«Hypermill» optimiert CAM-Programmierung im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt 5-Achs-Bearbeitung zuverlässig programmieren

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Im Institut für Robotik und Mechatronik im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mied man lange Zeit eine 5-Achs-Bearbeitung. Das Urteil änderte sich, seit die Techniker in der mechanischen Fertigung die CAM- und Simulationssoftware von Open Mind nutzen. Open Mind präsentiert seine jüngsten Entwicklungen als Aussteller am SMM-Kongress am 22. Mai 2025 in der Messe Luzern.

Auf dem Gelände der DLR in Oberpfaffenhofen bei München ist unter anderem das Institut für Robotik und Mechatronik, kurz DLR-RM, untergebracht. Hier arbeiten Forschungsteams und Studierende an Roboterarmen, -händen und -greifern. Sie entwickeln mehrarmige Systeme und mobile Plattformen, die unter anderem andere Planeten, Kometen und Asteroiden erkunden und dort Bodenproben nehmen. Besonders beeindruckend sind weitgehend autonome Flug- und Laufroboter sowie humanoide Roboter, zum Beispiel Toro, ein humanoider Laufroboter. Mit ihm forschen die Wissenschaftler an der Umsetzung zweibeiniger, dynamischer Fortbewegung. Die erste Variante lernt derzeit robustes Gehen, Treppensteigen und vieles mehr.

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Michael Dreer ist Feinmechaniker am DLR-RM. Er erklärt, dass die hier entwickelten Robotersysteme nicht nur in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden, sondern auch in der Medizintechnik, in Service und Pflege sowie in der Industrie. «Wir betreiben hier Grundlagenforschung, aber anhand von konkreten Projekten, oft mit Partnern aus der Industrie, aber auch in Eigenregie», sagt Michael Dreer und weist darauf hin, dass das DLR-RM neben Roboterkinematiken auch Systemkomponenten, zum Beispiel besonders kleine und leichte Motoren, Bildverarbeitungssysteme und Bediengeräte sowie vielerlei Software entwickelt.

«Nicht nur entwickelt», betont Michael Dreer und erläutert: «Wir haben hier eine sehr hohe Fertigungstiefe und stellen alle anspruchsvollen Bauteile für unsere Roboter selbst her.» Zusammen mit seinen sechs Kollegen ist er für die komplette mechanische Fertigung im Institut zuständig. Eine Aufgabe, die eine frühzeitige, enge Zusammenarbeit mit Konstrukteuren erfordert. Dazu sagt Michael Dreer: «In unseren Bauteilen ist Elektronik und Mechanik auf engstem Raum verbaut. Jedes Bauteil muss so gestaltet sein, dass es – bei aller Komplexität – auch vernünftig gefertigt werden kann.» Jeder Fertigungsspezialist betreut ein Bauteil komplett durch die Prozesskette, von der Werkzeug- und Materialbeschaffung über die Programmierung bis zur Fertigung und Qualitätssicherung.

Michael Dreer ist schon seit fast 30 Jahren beim DLR-RM und hat in dieser Zeit grosse Fortschritte in der Robotertechnik miterlebt: «Gerade im Leichtbau gab es immer wieder Entwicklungsschritte, die auch an unsere Fertigungstechnik wachsende Ansprüche gestellt haben.» Um Schritt halten zu können, investierte das DLR-RM erst vor einigen Jahren in mehrere 5-Achs-Bearbeitungszentren, in eine Dreh-Fräsmaschine mit angetriebenen Werkzeugen und in ein Kombi-BAZ, das Drehen und Fräsen gleichermassen beherrscht. Insbesondere durch die simultane 5-Achs-Bearbeitung wurden auch in der CAD/CAM-Ausstattung Veränderungen notwendig.

CAM-Systeme aktualisieren

Ist unsere CAD-Software noch zeitgemäss? Wie steht es um das bisher im CAD-System integrierte CAM-Modul? Genügt es den zukünftigen Forderungen? Die Verantwortlichen stellten sich diese Fragen und kamen zu dem Schluss, dass die CAM-Programmierung unabhängig vom CAD-System der Konstrukteure sein sollte. «Wir brauchen hier in der mechanischen Fertigung eine CAM-Software, die den Datenaustausch mit sämtlichen CAD-Systemen beherrscht und die uns bei der simultanen Mehrachsbearbeitung sowie bei Dreh-Fräszentren unterstützt. Zudem muss sie uns hohe Prozesssicherheit bieten», fasst Michael Dreer zusammen.

