NX hilft bei der Ausbildung künftiger Fertigungstechniker mittels digitaler Zwillinge der Produktionsprozesse

Karrieren für die Umwelt

Zur Hochschule Trier gehört der Umwelt-Campus Birkenfeld. Er befindet sich in Neubrücke, unweit der Grenzen zu Luxemburg, Belgien und Frankreich. In drei der 14 Bachelor-Studiengänge, vier dualen Bachelor-Studiengänge und 12 Master-Studiengänge lernen die Studierenden den Umgang mit aktuellen Produktionstechnologien.

„Jährlich belegen 30 bis 50 Studierende unsere Bachelor-Studiengänge und dualen Bachelor-Studiengänge für Produktions-technik und Maschinenbau sowie unsere Master-Studiengänge für digitale Produktentwicklung“, sagt Dipl.-Ing. (FH) Stefan Hirsch, Lehrkraft für besondere Aufgaben am Umwelt-Campus. „Sie lernen, mit durchgängiger Digitalisierung den Produktentstehungsprozess nachhaltiger und umweltfreundlicher zu gestalten.“

ECB members created a hybrid machine for conventional and additive manufacturing using a 6-axis industrial robot, fitted with an extruder for 3D printing and a spindle for subsequent machining. The NC programs for this unconventional manufacturing unit are created and simulated using NX CAM and then transferred to the robot’s control unit.

CNC-Ausbildung mit NX

Im Rahmen ihres Studiums müssen die Studierenden sowohl an einem fachspezifi-schen als auch an einem fachübergreifen-den Projekt mitarbeiten. Ab dem zweiten Semester nutzen sie für die computer-gestützte Konstruktion (CAD) NX™ von Siemens PLM Software, einem Spezialisten für das Produktlebenszyklusmanagement (PLM). Im dritten und vierten Semester verwenden sie dieselbe Software auch für Festigkeitsanalysen mit der Finite Elemente Methode (FEM)

Anschließend werden die Studierenden mit Werkzeugmaschinen vertraut ge-macht und erlernen Grundbegriffe der NC-Programmierung. In den Master-Studiengängen schließt dies auch das Erzeugen von Programmen mittels computergestützter Fertigung (CAM) und das Durchführen mehrachsiger Maschinensimulationen ein. Industrie-roboter für die spanabhebende Bearbei-tung nutzbar zu machen, ist einer der Ausbildungsschwerpunkte am Umwelt-Campus. Ein weiterer ist die Integration von additiver und spanabhebender Fertigung. Ziel ist in beiden Fällen, den gesamten Prozess in nur einem einzigen NC-Programme abzubilden.

Die Abdeckung der gesamten CAD/CAM Prozesskette einschließlich der Robotik und der additiven Fertigung innerhalb der umfassenden Software-Suite beschleunigt die Studiengänge für digitale Produktentwicklung und Maschinenbau. „Wenn die Studierenden beginnen, mittels CAM für Werkzeugmaschinen NC-Programme zu erzeugen, sind sie bereits mit Struktur und Handhabung von NX vertraut“, betont Hirsch. „Wir kommen daher viel weiter, als wenn sie sich erst an eine neue Software gewöhnen müssten.“

Das ermöglicht Studierenden im Master-Studiengang, im Zuge ihrer Ausbildung CAM Postprozessoren für komplexe Werkzeugmaschinen zu programmieren.

Using NX software to prepare parts for additive manufacturing allows printing perfectly round shapes (left) that would not be possible using the STL files typically employed there.

Eine NX eLearning-Plattform schaffen

Studierende am Umwelt-Campus entwickelten einen Editor zur Steuerung des Digitalen Zwillings einer echten Werkzeugmaschine in der 3D-Simulation in NX CAM. Er bietet online-Hilfe und einen Postprozessor für die Common Simulation Engine (CSE) in NX CAD/CAM. Damit entstand ein auf NX basierendes Softwaretool, mit dem Ausbildungseinrichtungen mit den Anforderungen in der realen Welt kompatibles Wissen vermitteln können. Es ermöglicht das Program-mieren und Simulieren von CNC-Maschinen mit dem Befehlssatz G-Code der herstellerneutralen Programmiersprache PAL. Dieses Plugin für NX hat ein großes Nutzenpotenzial in der CNC-Ausbildung für CNC-Programmierer und -bediener im dualen Bildungssystem.

Die Grenzen der CAM-Simulation verschieben

NX CAM wird neben dem Erzeugen von Programmen für NC-Maschinen auch zum Simulieren des Verhaltens komplexer Maschinen verwendet. Sie dient der Kollisionsvermeidung, dem Sicherstellen eines sicheren, ausschussfreien Betriebs und der Überprüfung der Zerspanungsleistung in einem virtuellen Prozess. NX wird in der Produktentstehung zum Aufbau einer virtuellen Umgebung genutzt, die den Betrieb von der verwendeten Hardware unabhängig macht. Das versetzt Studierende und Lehrende am Umwelt-Campus in die Lage, die Grenze zwischen Softwaremodellen und der Realität dort zu ziehen, wo sie am besten zur jeweiligen Aufgabenstellung passt. Die Ergebnisse solcher Forschungs- und Entwicklungsarbeiten führen manchmal zum Entstehen neuer Softwareprodukte.

