Siemens: CNC als Software simulieren Digitaler Zwilling beschleunigt Inbetriebnahme

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Für Portalfräszentren der Maka Systems GmbH erhielt ein Fertigungsbetrieb schon vor der Inbetriebnahme den digitalen Zwilling. So konnte er vorab bereits NC-Programme auf Kollisionen prüfen und verifizieren sowie seine Programmierer und Bediener schulen.

Anlässlich einer Anfrage eines führenden Fertigungsbetriebs für Bauteile aus Composite-Werkstoffen und Schichthölzern konnte der Maschinenhersteller Maka Systems zeigen, dass ein digitaler Zwilling auch für Maschinenanwender zahlreiche Vorteile hat. Der Auftraggeber nutzt diesen zunächst für die Produktionsvorbereitung und für Schulungen, zukünftig auch für Machbarkeitsprüfungen und für die Arbeitsvorbereitung.

Chancen erkennen und nutzen

Alexander Hiller hat mehrere Aufgaben beim Maschinenhersteller in Nersingen. Er leitet die Elektrokonstruktion, die Applikationstechnik und das Digitalisierungsteam. Somit hat er einen sehr breiten Blick auf alle Themen, die den Bau und den Einsatz von Fertigungszentren betreffen. Die «Virtualisierung» – mit virtuellen Modellen von Maschinen zu arbeiten – ist ihm aus der Perspektive des Maschinenherstellers und aus der Sicht des Anwenders vertraut. Die Möglichkeit, für CNC-Steuerungen der Reihe Sinumerik One einen digitalen Zwilling als «Software-in-the-loop» für digitale Maschinenmodelle zu nutzen, hat er darum so früh wie möglich konkret ausgelotet. Ein digitaler Maschinenzwilling besteht aus kinematisierten Konstruktionsdaten, einer Signalschnittstelle und einer Steuerung. «Das klingt erst einmal abstrakt, aber wir haben schon seit geraumer Zeit Erfahrungen mit der Kinematisierung von Konstruktionsdaten. Dabei wird anhand STL-Daten, die das CAD-System ausgibt, für jedes Bauteil festgelegt, ob und welche Bewegungsfreiheiten das Bauteil im kartesischen Raum hat», erläutert Alexander Hiller und erläutert: «Bisher haben wir als Werkzeugmaschinenhersteller so generierte Maschinenmodelle überwiegend selbst genutzt, in Verbindung mit realen CNC-Steuerungen, die als Hardware-in-the-loop das Maschinenmodell steuerten.» Für die CNC-Steuerung Sinumerik One steht nun selbst ein digitaler Zwilling zur Verfügung. «Damit können wir die CNC-Steuerung als Software-in-the-loop mit unserem Maschinenmodell zu einem kompletten, auch für den End­anwender nützlichen digitalen Zwilling der Maschine verknüpfen», berichtet Alexander Hiller.

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Produktion vor Inbetriebnahme simulieren

Der Fertigungsbetrieb hat in zwei neunachsige Fahrportal-Fräszentren PM270 aus dem Standardprogramm des Herstellers investiert. Auf ihnen kann man fünfachsig und an fünf Seiten 7000 x 1300 x 420 mm messende Bauteile mit bis zu 160 mm langen Werkzeugen bearbeiten. Nachdem er kundenspezifische Optionen in die Konstruktion integriert hatte, erstellte der Hersteller den digitalen Zwilling zur Maschine und lieferte ihn mehrere Wochen vor der montierten Maschine an den Anwender. Anhand des digitalen Zwillings konnte die Fertigungsabteilung sofort mit der Übernahme und der Optimierung der NC-Programme auf die Portalfräsmaschinen beginnen. Die mit Software gebildete, virtuelle CNC-Steuerung entspricht sowohl in der Funktionalität als auch in der Bedienung eins zu eins der realen CNC-Steuerung an der Maschine. Da sie Bestandteil des digitalen Maschinenzwillings ist, entsprechen die in der Virtualität getroffenen Vorbereitungen exakt denen, die sonst nach Lieferung und Abnahme der realen Maschine fällig werden. Insbesondere ist mit einem solchen digitalen Zwilling eine valide Prüfung auf Kollisionen von Werkzeugen, Maschinenkomponenten, Spannvorrichtungen und dem zu fertigenden Bauteil möglich. Auch die Bediener trainierte der Anwender zunächst am digitalen Zwilling.

Unverzüglich produktiv fertigen

Dank der Vorbereitung mit dem digitalen Zwilling konnte der Fertigungsbetrieb nach dem Aufstellen und dem Anschliessen auf den Maschinen unverzüglich produktiv fertigen. Alexander Hiller fasst die Vorteile zusammen: «Im Vergleich zu Lieferungen der gleichen Maschinen an andere Kunden wissen wir, dass das Hochfahren der Produktion und die Bedienerschulungen meist mehrere Wochen in Anspruch nehmen und dass in dieser kritischen Zeit das Risiko von Maschinenschäden durch nicht ausreichend geprüfte NC-Programme oder Bedienfehler besonders hoch ist. Bei der Vorbereitung des Produktionsanlaufs am digitalen Zwilling parallel zur Lieferzeit der Maschine kann die Maschine praktisch sofort produktiv genutzt werden und das Schadensrisiko ist stark verringert. Die Maschine fährt erheblich früher Gewinn ein.»

Profitabler dank beschleunigtem Produktionsbeginn

Auch die Kosten für den digitalen Zwilling, in dem die CNC-Steuerung mit Software virtuell abgebildet wird, sind nach Erfahrung von Alexander Hiller wirtschaftlich vertretbar. Er erläutert dazu: «Die Kostenvorteile beim Hochlauf der Maschinen sind bei dem Bauteilespektrum, welches der Endkunde fertigt, bereits grösser als die Kosten des digitalen Zwillings. Das ist bei vielen unserer Bestandskunden ähnlich. Zudem ist zu berücksichtigen, dass im Vergleich zu einem einzigen, vermiedenen Spindel-Crash samt Produktivitätsausfall und Reparatur die Kosten für den digitalen Zwilling zu vernachlässigen sind.» Somit erreicht ein Fertigungsbetrieb innerhalb kurzer Zeit trotz der zunächst etwas höheren Kosten für den digitalen Zwilling den Return of Investment. «Darum bieten wir unsere Maschinen zukünftig als Standard mit der CNC-Steuerung Sinumerik One und als Option mit dem dafür verfügbaren digitalen Zwilling an»‚ fasst Alexander Hiller zusammen.

Kürzere Durchlaufzeiten beim Maschinen­hersteller

Der Maschinenhersteller beschleunigt ebenfalls seine Vorarbeiten bis zur Inbetriebnahme der Maschinen. Beispielsweise Tests auf Kollisionen, auf Funktion der Werkzeugwechsler und ähnliches waren bisher erst nach dem Fertigstellen der Maschinen beziehungsweise der Funktionseinheiten möglich. Mit dem digitalen Zwilling gelingt dies nun parallel zum mechanischen Aufbau der Maschinen. Dadurch kann der Maschinenhersteller die Projektlaufzeit um einige Tage verkürzen. Alexander Hiller erläutert einen weiteren wesentlichen Vorteil: «Da für die CNC-Steuerung Sinumerik One von Haus aus ein digitaler Zwilling als Software-in-the-loop vorhanden ist, können Bestandsprojekte sehr schnell und mit minimiertem Aufwand adaptiert werden. Mit dem digitalen Maschinenzwilling mit CNC-Steuerung als Software-in-the-loop lassen sich bestehende Projektdateien direkt bearbeiten und anpassen.» SMM

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