Was ist physikbasiertes CAM?

Ein praktischer Leitfaden zu AI , Schnittgeschwindigkeiten und Werkzeugwegentscheidungen, die an der Spindel Bestand haben

Jedes CNC-Teil durchläuft zwei verschiedene Phasen, bevor es zu einem fertigen Bauteil wird.

Der erste Punkt ist die Programmierumgebung. Hier legt der Programmierer fest, wie das Bauteil gefertigt werden soll: wie das Werkstück gehalten wird, welche Werkzeuge zum Einsatz kommen, welche Bearbeitungsschritte in welcher Reihenfolge erfolgen und welche Schnittparameter angewendet werden sollen.

Der zweite Schritt ist die Werkzeugmaschine. Hier treffen diese Entscheidungen auf eine echte Spindel, eine echte Spannvorrichtung, echtes Material, Kühlmittel, Späne, Vibrationen, Werkzeugverschleiß und Schnittkräfte.

CAM unterstützt Programmierer sehr gut bei der Erstellung und Berechnung von Werkzeugbewegungen. Sie kann Schruppbahnen, Schlichtbahnen, Bohrzyklen, Restbearbeitung, 3-Achsen-Strategien und komplexe 5-Achsen-Bewegungen generieren. Außerdem kann sie den Materialabtrag simulieren, zahlreiche geometrische Probleme erkennen und Code für die Maschine ausgeben.

Die schwierigere Frage stellt sich erst, nachdem der geometrische Werkzeugweg erstellt wurde: Werden sich die gewählten Vorschübe, Drehzahlen, Werkzeuglänge, Abwärtsabstand, Seitenschritt und Eingriffsbereich gut verhalten, wenn der Fräser mit dem Materialabtrag beginnt?

CAM physikbasierten CAM darum, dieses Bearbeitungsverhalten stärker in den Programmierprozess einzubeziehen. Anstatt sich ausschließlich auf Werte aus Handbüchern, Empfehlungen von Lieferanten, gespeicherte Bearbeitungsrezepte oder frühere Aufträge zu stützen, werden Modelle des Zerspanungsprozesses verwendet, um vorherzusagen, wie sich eine Werkzeugbahn voraussichtlich verhalten wird, noch bevor sie die Maschine erreicht.

Damit ist dies einer der wichtigsten Aspekte hinter AI CAM (wie beispielsweise CAM ), insbesondere bei Bauteilen, bei denen das Risiko nicht in der Erstellung der Werkzeugbahn liegt, sondern in der Wahl sicherer, stabiler und produktiver Zerspanungsparameter.

1. Was CAM konventionelle CAM gut macht

Ein CAM hilft dabei, die Fertigungsvorgaben in Maschinenbewegungen umzusetzen. Der Programmierer trifft zwar nach wie vor viele der zentralen Prozessentscheidungen, doch die Software bietet die Umgebung zum Erstellen, Berechnen, Simulieren und Übertragen der Bearbeitungsvorgänge.

In einem typischen Arbeitsablauf definiert der Programmierer:

Die Maschine, die Einrichtung und der Materialvorrat
Der Werkstückspannansatz und das Werkstückkoordinatensystem
Die Schneidwerkzeuge, Halter und Werkzeugbaugruppen
Die Bearbeitungsvorgänge wie Schruppen, Schlichten, Bohren oder Profilieren
Die zu bearbeitende Geometrie und die zu beachtenden Begrenzungen
Stepdowns, Stepovers, Vorstöße, Tempowechsel und Anspielmanöver
Durchfahrtshöhen, Verbindungsmanöver, Einfahren und Sicherheitsbereiche
Kühlmittelverbrauch, Werkzeugwechsel und Anforderungen an die Nachbearbeitung

Sobald diese Eingaben festgelegt sind, berechnet das CAM die Bewegung des Fräsers. Diese berechnete Bahn ist der Werkzeugweg: die Route, der der Fräser im Raum folgt, während er sich dem Werkstück nähert, Material abträgt, verschiedene Bereiche miteinander verbindet und sich sicher zurückzieht.

Dies ist eine bedeutende Errungenschaft. Moderne CAM können Werkzeugwege für sehr komplexe Teile berechnen, darunter auch mehrachsige Bauteile, deren manuelle Programmierung nahezu unmöglich wäre. Außerdem helfen sie den Programmierern dabei, offensichtliche Probleme bereits vor der Ausführung des Auftrags zu erkennen, wie beispielsweise Kerben, Kollisionen, überschüssiges Material, Materialausfälle oder unsichere Rückzüge.

