CAD/CAM-Software Werkzeugbahnen optimieren mit dem digitalen Zwilling

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Arnold Umformtechnik programmiert seine NC-Maschinen mit Hypermill. Ein digitaler Zwilling optimiert dabei die Werkzeugbahnen.

Das Unternehmen Arnold Umformtechnik in Forchtenberg-Ernsbach geht auf eine bereits 1898 von Louis und Carl Arnold gegründete Fabrik zurück, die zunächst Holz- und später auch Blech- und Schneidschrauben herstellte. Seit 1994 gehört das Unternehmen zur Würth-Gruppe und entwickelte sich seitdem zu einem führenden Automobilzulieferer für spezialisierte Schrauben und andere Verbindungselemente. Insbesondere im Bereich der E-Mobility bietet Arnold passgenaue Lösungen, die speziell für Leichtbaumaterialien, leitende Elemente und Akku-Packs ausgelegt sind.

Ein typisches Beispiel ist die erfolgreiche fließlochformende Schraube Flowform. Sie ermöglicht eine Blechverbindung ohne Vorloch und kommt unter anderem bei Akku-Packs für Rahmenkonstruktion, Unterbodendeckel und Batteriedeckel zum Einsatz. Da diese Spezialschrauben mit sehr hoher Drehzahl eingeschraubt werden, weist der Antrieb eine anspruchsvolle Geometrie auf, die eine prozesssichere Montage gewährleistet. Eine Herausforderung für den im Werk Forchtenberg-Ernsbach ansässigen Werkzeugbau, der ein Umformwerkzeug liefern muss, das diese Geometrie zuverlässig und wiederholgenau erzeugt.

Der in Ernsbach ansässige Werkzeugbau ist dem Geschäftsbereich „Functional Components“ zugeordnet, der kundenindividuelle kaltumgeformte Multifunktionsteile herstellt. Die weiteren Geschäftsbereiche „Fastening Solutions“ und „Fastening Systems“ produzieren innovative Verbindungselemente für die Verschraubung von Metallen und Kunststoffen sowie Fügesysteme bestehend aus dem Fügeelement und der individuellen Fügeanlage. Die dafür notwendigen Kaltumformwerkzeuge und Anlagenkomponenten beziehen sie zu einem großen Teil aus dem Werkzeugbau.

Verbesserte Umformwerkzeuge

Für Prozessverbesserungen im Werkzeugbau ist Dr.-Ing. Bastian Zimmermann verantwortlich, der organisatorisch im Bereich Design Engineering „Functional Components“ angesiedelt ist. Seine Zuständigkeit beschreibt er so: „Ich bin ein Bindeglied zwischen Konstruktion, Werkzeugbau und Presserei. Meine Aufgabe besteht in erster Linie darin, den Umformprozess hinsichtlich Stabilität, Reproduzierbarkeit und Wirtschaftlichkeit zu optimieren. Das heißt jedoch häufig, dass die gesamte Prozesskette inklusive der Herstellung der Umformwerkzeuge analysiert und angepasst werden muss.“ Der Umformtechnik-Spezialist gibt ein Beispiel: „Wenn wir die Riefenrichtung, die aus den Werkzeugbahnen bei der Herstellung des Umformwerkzeugs resultieren günstig anlegen, lässt sich sowohl eine bessere Ausformung am Umformteil als auch eine Erhöhung der Standmengen erreichen.“  

Womit er ein wesentliches Ziel seines Engagements benennt: „Um Produktionsprozesse in der Presserei kalkulierbarer zu gestalten und pro Umformwerkzeug höhere Stückzahlen zu erzielen, müssen wir gezielt Unterstützung aus dem Werkzeugbau leisten. Insbesondere vor dem Hintergrund wachsender Bedarfe, wie wir sie beispielsweise bei unseren Flowform-Schrauben sehen.“ Bastian Zimmermann ist seit drei Jahren bei Arnold beschäftigt. Eine seiner ersten Aufgaben war die Anpassung des Maschinenparks an die zukünftigen Anforderungen. So ergänzt inzwischen ein HSC-Bearbeitungszentrum fürs fünfachsige Hartfräsen die klassischen Maschinen fürs Fräsen, Drehen, Schleifen und Erodieren. „Mit der Hartbearbeitung lassen sich bessere Werkzeugqualitäten erreichen“, erklärt Zimmermann. „In vielen Fällen sparen wir uns ergänzendes Schleifen oder manuelle Nachbearbeitung. Außerdem ermöglicht die 5-Achs-Bearbeitung komplexe Konturen, die bisher wirtschaftlich nicht realisierbar waren.“

