Digital Twin und KI optimieren NC-Programmierung CAM-Systeme werden zur Wissensplattform

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Exakte Simulationen, detaillierte Geometrien und validierte Bearbeitungsstrategien: Kaum eine Branche arbeitet so datengetrieben wie die Zerspanung. Dennoch zeigt sich in der Praxis immer wieder eine Lücke zwischen digitaler Planung und realer Bearbeitung. Mit dem Digital Twin und KI lässt sich diese Lücke schließen.

Die digitale Durchgängigkeit der Daten endet oft abrupt an der Maschine: Reale Einflüsse wie Erosionsdaten, Werkzeugverschleiß oder andere Faktoren sind nicht in den ursprünglich erstellten CAM-Daten enthalten. Die NC-Programme werden deshalb vor der Fertigung oft schnell manuell von erfahrenen Bedienern angepasst, die aktualisierten Daten aber nicht in das System zurückgespeist. Das wertvolle Wissen über die optimalen Strategien, Werkzeugwege und Einfahrprozesse bleibt so in den Köpfen oder einzelnen Programmen. Auch zwischen den einzelnen System- und Programmschnittstellen im Fertigungsprozess können wertvolle Informationen verlorengehen oder sich verändern, ohne dass dies dokumentiert wird. Die benötigten Daten sind zwar vorhanden, aber nicht konsistent und gewinnbringend nutzbar. Die Konsequenz: Einfahrzeiten bleiben hoch, die Qualität schwankt und Hersteller bleiben abhängig von der Erfahrung und dem Wissen einzelner.

Die smarte Fertigung: wirksame Daten

Das Konzept einer smarten Fertigung zeichnet sich hingegen durch einen kontinuierlichen Fluss der benötigten Daten und möglichst wenige Schnittstellen, an denen Daten oder ihre Aktualisierungen verloren gehen können. Diese Datenstringenz, auch als „Digital Thread“ bekannt, sorgt dafür, dass die gesamte Fertigung bis hin zur Qualitätssicherung auf Basis eines gemeinsamen Datensatzes arbeiten.

„Die Vernetzung und der kontinuierliche Datenfluss sorgen auch dafür, dass Datenmanagement, Wiederholgenauigkeit sowie KI-gestützte Automatisierung möglich werden“, erklärt Ansgar Claes, Sales Leader DACH bei der Division Manufacturing Intelligence von Hexagon. Die Datengrundlage erlaubt es Herstellern in der Zerspanungsbranche außerdem, ihre Prozesse, Parameter und Strategien zu dokumentieren und für die Optimierung ihrer Abläufe zu nutzen. Entscheidend dabei ist, dass die Verbindung zwischen CAD, CAM und dem tatsächlichen Maschinenverhalten geschaffen wird.

Vom CAD-Modell zum realen Bauteil

Ein CAD-Programm allein reicht für die Datenerhebung und -nutzung jedoch nicht aus. Ziel der smarten Fertigung ist es, dass existierende Schnittstellen durch ein Tool geschlossen oder einheitlich abgedeckt werden, um den Digital Thread aufrecht zu erhalten. „Außerdem muss schon in der Programmierung so umfassend gedacht und gearbeitet werden, dass das Daten- und Qualitätsmanagement auf der Maschine abgedeckt werden kann“, so Claes. Je mehr Systeme dabei auf Basis einer gemeinsamen Plattform arbeiten, desto einfacher schließen sich Datenlücken und „Risse“ im Digital Thread.

„Die Vernetzung und der kontinuierliche Datenfluss sorgen auch dafür, dass Datenmanagement, Wiederholgenauigkeit sowie KI-gestützte Automatisierung möglich werden.

Ein digitaler Zwilling kann hierbei helfen: Er bildet Maschine, Werkzeuge und Aufspannung realistisch ab. Hier fließen die Fertigungsdaten zurück in die CAD- und CAM-Programme und können dort für realitätsnahe Simulationen sorgen.

Stabilisierte Bearbeitungsprozesse mittels KI

In konsequent konzipierten smarten Fertigungen basieren ausgewählte Werkzeuge und Bearbeitungsstrategien von Beginn an auf realistischen Daten. Die Maschinenlogik ist vom ersten Schritt an bedacht und Bediener müssen die Daten nicht mehr kurzfristig an der Maschine anpassen, sondern können auf die gelieferten Spezifikationen vertrauen.