Eine CAM ist jedoch in der Regel bei geometrischen Fragen am aussagekräftigsten. Sie kann zeigen, ob das Schneidwerkzeug das beabsichtigte Material abträgt und das Werkstück, den Halter oder die Spannvorrichtung nicht berührt. Sie gibt jedoch nicht immer Aufschluss über die physikalischen Aspekte, die darüber entscheiden, ob der Prozess auf der Maschine gut abläuft.

Zu diesen physikalischen Fragen gehören:

Wie dick ist der Span an jeder Stelle des Schnitts?
Wie groß wird die Schnittkraft sein?
Wie stark lässt sich das Werkzeug biegen?
Bewegt sich das Werkstück unter Last?
Ist es wahrscheinlich, dass das Werkzeug bei der gewählten Spindeldrehzahl ins Ruckeln gerät?
Kann es durch einen Corner oder einen Slot zu einer plötzlichen Überlastung kommen?
Führt die gewählte Werkzeuglänge zu einer zu starken Durchbiegung?
Sind die Schnittbedingungen auch dann noch sinnvoll, wenn sich die Eingriffsbedingungen entlang der Bahn ändern?

In herkömmlichen CAM werden viele dieser Fragen außerhalb der Software beantwortet. Sie beruhen auf der Erfahrung des Programmierers, dem Gehör des Zerspaners, dem Werkzeugkatalog, den bewährten Arbeitsanweisungen des Betriebs und den nach dem ersten Durchlauf vorgenommenen Anpassungen.

Physikbasiertes CAM , einen größeren Teil dieser Überlegungen bereits in der Programmierphase zu berücksichtigen.

2. Wie Schnitttiefen und Drehzahlen heute ausgewählt werden

Vorschübe und Geschwindigkeiten werden oft so beschrieben, als würden sie sich aus einer einfachen Formel ergeben. In Wirklichkeit legen Programmierer sie in der Regel anhand einer Kombination aus Daten, Erfahrung und eigenem Urteilsvermögen fest.

Ausgangspunkt könnte die Empfehlung eines Werkzeuglieferanten sein. Ein Katalog oder ein Online-Rechner kann die Oberflächengeschwindigkeit, den Vorschub pro Zahn, die axiale Schnitttiefe und den radialen Eingriff für ein bestimmtes Werkzeug und Material angeben. Diese Werte sind zwar hilfreich, stellen jedoch selten die endgültige Antwort dar.

Ein Programmierer könnte sich außerdem Folgendes ansehen:

Frühere Aufträge, bei denen dasselbe Material oder derselbe Fräser verwendet wurde
Interne Betriebsstandards
In einer CAM bibliothek gespeicherte Werte
Empfehlungen eines Vertreters für Werkzeugbau
Zuschnittdaten aus einem Handbuch oder einer Herstelleranleitung
Anmerkungen von Zerspanern, die ähnliche Teile bearbeitet haben
Das bekannte Verhalten einer bestimmten Werkzeugmaschine

Der Programmierer passt die Werte dann an die jeweilige Bearbeitung an. Ein kurzes, steifes Werkzeug in einer stabilen Halterung kann sich ganz anders verhalten als derselbe Fräser mit großem Überstand. Ein schwerer Langloch-Einschnitt kann das Werkzeug anders belasten als ein leichter Seitenschnitt. Eine dünne Wand erfordert möglicherweise eine schonendere Endbearbeitungsstrategie als ein massiver Materialblock. Eine Maschine mit begrenzter Steifigkeit erfordert möglicherweise einen konservativeren Ansatz als eine neuere, steifere Maschine.

