarbeiter sehr wichtig“, sagt Entwicklungsingenieur Kammer, „denn sie wissen, welche Daten für welche Funktionalitäten notwendig sind und wie sie zu verknüpfen sind. So können wir unsere Prozesse Stück für Stück effizient weiterentwickeln.“

Kammer schließt: „Wir können neue Technologien austesten und implementieren. Cabling war so ein Beispiel, das uns bei geringem Einführungsaufwand viel gebracht hat. Wir können den wenigen Platz in unseren Spindeln besser nutzen, Schlauchlängen am Modell berechnen und Leitungen knickfrei verlegen. Solche Verbesserungen helfen uns, immer wieder etwas besser zu werden – so wie unsere Produkte!“

Der Autor Dipl.-Ing. Ralf Steck ist freier Fachjournalist für CAD/CAM, IT und Maschinenbau in Friedrichshafen.

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