Bei der Operationalisierung und Automatisierung der Fertigung unterstützt zusätzlich künstliche Intelligenz: „Mit Lösungen wie der Software Esprit Edge von Hexagon lässt sie sich mit Digital-Twin-Technologie kombinieren, um intelligentere Werkzeugwege und verkürzte Rüstzeiten auf Basis individueller Fertigungsdaten zu ermöglichen. Der digitale Zwilling integriert Maschinenmodelle und -parameter, Steuerungsemulatoren und Postprozessoren“, erklärt Claes. So können Anwender beispielsweise bei Langdrehmaschinen maschinenbezogene Simulationen und G-Codes erstellen, die das exakte Maschinenverhalten inklusive Führungsbuchsen, Werkzeugüberlappungen und Achsgrenzen berücksichtigt. Damit lassen sich auch komplexe Bauteile zuverlässig fertigen. Denn: Die KI optimiert Programme automatisch, synchronisiert Spindeln und Revolver und gewährleistet einen kollisionsfreien Betrieb.

Datenqualität und Mensch bleiben entscheidende Faktoren

Um die Möglichkeiten der KI-basierten Simulationen voll ausschöpfen zu können, braucht es entsprechende hochqualitative Trainingsdaten. „Dafür nutzen wir im Regelfall zwischen 200 und 250 validierte Projekte aus genau dieser Fertigung“, erklärt Claes. „Die Voraussetzung für die Auswahl der Projekte ist, dass die Datensätze vollständig sind, also inklusive etwaiger Änderungen direkt an der Maschine. Nur dann erhalten Anwender seriöse Vorschläge für Bearbeitungsstrategien, mit der sie ihre Aufträge effizient und fehlerfrei erfüllen können.“

Die Projektdaten enthalten deshalb umfassende Informationen zu NC-Wegen, Verlinkungsbahnen, Arten von Bearbeitungsstrategien, Zustelltiefen, Vorschubwerten, optimierten Zyklen, Schnittparametern, sinnvollen Bearbeitungsfolgen, in der Praxis getesteten Zyklen sowie den jeweils eingesetzten Werkzeugen. Die Sammlung und Aufbereitung der Fertigungsdaten hat neben der Zeitersparnis und der Minimierung von Fehlerquellen einen weiteren Vorteil: Das Wissen der Mitarbeitenden über Maschinen, Werkzeuge und Strategien zur Kollisionsvermeidung wird dokumentiert und demokratisiert. Auch Mitarbeitende mit weniger Erfahrung können so schnell fehlerfrei arbeiten und die gesamte Bearbeitung und die Qualität der Fertigung stabilisiert sich über Schichten und Generationen hinweg.

„Mit diesem Prozess wird der Mensch allerdings keineswegs ersetzbar – im Gegenteil“, erklärt Claes weiter. Der Mensch bleibt auch in der smarten Fertigung unverzichtbare Instanz in der Bewertung, Steuerung, Fehlerbehebung und Freigabe in Fertigungsprozessen.

Austausch zeigt Weg zu Weiterentwicklung

Um das Potenzial vollständig nutzen zu können, braucht es neben den Daten jedoch auch den Austausch zwischen den Herstellern. „Wir sehen Internationalisierung und Kooperation zwischen verschiedenen Unternehmen als zwei der zentralen Trends im Kontext der Smart Factory“, erklärt Claes. „Viele Unternehmen entdecken gerade neue Märkte für sich, die aber auch neue Anforderungen an die Fertigung und ihre Geschwindigkeit mit sich bringen. Deshalb ist aus meiner Sicht der Austausch über Strategien und Methoden über Länder- und Branchengrenzen hinweg einer der Faktoren für die Weiterentwicklung und vor allem die kontinuierliche Wettbewerbsfähigkeit der Zerspanungsbranche.“ (anm)

Der Autor, Stephen Graham, ist Vice President Product & Technology, Division Production Software • Research & Development.

Weitere Informationen: https://hexagon.com/company/divisions/manufacturing-intelligence