Zu den üblichen Korrekturen gehören:

Verringerung des Vorschubs oder der Eingriffstiefe bei Werkzeugen mit großer Reichweite
Verringerung des radialen Eingriffs in Nuten, Ecken oder bei tiefen Schnitten
Anpassung der Spindeldrehzahl zur Vermeidung von Rattern
Vor dem Fertigstellen eines dünnwandigen Werkstücks mehr Material stehen lassen
Änderung der Arbeitsreihenfolge, um das Material zur Abstützung an Ort und Stelle zu halten
Verwendung leichterer Überlappungen bei dünnen Wänden
Reduzierung der Schnittbelastung bei weniger starren Aufspannungen
Strategiewechsel, wenn die Chips wahrscheinlich verklumpen oder neu geschnitten werden
Verwendung konservativerer Parameter für ein unbekanntes Material

Dieser Prozess funktioniert, weil erfahrene Programmierer und Maschinenbediener die Risiken kennen. Sie wissen, wann ein Wert zwar technisch zulässig, aber unklug ist. Sie wissen, wann ein Werkzeugweg in CAM gut aussieht, an der Maschine CAM nicht sinnvoll erscheint. Sie wissen auch, wann sie eine zu aggressive Empfehlung ignorieren müssen, weil die tatsächliche Aufspannung dies nicht zulässt.

Die Schwäche liegt in der Konsistenz. Ein Großteil der Überlegungen erfolgt implizit, und implizites Wissen lässt sich nur schwer über Teams, Schichten, Maschinen und Standorte hinweg skalieren. Es ist zudem schwer, es von einem Programmierer auf einen anderen zu übertragen. Ist die Person, die sich mit dem Material, der Maschine oder der Vorrichtung auskennt, nicht verfügbar, kann der Prozess konservativer werden, stärker von Versuch und Irrtum geprägt sein – oder beides.

Physikbasiertes CAM wertvoll, da es der Software eine explizitere Möglichkeit bietet, dieselben Probleme zu analysieren. Hier sehen Sie unser Modul „Cutting Parameters Explorer“ in Aktion:

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3. Die drei rechnerischen Ansätze, die CAM zugrunde liegen

Viele moderne Softwareprogramme bedienen sich einer ähnlichen Terminologie: AI, Optimierung, Intelligenz, Automatisierung, intelligente Feeds und adaptive Bearbeitung. Diese Begriffe können drei sehr unterschiedliche Ansätze miteinander vermischen.

Nachschlagetabellen und Regeln

Der grundlegendste Ansatz ist eine Datenbank mit empfohlenen Werten. Das System berücksichtigt das Werkzeug, das Material und die Bearbeitungsart und gibt anschließend einen Vorschub, eine Drehzahl und eine Schnitttiefe aus. Es kann auch Regeln anwenden, wie beispielsweise die Verringerung des Eingriffs beim Nuten, die Reduzierung des Vorschubs bei einem langen Werkzeug oder die Verwendung eines konservativeren Werts bei schwierigen Werkstoffen.

Dieser Ansatz ist sinnvoll, wenn der Auftrag den der Tabelle zugrunde liegenden Annahmen entspricht. Er ist schnell, vertraut und für Standardaufträge oft ausreichend. Viele Betriebe nutzen eine Variante davon, sei es in CAM, einer Tabellenkalkulation, einem Werkzeugkatalog oder in den eigenen Notizen des Programmierers.

Die Einschränkung tritt auf, wenn die Schnittbedingungen außerhalb der Tabelle liegen. Ein Nachschlagwert berücksichtigt nicht unbedingt, dass das Werkzeug ungewöhnlich lang ist, die Wand dünn ist, die Eckenbelastung kurz vor einem Spitzenwert steht oder das Maschinen-Aufspannsystem weniger steif ist als erwartet. Regelbasierte Korrekturen können helfen, sind jedoch nach wie vor nur Näherungswerte.

Empirische AI erlernte Empfehlungen

Der zweite Ansatz stützt sich auf historische Daten. Ein System kann aus früheren Programmen, der Wahl der Werkzeuge, Vorschüben, Drehzahlen, Bearbeitungsvorgängen und Ergebnissen lernen. Dies kann sehr effektiv sein, wenn genügend relevante Daten vorliegen, insbesondere in einer Produktionsumgebung, in der ähnliche Teile wiederholt gefertigt werden.

Ein empirisches System kann Muster erfassen, die sich nur schwer manuell festhalten lassen. So kann es beispielsweise lernen, dass eine bestimmte Bauteilfamilie in der Regel konservative Schlichtdurchgänge erfordert oder dass ein bestimmtes Werkzeug bei einem bestimmten Werkstoff auf einer bestimmten Maschine gute Ergebnisse liefert.