Das CAM-System – wichtiges Element in der Prozesskette

Doch mit einer neuen Maschine ist es nicht getan. Ebenso wichtig ist es, die passende Infrastruktur zu schaffen. Im Falle Arnold-Werkzeugbau hieß dies, die CAM-Programmierung an die aktuellen Zerspanungstechnologien anzupassen. Die bisherige Software konnte keine Frässtrategien anbieten, die auf einem Hochpräzisions-Bearbeitungszentrum (BAZ) die gewünschten Qualitäten erzeugten. Auch hinsichtlich der Prozesssicherheit sahen die Werkzeugbauer Verbesserungsbedarf.

„Wir haben verschiedene CAM-Anbieter eingeladen, uns ihre Software zu präsentieren“, berichtet Zimmermann. Dabei ging es im Wesentlichen ums fünfachsige Hartfräsen. Aber auch die Programmiermöglichkeiten fürs Drehen und Erodieren sahen sich die Werkzeugbauer genau an. „Mit dem neuen CAM-System wollten wir uns die Option offenhalten, eine einheitliche Programmierung aller Zerspanungsprozesse zu realisieren“, erwähnt Zimmermann.

Schnell und sicher

Tim Blechl, gelernter Industriemechaniker, war eine der in den Entscheidungsprozess eingebundenen Personen. „Die von Open Mind gebotene Präsentation war beeindruckend. Anhand eines Bauteils konnten wir uns gleich von der Leistungsfähigkeit der CAD/CAM-Lösung Hypermill überzeugen. Die Versuche im Hartfräsen fanden während einer Testphase vor der Entscheidung über die Einführung von Hypermill statt. Dabei erzielten wir deutlich bessere Oberflächen als je zuvor. Auch die Bedienung der Software erschien mir von Anfang an sehr selbsterklärend und intuitiv.“ Die Vielzahl der 5-Achs-Strategien, die Möglichkeiten der virtuellen Maschine und die verfügbaren Module für andere Zerspanungstechnologien trugen letztendlich dazu bei, dass die Entscheidung zugunsten Hypermill fiel.

Seit November 2022 arbeitet nun Tooling-Milling-Spezialist Blechl mit Hypermill. Der Umstieg auf die neue CAM-Software fiel ihm leicht. Mit „seiner“ Maschine, einem 5-Achs-BAZ von Hermle war er bestens vertraut, sodass er sich im Wesentlichen auf die neue Software konzentrieren konnte. Die Vielfalt der Lösungsmöglichkeiten, die Hypermill bereitstellt, bezeichnet er als einzigartig: „Ich kann jede Bearbeitung mit verschiedenen Strategien angehen und ausprobieren, welche am besten funktioniert. Gerade im 5-Achs-Bereich ist das von großem Vorteil, da ich damit fürs Pressen vorteilhafte Fräsbahnen wählen kann.“

Im Werkzeugbau werden auch größere Teile für die Bereiche Instandhaltung, Anlagen- und Anwendungstechnik sowie Additive Manufacturing von Arnold Umformtechnik zerspant und fertigbearbeitet. Dafür nutzt Blechl die Funktionen des Performance-Pakets HyperMILL Maxx Machining. Sein Fazit: „Das Schruppmodul fürs Trochoidalfräsen und das Schlichtmodul sparen uns viel Zeit, sowohl beim Programmieren als auch beim Fräsen. Es ist eben ein Unterschied, ob ich eine größere Fläche mit einem Zehner-Kugelfräser in 0,1 Millimeter-Schritten abzeile oder mit dem konischen Tonnenfräser fünf Millimeter zustelle. So konnten wir bei einem Bauteil das Schlichten von 24 Stunden auf knappe fünf Stunden verkürzen.“

