Das Erwachen der digitalen Fertigung

Mittwoch, 18. April 2018 Tobias Fischer
Wie komplexe Software und automatisierte Maschinen die Fertigungsindustrie für immer verändern

Das digitale Zeitalter der Fertigung ist da. Sein Kraftzentrum sind intelligente Fabriken, an denen ein ständiger Dialog zwischen Software und Hardware stattfindet. Um zu verstehen, wie die Industrie zu diesem Punkt gelangte, lohnt sich ein kurzer Ausflug in die Geschichte.

Die erste industrielle Revolution, die eine Verschiebung von grundlegenden Methoden der Handfertigung hin zu Fertigungsmaschinen und Industriewerkzeugen einläutete, begann im ausgehenden 18. Jahrhundert und war zu Beginn des 19. Jahrhunderts in vollem Gange. Zur Mitte des 19. Jahrhunderts hin entwickelte sich in Amerika die zweite industrielle Revolution. Die folgenden 75 Jahre (und darüber hinaus) waren geprägt von Produktionslinien, Massenproduktion und der intensiven Nutzung von Fertigungsanlagen. Die dritte industrielle Revolution kam in den 1950er und 1960er Jahren auf, die von einer weiteren revolutionären Veränderung gekennzeichnet waren, als sich ein Wechsel von analogen hin zu digitalen Technologien vollzog.

Am Anfang des 21. Jahrhunderts war Protolabs ein aufstrebendes Fertigungsunternehmen, dessen Gründer und selbst ernannte „Computernerd“ Larry Lukis eine Million Codezeilen schrieb, um den Prozess der Herstellung von Spritzgusswerkzeug zu automatisieren. Er legte die technischen Grundlagen für ein komplexes System aus urheberrechtlich geschützter Software, das in der Lage war, mit einem Netzwerk aus modernen Fertigungsmaschinen zu kommunizieren.

Doch die Art und Weise, wie wir produzieren, ändert sich gerade erneut. Nach drei industriellen Revolutionen stehen wir kurz vor einer vierten Revolution, deren zugrunde liegendes Konzept die digitale Fertigung ist.

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Eine Einführung in den digitalen Thread

Beim kundenspezifischen Prototyping und der Kleinserienproduktion sind 3D-CAD-Modelle nicht nur ein Gesprächsaufhänger, sondern über den gesamten digitalen Thread hinweg das zentrale Element. Protolabs akzeptiert mehrere CAD-Dateiformate, die jederzeit online hochgeladen werden können. Nach dem Hochladen eines CAD-Modells übernimmt die Automatisierungssoftware den Prozess.

Die Angebotssoftware enthält Regeln für Design und Fertigung, die von menschlichen Experten extrahiert und anschließend in dem zur Analyse der Teilegeometrie verwendeten Code verankert wurden. Schließlich werden die Teile mittels additiver Fertigung (3D-Druck), CNC-Bearbeitung oder Spritzguss hergestellt.

Beim Spritzgießen beispielsweise ermittelt die Software die optimale Ausrichtung des Teils in der Form sowie die Positionierung der Trennebene, sodass die A- und die B-Seite der Form ermittelt werden kann. Davon ausgehend werden Problembereiche, wie dicke Bereiche oder das Fehlen von Formschräge, identifiziert, und das Teil kann sogar anhand einer virtuellen Darstellung des Modells digital getestet werden, um den Materialfluss in der Form vorherzusagen.

Während die beim Spritzgießen angestellten Überlegungen, wie zu Trennebenen und Formschräge, bei der additiven Fertigung kaum eine Rolle spielen, müssen die Ausrichtung eines 3D-Druckteils während des Baus und seine Beziehung zu anderen Teilen auf der Bauplattform bestimmt werden. Bei allen drei additiven Fertigungsverfahren, die Protolabs anbietet – Stereolithographie (SL), selektives Lasersintern (SLS) und direktes Metall-Lasersintern (DMLS) – sind diese Vorbereitungsschritte notwendig, um einen optimalen 3D-Druck sicherzustellen.

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Automatisierte Designanalyse

Bei der traditionellen Fertigung kann ein erfahrener Spritzgießer oder Mechaniker die Analyse durch einfache Betrachtung eines Teils möglicherweise ersetzen. Dies ist jedoch sicher nicht skalierbar und erfolgt weder zeitnah noch wiederholbar – und das, obwohl meist ein unmittelbares Feedback zu einem Entwurf benötigt wird.

Bei der digitalen Fertigung erfolgt die gesamte Analyse und Vorbereitung automatisiert, d. h. innerhalb von 24 Stunden kann dem Produktdesigner oder Ingenieur ein interaktives Angebot mit Machbarkeitsanalyse und Preisangaben vorgelegt werden. Werden in einem Entwurf potenzielle Herstellbarkeitsprobleme festgestellt, werden empfohlene und/oder erforderliche Änderungen direkt im Angebot hervorgehoben, sodass das Design vor Beginn der Produktion verbessert werden kann.