Seine Schwäche liegt in der Extrapolation. Wenn sich der nächste Auftrag wesentlich von den Aufträgen in den Trainingsdaten unterscheidet, gibt das System möglicherweise dennoch eine sichere Empfehlung ab. Die Frage ist, ob diese Empfehlung auf den mechanischen Aspekten des Schnitts beruht oder hauptsächlich auf der Ähnlichkeit mit früheren Beispielen.

Physikbasierte Modellierung

Ein physikbasierter Ansatz geht von der Mechanik der Zerspanung aus. Er analysiert das Zusammenspiel zwischen Fräser, Werkstoff, Werkzeugweg, Maschine und Werkstückspannung. Anstatt sich ausschließlich auf bewährte Verfahren zu verlassen, versucht er, das Verhalten des Fräsvorgangs vorherzusagen.

Diese Vorhersage kann die Spandicke, die Schnittkraft, die Werkzeugdurchbiegung, die Werkstückdurchbiegung und die dynamische Stabilität umfassen. Die leistungsfähigsten Systeme bewerten diese Bedingungen lokal entlang der Werkzeugbahn, da sich die Belastung des Fräsers von einem Bereich zum nächsten ändern kann.

In der Praxis kombinieren viele gute Systeme alle drei Ansätze. Tabellen sind nach wie vor nützlich. Historische Daten sind nach wie vor nützlich. Die Erfahrung der Programmierer bleibt unverzichtbar. Der entscheidende Unterschied liegt darin, woher die entscheidende Empfehlung stammt. Wenn ein Produkt behauptet, physikbasiert zu sein, sollte es in der Lage sein, den physikalischen Grund für eine Änderung der Zufuhr, der Geschwindigkeit, des Eingriffs oder der Strategie zu erklären.

4. Was physikbasierte CAM modelliert

Ein seriöses, physikalisch fundiertes CAM muss mehr als nur die Oberflächengeschwindigkeit und den Vorschub pro Zahn modellieren. Diese Werte sind zwar wichtig, stellen jedoch nur den Anfang des Zerspanungsprozesses dar.

Das zentrale Modellierungsproblem ist lokaler Natur. An jedem Punkt der Werkzeugbahn muss die Software erkennen, welcher Teil des Fräsers gerade im Einsatz ist, wie das Material abgetragen wird und wie das Werkzeug, das Werkstück und die Maschine voraussichtlich reagieren werden.

Spanstärke und Eingriff

Der von einem Fräser erzeugte Span hat keine konstante Form. Er verändert sich, während sich das Werkzeug dreht, sich der radiale Eingriff ändert und der Fräser sich durch Ecken, Nuten, Restmaterialbereiche und Bahnen mit variablem Eingriff bewegt.

Ein einfacher Wert für den Vorschub pro Zahn reicht nicht aus, um die Vorgänge an der Schneidkante vollständig zu beschreiben. Die sinnvollere Frage lautet vielmehr, wie viel Material jeder Zahn an einem bestimmten Punkt der Werkzeugbahn tatsächlich abträgt.

Das ist wichtig, da die Spandicke mit Kraft, Wärmeentwicklung, Werkzeugverschleiß und Stabilität zusammenhängt. Ein Werkzeugweg, der in CAM gleichmäßig aussieht, CAM dennoch zu einer lokalen Überlastung führen, wenn die Zerspanungstiefe plötzlich zunimmt. Dies geschieht häufig in Ecken, bei Schnitten über die gesamte Breite, in schmalen Taschen und bei Übergängen zwischen leichter und starker Zerspanung.

CAM physikbasiertes CAM daher die Eingriffstiefe entlang des gesamten Schnittverlaufs bewerten, anstatt den gesamten Vorgang als einen einheitlichen Schnitt zu behandeln.

Schnittkraft

Sobald die Spandicke und der Eingriff bekannt sind, kann das System die Schnittkräfte abschätzen. Dazu sind werkstoffspezifische Daten erforderlich, da verschiedene Werkstoffe dem Schneidvorgang unterschiedlich widerstehen. Aluminium, Edelstahl, Titan, Nickellegierungen und gehärtete Stähle verhalten sich nicht gleich, und selbst Werkstoffe mit derselben Bezeichnung können je nach Güteklasse, Wärmebehandlung und Zustand variieren.

Ein nützliches Modell sollte klare Angaben zu den verwendeten Materialdaten enthalten. Gemessene Zerspanungsdaten sind aussagekräftiger als eine allgemeine Materialbezeichnung. Auch wenn genaue Daten fehlen, kann ein System dennoch eine sinnvolle Schätzung vornehmen, doch die damit verbundene Unsicherheit sollte für den Programmierer erkennbar sein.