Bei der Suche nach einem solchen zukunftsfähigen CAM-System rückte schon bald «Hypermill» von Open Mind in den Fokus. «Diese Software ist sehr praxisnah und bietet leistungsstarke Technologien. Man merkt, dass sie von Leuten entwickelt wurde, die selbst Erfahrung in der Zerspanung haben und mit der Problematik komplexer Bauteile vertraut sind», sagt Harald Wagner, Gruppenleiter der Mechanischen Fertigung. «Das wird vor allem in der einfach zu verstehenden Programmieroberfläche deutlich, auch im 5-Achs-Bereich.»

Eine grosse Auswahl an schnell und einfach programmierbaren 5-Achs-Funktionen war ein wichtiges Argument zugunsten der Software. Denn die Aussenstrukturen von DLR-Robotern weisen sphärische 3D-Oberflächen auf, haben zudem Fixierungen und Flansche in vielen Ausrichtungen sowie Hinterschnitte, so dass die Bearbeitung oft nur fünfachsig zu bewältigen ist. «Die 5-Achs-Programmierung war bei unserem bisherigen System nur mit grossem Aufwand zu bewältigen. Das hatte zur Folge, dass wir nur dann fünfachsig frästen, wenn es gar nicht anders ging», berichtet Michael Dreer.

Das ist jetzt anders. Seit etwa drei Jahren arbeitet Michael Dreer mit der CAM-Software «Hypermill», als Erster seiner Abteilung. «Das bot sich an, da ich mich vor allem mit komplexen 5-Achs-Teilen beschäftige», sagt der erfahrene Feinmechaniker. Inzwischen nutzt ein weiterer Kollege die Cam-Software. Weitere werden dies demnächst ebenfalls.

Zu den Stärken der Software zählt Michael Dreer die umfangreiche, integrierte Werkzeugdatenbank, die es ermöglicht, sämtliche Werkzeuge fürs Bohren, Fräsen und Drehen zentral zu verwalten. In ihr lassen sich Drehzahl- und Vorschubwerte, individuelle Technologiewerte für Werkstoffe und selbst Anwendungsfälle speichern. «Ich war zwar eine Weile beschäftigt, bis ich alle Werkzeugdaten eingepflegt hatte. Aber dafür spare ich mir jetzt sehr viel Zeit bei der Programmierung und Werkzeugauswahl. Zudem profitiere ich von optimalen Prozessen dank verlässlicher Technologiedaten», erwähnt Michael Dreer.

NC-Code simulieren

Für grosse Begeisterung sorgt bei Michael Dreer die Software Virtual Machining (VM), die er ein Jahr später ergänzte: «Damit habe ich von Open Mind ein Gesamtpaket, das mir perfekte NC-Codes generiert und über eine präzise NC-Code-Simulation eine nahezu hundertprozentige Kollisionsfreiheit gewährleistet.»

NC-Code-Simulation ist in der mechanischen Fertigung des DLR-RM nichts Neues. Michael Dreer und seine Kollegen erachten sie beim fünfachsigen Bearbeiten für zwingend notwendig: «Die Gefahr einer Kollision mit schwerem Schaden ist einfach zu gross. Selbst ein versierter, praxiserprobter Programmierer kann nie sicher vorhersagen, wie die Bewegung auf der Maschine tatsächlich aussieht. Wenn man mit reinen CAM-Daten simuliert, ist das nicht ausreichend.» Daher nutzten Michael Dreer und seine Kollegen schon seit Jahren eine separate Simulationssoftware zur NC-Code-Simulation.

Diese kam anfangs auch zusammen mit der CAM-Software «Hypermill» zum Einsatz. Für Michael Dreer war das ein Fortschritt: «Gegenüber der bisherigen CAM-Software bietet die Software von Open Mind eine bessere Schnittstelle und einfachere Datenübergabe. Aber seit wir über die NC-Code-Simulation der Software Virtual Machining verfügen, geht alles noch viel schneller. Jetzt haben wir einen durchgängigen Workflow, da die CAM-Software alle prozessrelevanten Daten automatisch zur Verfügung stellt. In kürzester Zeit bekomme ich ein Feedback, ob das Programm auf der Maschine kollisionsfrei läuft oder nicht – mit nahezu hundertprozentiger Sicherheit.»