Prozesssicherheit und mehr

Da eine sichere Simulation insbesondere in der fünfachsigen Bearbeitung unentbehrlich ist, entschlossen sich die Arnold-Werkzeugbauer, auch in HyperMILL Virtual Machining zu investieren – für das Hermle-BAZ, aber auch für die beiden anderen 5-Achs-Bearbeitungszentren. Gabriele Widera, Gebietsvertriebsleiterin bei Open Mind erklärt: „Mit HyperMILL Virtual Machining bieten wir eine Technologie, mit der Anwender den NC-Code sicher generieren, optimieren und simulieren können. Und das alles in nur einem System. Das sorgt für Durchgängigkeit und Sicherheit.“ Dem stimmt Timm Blechl uneingeschränkt zu: „Die Software erkennt mithilfe eines digitalen Zwillings und des Optimizer-Moduls gefährliche Situationen während der NC-Code-Generierung und löst diese vollautomatisch.“ Dabei werden auch die Fräsbahnen optimiert, sodass etwa ein unnötiges Zurückfahren auf die Sicherheitsebene entfällt. Das funktioniert einwandfrei und spart viel Zeit und gleichzeitig Geld.“

Präzise gesteuert

Die jüngste Anschaffung im Arnold-Werkzeugbau ist eine fünfachsige HSC-Fräsmaschine, die für die Hartbearbeitung von Freiformflächen prädestiniert ist. Das Zusammenspiel von Maschine und NC-Programm sorgt dafür, dass die Anforderungen an Präzision, Oberflächengüte und Geschwindigkeit den Erwartungen der Werkzeugbauer entsprechen. So enthält Hypermill bereits im Standard die Technologie „hochgenauer Flächenmodus“. Diese steuert die Punkteverteilung so fein, dass auf Hochpräzisionsmaschinen beste Oberflächen entstehen. Bastian Zimmermann erklärt, dass jedes Arnold-Werkzeug Oberflächengüten im Bereich Rz < 4 µm beziehungsweise Ra < 0,3 µm einhalten muss: „Die geforderten Werte können wir im Zusammenspiel der Maschine, dem Zerspanungswerkzeug und Hypermill prozesssicher einhalten und sparen damit nachfolgende Arbeitsschritte der Oberflächenfeinbearbeitung. Mit dem Hartfräsen sind wir insgesamt kostengünstiger geworden. Darüber hinaus erzielen wir eine höhere Standzeit der Umformwerkzeuge.“

Höchste Präzision und Oberflächengüte

Tim Blechl betreut die neue HSC-Fräsmaschine seit ihrer Inbetriebnahme. Nachdem er sich am Hermle-BAZ mit Hypermill vertraut gemacht hat, kann er seine Erfahrungen jetzt mit der neuen Hartfrästechnologie verknüpfen. „Was bei Open Mind ebenfalls toll funktioniert, ist der Support“, betont der Frässpezialist. „Das durfte ich schon in Zusammenhang mit der Hermle erleben. Jetzt beim Hartfräsen auf der HSC-Fräsmaschine tauchen auch immer wieder knifflige Fragen auf, mit denen ich mich jederzeit an den Open-Mind-Support wenden kann. Wenn ich die Problemstellungen ins Kundenportal eingebe, erhalte ich kurzfristig Lösungsvorschläge.“

Darüber hinaus lobt er die Zusammenarbeit mit Samuel Becker, seinem technischen Ansprechpartner bei Open Mind: „Wenn es Anwendungsprobleme gibt, ist er schnell vor Ort und hilft uns mit seiner Expertise.“ So auch beim Thema Prägewerkzeuge. Früher war ein enormer Aufwand in der konstruktiven Auslegung des Werkzeugs erforderlich. Nur so ließen sich die feinen Prägestrukturen so einarbeiten, dass sie am gepressten Teil die geforderte geometrische Genauigkeit und eine ausreichend hohe Standmenge erreichten. Dazu mussten den späteren Fräsbahnen entsprechend Flächen im CAD-System konstruiert werden, um die Erkennung im CAM-System zu gewährleisten.

„In Hypermill können wir das mit der 3D-Restmaterialbearbeitung einfach und mit minimaler konstruktiver Vorbereitung erledigen“, erklärt Samuel Becker.„Es geht voran“, resümiert Bastian Zimmermann. „Wir erreichen heute Standmengen, die um einen Faktor von bis zu 20 höher liegen. Die neuen Prozesse, wie die Hartbearbeitung und die inzwischen erreichbaren Genauigkeiten, eröffnen auch unserer Konstruktionsabteilung neue Perspektiven. Dadurch können wir künftig Werkzeuge und die damit verbundenen Umformprozesse neu gestalten. So sind wir gut für die Zukunft aufgestellt.“

Wolfgang Klingauf ist freier Journalist bei k+k-PR.