Die Schnittkraft ist von entscheidender Bedeutung, da sie nahezu alle anderen Faktoren im Prozess beeinflusst. Sie bestimmt die Durchbiegung des Werkzeugs, die Durchbiegung des Werkstücks, die Spindelbelastung, die Wärmeentwicklung, den Werkzeugverschleiß und das Vibrationsrisiko.

Durchbiegung von Werkzeugen und Bauteilen

Schneidwerkzeuge biegen sich unter Belastung. Das Ausmaß hängt von der Kraft, dem Werkzeugdurchmesser, dem Überstand, dem Halter, der Werkzeuggeometrie und der Gesamtsteifigkeit des Systems ab. Ein kurzes Werkzeug in einer starren Halterung kann sich nur sehr wenig durchbiegen. Ein Werkzeug mit großem Überstand, das tief in einer Tasche schneidet, kann sich so stark durchbiegen, dass Genauigkeit, Oberflächengüte und Standzeit beeinträchtigt werden.

Das Werkstück kann sich ebenfalls bewegen. Dies ist besonders wichtig bei der Bearbeitung von dünnen Wänden, Rippen, Böden und schwach abgestützten Strukturen. Ein Schlichtdurchgang mag in CAM korrekt aussehen, doch wenn sich die Wand vom Fräser wegbewegt und nach dem Durchgang des Werkzeugs zurückspringt, entspricht das fertige Teil möglicherweise nicht der programmierten Geometrie. (Hier ist ein hervorragendes Beispiel, das in unserer eigenen Fabrik in Super-Zeitlupe aufgenommen wurde:)

Physikbasiertes CAM dabei helfen, vorherzusagen, wann Schnittkräfte voraussichtlich zu große Verschiebungen verursachen. In manchen Fällen kann dies zu einem geringeren Eingriff führen. In anderen Fällen kann es eine andere Abfolge nahelegen, bei der das Stützmaterial länger an Ort und Stelle verbleibt oder beide Seiten eines Merkmals gleichmäßiger bearbeitet werden.

Dynamische Stabilität und Rattern

Das Flattern ist eine dynamische Instabilität. Es hängt vom Schneidwerkzeug, dem Halter, der Spindel, der Maschinenkonstruktion, dem Werkstoff, der Werkzeuglänge und den Schnittbedingungen ab. In manchen Fällen kann eine Verringerung des Vorschubs Abhilfe schaffen, doch das Flattern ist nicht einfach nur ein Problem der Vorschubgeschwindigkeit. Manchmal führt eine andere Spindeldrehzahl, ein anderer Eingriff oder eine andere Werkzeuglänge zu einem stabileren Ergebnis.

Die Stabilitätslappenanalyse ist eine Möglichkeit, dies zu untersuchen. Vereinfacht ausgedrückt hilft sie dabei, Kombinationen aus Spindeldrehzahl und Schnitttiefe zu identifizieren, bei denen die Wahrscheinlichkeit einer Schwingungsauslösung mehr oder weniger hoch ist. Der praktische Nutzen besteht darin, dass ein physikalisch basiertes System den Programmierer von instabilen Bereichen weg und hin zu stabileren Schnittbedingungen führen kann.

Auch hier muss die Modellierung realitätsnah sein. Die Maschinendynamik variiert, und ein Softwaremodell kann den genauen Zustand jeder Spindel, jedes Halters, jeder Vorrichtung und jeder Werkzeugbaugruppe möglicherweise nicht kennen, sofern diese nicht vermessen wurden. Ein glaubwürdiges System sollte seine Annahmen klar darlegen.

Risiken aus angrenzenden Prozessen

Einige wichtige Probleme bei der Zerspanung lassen sich nur schwer in einem sauberen physikalischen Modell erfassen. Spanabtransport, Kühlmittelzufuhr, Aufbauschneide, thermische Ausdehnung, fortschreitender Werkzeugverschleiß und Gratbildung können den tatsächlichen Prozess beeinflussen.

Ein physikbasiertes CAM kann je nach seinem Anwendungsbereich einige dieser Faktoren berücksichtigen. Wo dies nicht der Fall ist, sollte es dem Programmierer dennoch dabei helfen, Risikobereiche zu erkennen. So kann beispielsweise ein starker Eingriff in einer Tasche mit schlechter Spanabfuhr eine andere Strategie erfordern, selbst wenn die Kraftberechnung an sich akzeptabel erscheint.