Mit dem NX Mechatronics Concept Designer verbanden Studierende am Umwelt-Campus in einem interdisziplinären Projekt eine Physikbasierte Prozesssimulation mit einer virtuellen Steuerung SIMATIC S7-PLCSIM von Siemens. Das erforderte das Definieren von Sensoren und Aktoren sowie das Steuern und Überwachen von deren Zeitverhalten. Die SPS-Simulation und die Physiksimulation tauschen permanent Daten aus. Das ebnete den Weg zu einer Komplettsimulation unter Verwendung der digitalen Zwillinge von Mechanik und Steuerung der Maschine. Mit dieser können die Projektteilnehmer Fehler frühzeitig erkennen und eliminieren, ohne teure Prototypen zu bauen.

In einem anderen Projekt schufen Studierende durch Integration des virtuellen NC-Kerns (VNCK) für die NC-Code-Simulation in die NX CAM Applikation eine Maschinensimulation von NC-Code. Diese Integration ermöglicht realistischere Simulationen als andere Methoden ohne VNCK wie die Common Simulation Engine (CSE). NX CAM bietet die Benutzerschnittstelle der Sinumerik NC-Steuerungssoftware in der Simulationsumgebung. Das erleichtert das Erzeugen von NC-Programmen aus 3D-Modellen mit NX CAM in der digitalen Prozesskette. Dennoch erfüllte es nicht die hohen Erwartungen des Umwelt-Campus.

„Wir erweiterten die Simulationsmöglichkeiten. Diese beinhalten nicht nur die Bildschirminhalte, sondern auch mechanische Bedienelemente wie Knöpfe oder Tasten“, berichtet Hirsch. „Diese Erweiterung ermöglicht maschinenidentes Bedienen und Beobachten.“

Additive Fertigung voll kompatibel integriert

In der additiven Fertigung wird die Teilegeometrie meist durch Stereo-lithographie (STL) Dateien repräsentiert. Diese beschreiben nur die Oberflächengeometrie dreidimensionaler Objekte ohne Darstellung von Farbe, Struktur oder anderer Attribute von CAD-Modellen. Sie basieren auf Formbeschreibungen von Dreiecken, sodass ihre Verwendung bei runden Oberflächen zu suboptimalen Ergebnissen führt. Zudem werden die erforderlichen Stütz- und Innenstrukturen meist erst durch die Software der additiven Fertigungsmaschine erzeugt. Diese Daten können daher nicht für andere Zwecke wiederverwendet werden. FEM-Festigkeitssimulationen zum Beispiel wären jedoch realistischer, würden die erzeugten 3D-Druckstrukturen als auch Volumen-modelle verfügbar sein.

Als Master-Arbeit programmierten Studierende am Umwelt-Campus in NX eine Applikation zum automatischen Erzeugen der Stützstrukturen für mittels additiver Fertigung zu produzierende Teile. Ziel war, die Datendurchgängigkeit der Software zu nutzen, um Techniken der additiven Fertigung und der spanab-hebenden Bearbeitung zu kombinieren. Die Applikation ermöglicht das Produzieren vollkommen runder Formen und das Einbeziehen aller Attribute von CAD-Modellen. Darüber hinaus stehen sämtliche teilebezogenen Daten für das spätere Arbeiten an den digitalen Zwillingen der Teile zur Verfügung.

Eine weitere Anwendung war der Bau einer hybriden Maschine für die konventionelle und additive Fertigung. Diese verwendet einen Sechsachs-Roboter, der mit einem Extruder für den 3D-Druck und einer Spindel für die anschließende Bearbeitung ausgestattet wurde. Die NC-Programme für diese unkonventionelle Produktionsanlage werden ausschließlich mit NX CAM erzeugt und simuliert und anschließend in die Robotersteuerung übertragen.

„Wenn wir die individualisierte Massenproduktion als Ziel von Industrie 4.0 anstreben, können wir verschiedene Produktionsverfahren nicht getrennt betrachten“ sagt Hirsch. „NX gibt uns das konsistente Datenmodell, das wir benötigen, um ihre Stärken zu kombinieren.“

Neben NX sind noch zahlreiche andere Lösungen von Siemens PLM Software im Einsatz. Dazu zählen Teamcenter®, Simcenter™, Rulestream™ und Intosite™ sowie das Tecnomatix®-Portfolio. Als Hauptvorteil für die Studierenden gilt die Verwendung von NX als zentrales Softwaretool für die Maschinenbauausbildung von Beginn an bis zu den Abschlussarbeiten.

„Unsere Absolventen sind mit der Spitzentechnologie vertraut, die sie in ihrem Arbeitsleben nutzen werden“, weiß Professor Dr.-Ing. Peter Gutheil, Dekan des Fachbereichs Umweltplanung/Umwelttechnik am Umwelt-Campus Birkenfeld. „Ihre künftigen Arbeitgeber profitieren von ihrer Fähigkeit, bestehende Industrieanlagen in die Konzepte von Industrie 4.0 zu integrieren.“