Mit der aktuellen CAM-Software und der virtuellen Maschine zu arbeiten, ist den Fertigungsspezialisten des DLR-RM nicht nur beim fünfachsigen Fräsen wichtig. Auch das Programmieren ihres Dreh-Fräszentrums ist eine anspruchsvolle Aufgabe, die durch die Software «Hypermill Turn-Mill» unterstützt wird. Michael Dreer fügt noch hinzu: «Um auch hier maximale Sicherheit zu erhalten, haben wir uns als Betatester für Virtual Machining fürs Dreh-Fräsen zur Verfügung gestellt, was mittlerweile top zuverlässig funktioniert.»

Optimieren und auf Maschine messen

Zur Simulationssoftware gehört auch das Modul Optimizer. Es passt während der NC-Code-Generierung das NC-Programm perfekt und automatisch an die kinematischen Eigenschaften der gewählten Maschine an. Dabei werden die besten technischen Anstellungen gewählt und optimierte Verbindungsbewegungen zwischen einzelnen Operationen erstellt. Michael Dreer nutzt den Optimizer vor allem für das Job Linking: «Diese Funktion verknüpft meine einzelnen Jobs mit sicheren optimierten und kollisionsfreien Bewegungen, ohne dass ich mich darum kümmern muss.»

Während das Fertigungsteam des DLR-RM mit dem Modul Optimizer Programmierzeit spart, verkürzt die Funktion Best Fit, die als Add-on für die Simulation zur Verfügung steht, die Zeit zum Aufspannen und Ausrichten von Bauteilen. «Bei unseren Leichtbaustrukturen hatten wir früher über 90 Prozent Zerspanungsvolumen, weshalb wir heute diese Bauteile nach Möglichkeit im 3D-Metalldruck oder Feinguss herstellen lassen», erklärt Michael Dreer. «Funktionsflächen, Bohrungen und Gewinde müssen wir aber auch an diesen Bauteilen bearbeiten.»

Eine Schwierigkeit bei diesen additiv erzeugten oder gegossenen Bauteilen lag im Aufspannen auf der Maschine und dem exakten Ausrichten. Das erforderte zum einen komplizierte Spannmittel und einen enormen Zeitaufwand, da ja auch eine Reproduzierbarkeit bei Nachfolgeteilen erreicht werden sollte. «Mit der Funktion Best Fit haben wir eine Möglichkeit bekommen, solche Bauteile einfach und schnell einzurichten sowie prozesssicher zu bearbeiten», freut sich Harald Wagner.

Die Funktion dient dazu, im CAM-System Bauteile möglichst einfach und zuverlässig auszurichten. Bauteile werden zunächst unausgerichtet auf der Maschine fixiert. «Wir nutzen dafür zum Beispiel kostengünstige, gedruckte Kunststoffvorrichtungen, da es beim Spannen nicht auf den Millimeter ankommt», erwähnt Michael Dreer. Dann wird das Bauteil auf der Maschine mit einem 3D-Messtaster erfasst. Die Ergebnisse werden als Messprotokoll zurück ans CAM-System gesandt. Danach verschiebt die Funktion Best Fit das CAD-Bauteil so, dass es sich komplett im gemessenen Rohteil befindet. «Ich kann das am Bildschirm kontrollieren, aber in der Regel passt das auf Anhieb perfekt», sagt Michael Dreer. Dann modifiziert die Zusatzfunktion den NC-Code entsprechend, simuliert ihn hinsichtlich der tatsächlichen Aufspannsituation und optimiert das Programm automatisch. Michael Förster, Senior Product Marketing Manager bei Open Mind, erklärt das weitere Vorgehen: «Um eine sichere und exakte Bearbeitung zu gewährleisten, führt der Maschineneinrichter nun eine Verifikationsmessung durch. Stimmt die Position auf der Maschine mit dem optimierten Programm überein, kann die Bearbeitung starten, ohne dass er das Bauteil auf der Maschine aufwendig ausrichten musste. Die Vorteile sind ein immenser Zeitgewinn, sichere Bearbeitung und planbare Prozesse.»