Der entscheidende Punkt ist, dass „physikbasiert“ bedeuten sollte, dass die Software auf der Grundlage der Mechanik des Schnitts Schlussfolgerungen zieht und nicht einfach einen prozentualen Anpassungswert auf einen Nachschlagewert anwendet.

5. Wenn physikbasierte CAM die Programmierentscheidungen CAM

Der Nutzen einer physikbasierten CAM am deutlichsten bei Aufgaben, bei denen die üblichen Faustregeln nicht mehr zuverlässig sind.

Grobräumen mit großer Reichweite

Eine tiefe Tasche zwingt den Programmierer oft dazu, ein längeres Werkzeug zu verwenden, als ihm lieb ist. Das Werkzeug mag zwar das Material erreichen können, doch Reichweite und Steifigkeit sind zwei verschiedene Dinge.

In einem herkömmlichen Arbeitsablauf passt der Programmierer die Schnittparameter möglicherweise aufgrund seiner Erfahrung an. Das schützt zwar das Werkzeug und das Werkstück, kann aber auch zu Produktivitätsverlusten führen. Die Anpassung kann in manchen Bereichen zu konservativ und in anderen zu aggressiv ausfallen.

Ein physikbasiertes System kann die Kombination aus Werkzeugüberstand, Schneidwerkzeug-Eingriff, Werkstoff und Schnittkraft entlang der Bahn auswerten. Es kann die Belastung an Stellen reduzieren, an denen ein hohes Durchbiegungsrisiko besteht, und an Stellen, an denen die Werkzeugbahn stabil ist, eine produktivere Zerspanung ermöglichen. Das Ergebnis sollte eine einheitlichere Entscheidungsfindung während des gesamten Bearbeitungsvorgangs sein, anstatt überall einen einzigen konservativen Wert anzuwenden.

Dünnwandige Endbearbeitung

Dünne Bauteile stellen ein anderes Problem dar. Das Schneidwerkzeug mag zwar ausreichend steif sein, das Bauteil jedoch möglicherweise nicht. Eine Wand, eine Rippe oder ein Boden kann sich während des Schneidvorgangs verschieben und sich erst wieder entspannen, nachdem das Werkzeug vorbeigegangen ist. Dies kann zu Maßfehlern führen, selbst wenn die programmierte Bahn geometrisch korrekt ist.

Ein physikalisch orientierter Ansatz kann dem Programmierer dabei helfen, Endbearbeitungsbedingungen zu wählen, die die Bewegung des Werkstücks verringern. Dies kann kleinere Schrittweiten, einen geringeren radialen Eingriff, andere Restmaterialwerte oder eine andere Bearbeitungsreihenfolge beinhalten. Ziel ist es, das Risiko zu verringern, dass das Problem erst bei der Endkontrolle entdeckt wird.

Werkzeugwege mit variabler Einrückung

Viele moderne Werkzeugwege sind zwar darauf ausgelegt, den Eingriff zu steuern, doch der tatsächliche Eingriff ändert sich dennoch. Ecken, Nuten, Restmaterial, Inseln und Übergänge können allesamt zu lokalen Erhöhungen der Schnittbelastung führen. Bei der 5-Achs-Bearbeitung kann sich zudem der Kontaktpunkt am Werkzeug ändern, wenn sich die Werkzeugausrichtung ändert.

Ein einziger Vorschub- und Geschwindigkeitswert kann für einen Bereich der Werkzeugbahn sinnvoll sein, für einen anderen jedoch ungeeignet. Physikbasierte CAM diese lokalen Veränderungen analysieren und die Empfehlung entsprechend anpassen. Dies ist besonders nützlich, wenn ein und derselbe Arbeitsgang sowohl leichte Zerspanung als auch starken Kontakt beinhaltet.

Unbekannte Materialien

Wenn ein Betrieb ein bekanntes Material auf einer vertrauten Maschine bearbeitet, spielt das bisherige Wissen eine große Rolle. Bei neuen Materialien sieht das anders aus. Ein Programmierer verfügt zwar möglicherweise über Daten des Lieferanten oder eine Empfehlung eines Werkzeugverkäufers, hat aber weniger Sicherheit darüber, wie sich das Material in der konkreten Aufspannung verhalten wird.