Bei Spritzgussteilen mit kleineren Änderungen stellt Protolabs manchmal ein zweites CAD-Modell – einen so genannten Protolabs Änderungsvorschlag – bereit, bei dem die Änderungen bereits vorgenommen wurden. Das überarbeitete Modell kann sofort verwendet werden, oder der Designer kann die Änderungen in das Originalmodell aufnehmen. In diesem Fall wird die Entwurfshistorie in das PLM (Produktlebenszyklus-Managementsystem) des Designers eingepflegt. Wenn ein CAD-Modell fertig ist, startet der Formenkonstrukteur eine weitere, von Protolabs urheberrechtlich geschützte Anwendung, um ein Werkzeugsystem rund um das Teil zu entwerfen und notwendige Merkmale, wie Angüsse und Angusskanäle, Seitenschieber, evtl. Formeinsätze und ein Auswerfersystem hinzuzufügen.

Wie gesagt, die Vorbereitungsschritte vor der Produktion von additiven Teilen unterscheiden sich von denen bei der CNC-Bearbeitung und dem Spritzgießen. So werden z. B. bei mittels SL oder DMLS gebauten Teilen Stützkonstruktionen in den CAD-Modellen mit eingeplant. Diese Stützstrukturen tragen dazu bei, dass die Teile während des Bauprozesses sich nicht kräuseln oder durchhängen und werden später im Zuge der Nachbearbeitung entfernt. Additive Modelle werden außerdem digital in tausende dünne Schichten zerlegt und anschließend von einer urheberrechtlich geschützten Computeranwendung zu einer produktionsbereiten Baudatei wieder zusammengefügt.

Wenn ein CAD-Modell bereit für den 3D-Druck, die CNC-Bearbeitung oder den Spritzguss ist, führt der digitale Thread weiter zum Fertigungsbereich.

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Die Konvergenz von Software und Hardware

Nun haben wir einen Punkt erreicht, an dem das Form- oder Teiledesign in eine Sprache (bei Protolabs G-Code genannt) übersetzt werden muss, die von einem Netzwerk aus Fertigungsmaschinen verstanden wird. Bei diesem Prozess spricht man von der Erstellung von Werkzeugwegen. Bitte haben Sie etwas Nachsicht, wenn wir Ihnen jetzt ein paar Abkürzungen an den Kopf werfen. Die automatisierte Erstellung von Werkzeugwegen beginnt, wenn NURBS-Informationen (Non-Uniform Rational B-Spline) und Boundary Representations (BREPS) am CAD-Modell und das Spritzgusswerkzeug Y in der Software mosaikartig zu einem umfassenden geometrischen Modell verbunden werden.

Als Nächstes müssen lediglich ein paar geometrische Überlegungen angestellt werden, um zu entscheiden, welche Bearbeitungsstrategien sich für verschiedene Bereiche der Form oder des Teils am besten eignen. Danach wird anhand von Reichweitenanalyse und Kollisionserkennung festgelegt, welche Schaftfräser welche Bereiche schneiden können. Zum Schluss werden noch ein oder zwei Algorithmen zur Erstellung von Aufspannvorrichtungen hinzugefügt.

Ganz einfach, oder?

Nun wird das Design an einen digitalen Werkzeugweggenerator übergeben, der entscheidet, wohin und wie schnell die Bearbeitungswerkzeuge gesteuert werden sollen. Dabei wird ein Programm in der Sprache G-Code erstellt, das die automatisierten Maschinen von Protolabs verstehen. Ein Werkstoffblock und ein G-Code-Programm werden in eine ausgewählte Maschine geladen, die dann auf der Grundlage der G-Code-Anweisungen fortfährt. Das Endergebnis ist ein fertiges bearbeitetes Teil oder ein Satz Formhälften, die poliert und zu einer Presse gebracht werden, damit die Teileproduktion starten kann.

 Bei der additiven Fertigung sind in begrenztem Umfang Werkzeugwege notwendig, um mit einem Bau beginnen zu können. Hierbei wird jedoch die bereits erwähnte produktionsbereite Datei (oder das Dateipaket) direkt an mit Computern ausgestattete SL-, SLS- und DMLS-Maschinen gesendet. Das Material wird anschließend in die Maschine geladen, und die Teile sind nur ein paar Mausklicks vom Beginn der Produktion entfernt.

Warum die digitale Fertigung wichtig ist

Das Schöne an der digitalen Fertigung ist, dass dieser gesamte digitale Thread – vom CAD-Modell bis zum fertigen Teil – in weniger als zwei Wochen und manchmal sogar innerhalb von ein oder zwei Tagen fertiggestellt wird. Dabei können mehrere Designänderungen vorgenommen werden. Die Entwicklung wird beschleunigt. Die Produkte gelangen in kurzer Zeit auf den Markt. Und die Lieferketten werden über den gesamten Lebenszyklus eines Produkts besser aufrecht erhalten.

Während sich die vierte industrielle Revolution am Horizont abzeichnet, ist die Fertigung bestens auf die nächsten Jahrzehnte des digitalen Zeitalters vorbereitet.