Michael Dreer und Harald Wagner stimmen dem voll und ganz zu: «Damit sparen wir uns sehr viel Aufwand. Die Investition in die Software von Open Mind mit den ergänzenden Funktionen hat sich auf jeden Fall gelohnt. Wir sind schneller beim Programmieren, wir erhalten eine NC-Code-Simulation, die uns grösstmögliche Sicherheit gibt, und können unsere gedruckten Bauteile viel einfacher einrichten.»

Interview

Mit Schnittkraft-Simulationen die Fräsprozesse physikalisch exakt vorhersagen.

Open Mind gehört mit seinem CAM-System Hypermill zu einem der Technologieführer in diesem Segment. In der kontinuierlich komplexer werdenden Fertigungswelt spielen automatisierte und neu entwickelte CAM-Prozesse eine immer bedeutendere Rolle, um die Fertigungsprozesse zu optimieren und wirtschaftlicher zu gestalten. Auch KI wird die Prozesse zukünftig nachhaltig optimieren, wie Alexander Rautenberg (Innovations- und Patentmanager bei der Open Mind Technologies AG) gegenüber dem SMM sagt.

SMM: Open Mind unterstützt das Forschungsprojekt CICAM (Computational Intelligence for Computer-aided Manufacturing) des Instituts für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften an der Technischen Universität München (TUM) und Spanflug Technologies GmbH. Was ist das Ziel des Projektes und welche Rolle übernehmen die CAM-Spezialisten von Open Mind an diesem Projekt?

Alexander Rautenberg: Es handelt sich um ein Verbundprojekt der drei Partner mit dem Ziel, die Effizienz und Sicherheit hybrider, also kombinierter additiver und zerspanender Fertigung, mit Hilfe der KI-Methode des bestärkenden Lernens (reinforcement learning) zu steigern. Darüber hinaus wird neben den genannten Zielen, die Komplexität der CAM-Planung erheblich reduziert. Im Rahmen des Projekts stellt Open Mind die notwendigen Prozesssimulationen für die hybride Fertigung bereit. Konkret liefern wir das Auftragsmodell für den WAAM-Prozess (wire arc additive manufacturing) und die Simulation der Schnittwerte zur Prozesskraftberechnung für die spanende Nachbearbeitung. Damit unterstützen wir die Entwicklung eines lernenden Systems, das durch Interaktion mit den Simulationen optimale Prozessparameter, wie etwa Zustelltiefen/-breiten und Vorschubgeschwindigkeiten, identifizieren kann.

Eine Forschungsrichtung in diesem Zusammenhang ist die virtuelle Ermittlung der Schnittkräfte. Was kann diese Entwicklung für die Zukunft der CNC-Zerspanung bedeuten?

A. Rautenberg: Die virtuelle Ermittlung der Schnittkräfte ermöglicht es, einen Fräsprozess physikalisch exakt vorherzusagen. So wird die zugehörige CAM-Planung entsprechend automatisiert und durch die KI-Methoden optimiert. CAM- und Bearbeitungsprozesse lassen sich so effizienter und sicherer gestalten. Wichtige Prozessgrössen wie Maschinenbelegungszeit, Werkzeugverschleiss oder Bauteilqualität können schon vor der realen Fertigung optimiert werden. In Zukunft wird dies eine noch genauere und automatisierte Prozessoptimierung in der CNC-Zerspanung erlauben, insbesondere bei komplexen hybriden Fertigungsprozessen.

Welche Chancen, Möglichkeiten und Grenzen sehen Sie, in Hinsicht der Integration von KI-Technologien in der CAM-Entwicklung?

A. Rautenberg: Durch den Einsatz von KI, insbesondere bestärkendem Lernen, eröffnen sich im Projekt neue Chancen für eine weitgehend automatische Entwicklung von CAM-Programmen. Das lernende System wird mit Hilfe unserer Prozesssimulation eine Balance finden können zwischen einer ausreichenden Effizienz beim additiven Aufbau und den resultierenden Anforderungen bei der spanenden Nachbearbeitung.

(kmu)

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