Physikbasierte CAM die Ausgangsbasis verbessern, wenn relevante Materialdaten vorliegen. Fehlen diese, können sie zudem Datenlücken aufdecken. Dieser zweite Fall ist wichtig. Ein System, das Unsicherheiten zulässt, ist nützlicher als eines, das einen auf den ersten Blick präzisen Wert liefert, ohne dass dieser auf einer soliden Grundlage beruht.

6. Was physikbasierte CAM dem Programmierer und dem Maschinenbediener CAM überlässt

Physikbasiertes CAM die Kluft zwischen Programmierung und Bearbeitung verringern, doch diese Kluft verschwindet nicht gänzlich. Ein Modell kann zwar die Ausgangsbasis verbessern, risikobehaftete Bereiche aufzeigen und Programmierern helfen, bessere Entscheidungen zu treffen, doch der tatsächliche Prozess weist nach wie vor Variablen auf, die sich im Voraus nur schwer vollständig abschätzen lassen.

Einige Einschränkungen sollten ausdrücklich erwähnt werden:

Die Erstmusterprüfung ist nach wie vor wichtig. Ein besseres Modell kann zwar den Prozess des Ausprobierens verkürzen, ersetzt jedoch nicht die Notwendigkeit, den Prozess anhand realer Teile zu validieren.
Die Werkstückspannung lässt sich nur schwer vollständig modellieren. Die Steifigkeit der Spannvorrichtung, die Spannkraft, Abweichungen im Rohteil und nicht abgestützte Merkmale können das Verhalten des Werkstücks beeinflussen.
Materialdaten können unvollständig sein. Physikbasierte Empfehlungen sind am aussagekräftigsten, wenn das Materialmodell der tatsächlichen Güteklasse, dem Zustand und dem Zerspanungsverhalten entspricht.
Der Zustand der Maschine spielt eine wichtige Rolle. Der Zustand der Spindel, der Halter, der Rundlauf des Werkzeugs, das Verhalten der Achsen und die Wartungshistorie können den Schnitt beeinflussen.
Der Werkzeugverschleiß beeinflusst den Bearbeitungsprozess. Ein neuer Fräser und ein abgenutzter Fräser erzeugen nicht dieselben Kräfte und erzielen auch keine gleichwertige Oberflächengüte.
Bei bestimmten Bearbeitungsvorgängen können Späne und Kühlmittel eine dominierende Rolle spielen. Ein Kraftmodell mag zwar akzeptabel erscheinen, doch eine Späneansammlung oder ein schlechter Zugang für das Kühlmittel kann in der Praxis zu Problemen führen.
Das Urteilsvermögen des Maschinenbedieners bleibt unverzichtbar. Geräusche, Vibrationen, die Farbe der Späne, die Oberflächengüte und der Werkzeugverschleiß liefern allesamt Rückmeldungen, die von einer Software möglicherweise nicht vollständig erfasst werden können.

Aus diesem Grund CAM physikbasierte CAM am besten als Entscheidungshilfe innerhalb des Programmier-Workflows. Sie hilft dem Programmierer dabei, eine bessere Ausgangswahl zu treffen, und bietet dem Zerspaner einen Prozess, der sich mit größerer Wahrscheinlichkeit wie erwartet verhält. (So funktioniert unser Strategie-Editor – genau auf diese Weise:)

Bei dieser glaubwürdigen Aussage geht es nicht um eine perfekte Vorhersage für jedes Material, jede Vorrichtung und jede Maschine. Bei dieser glaubwürdigen Aussage geht es vielmehr um eine fundiertere Entscheidungsgrundlage vor dem ersten Schnitt.

7. Wie man eine physikalisch begründete CAM bewertet

Viele Anbieter bezeichnen ihre CAM Bearbeitungssoftware mittlerweile als intelligent, AI oder physikbasiert. Die Bezeichnung ist weniger wichtig als die Fragen, die dahinter stehen.

Bei einer praktischen Bewertung sollte im Vordergrund stehen, ob das System seine Empfehlungen unter maschinentechnischen Gesichtspunkten begründen kann. Wenn sich eine Vorschubgeschwindigkeit ändert, warum hat sich diese dann geändert? Wenn die Software den Eingriff in einem Bereich reduziert, in einem anderen jedoch nicht, welche physikalischen Gegebenheiten haben zu dieser Entscheidung geführt? Wenn das System eine andere Spindeldrehzahl empfiehlt, reagiert es dabei auf Schnittdaten, Stabilität, Werkzeugbelastung oder eine Faustregel?

Zu den nützlichen Fragen gehören:

Welche physikalischen Größen berechnet das System?
Achten Sie auf Spandicke, Eingriffstiefe, Schnittkraft, Durchbiegung und Stabilität. Eine Vorschub- und Drehzahltabelle mit prozentualen Korrekturen kann zwar weiterhin nützlich sein, sollte jedoch nicht mit einer Physik-Engine verwechselt werden.
Woher stammen die Materialdaten?
Fragen Sie nach, ob das System gemessene Schnittdaten, Lieferantendaten, interne Testdaten, allgemeine Materialfamilien oder benutzerdefinierte Werte verwendet. Fragen Sie außerdem, wie das System mit fehlenden oder ungewissen Materialdaten umgeht.
Wie wird die Steifigkeit berücksichtigt?
Der Werkzeugüberstand, die Haltergeometrie, der Fräserdurchmesser, die Flexibilität des Werkstücks und die Werkstückspannung beeinflussen das Ergebnis. Ein System, das die Steifigkeit außer Acht lässt, wird in vielen Situationen, in denen physikalische Faktoren eine entscheidende Rolle spielen, an seine Grenzen stoßen.
Wie wird dabei das Flattern bzw. die dynamische Stabilität berücksichtigt?
Die Antwort muss keine Perfektion versprechen, sollte aber zeigen, dass die Software Stabilität als dynamisches Problem versteht und nicht lediglich als eine Frage der Vorschubgeschwindigkeit betrachtet.
Was gibt das System nicht zu?
Seriöse Anbieter machen ihre Grenzen in der Regel deutlich. Seien Sie vorsichtig bei Produkten, die einen zuverlässigen Erfolg beim ersten Teil bei allen Materialien, Vorrichtungen und Maschinen versprechen, ohne zu erklären, was sie wissen können und was nicht.

Bei CloudNC besteht der Praxistest darin, zu prüfen, ob die Empfehlung mit dem tatsächlichen Zerspanungsvorgang in Verbindung gebracht werden kann. Ein guter Test sollte ein echtes Werkstück, eine echte Aufspannung und eine Entscheidung beinhalten, die derzeit auf dem Urteil eines Experten beruht. Geeignete Kandidaten sind beispielsweise eine tiefe Tasche, ein Werkzeug mit großer Reichweite, eine dünne Wand, ein schwieriges Material oder ein 3+2-Achsen-Vorgang mit wechselnder Eingriffsrichtung.

Bei dem Test geht es nicht darum, zu prüfen, ob die Software eine beeindruckende Demo erstellen kann. Es geht vielmehr darum, ihre Empfehlungen mit dem zu vergleichen, was ein erfahrener Programmierer tun würde, was die Maschine akzeptiert und was die Überprüfung nach dem Schnitt ergibt.

Abschluss: Der Test befindet sich noch an der Spindel

Physikbasiertes CAM am besten als zusätzliche Ebene der Bearbeitungsintelligenz innerhalb des Programmierprozesses verstehen. Herkömmliches CAM Programmierer dabei, Bearbeitungsschritte zu definieren und Werkzeugbewegungen zu berechnen. Nachschlagetabellen und Regeln liefern dabei Ausgangswerte. Empirische Systeme lernen aus früheren Aufträgen. Physikbasierte Systeme ergänzen dies um Modelle des Schneidvorgangs selbst.

Die wichtigsten Parameter sind Spandicke, Schnittkraft, Durchbiegung und Stabilität. Wenn diese Parameter gut modelliert sind, kann die Software bessere Empfehlungen zu Vorschub, Drehzahl, Eingriff und Strategie geben. Fehlen sie, kann das System zwar immer noch nützlich sein, doch wird der Anspruch, physikalisch fundiert zu sein, dadurch geschwächt.

Der entscheidende Test ist nach wie vor der Praxistest. Kann die Software erklären, warum sie die Bearbeitungsentscheidung geändert hat, und hält diese Erklärung stand, wenn das Werkstück tatsächlich bearbeitet wird?

Genau hier CAM physikbasierte CAM ins Spiel: nicht beim Label, sondern bei der Qualität der Entscheidung an der Spindel.

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