Die CAD-CAM-Prozesskette: Der Status Quo (Teil 1)

Wie definieren wir die CAD-CAM-Prozesskette?

Ein häufig genanntes und immer wieder vorkommendes Schlagwort im Bereich der fertigungsnahen Konstruktion ist „CAD-CAM-Prozesskette“. Doch was ist das überhaupt? Und wem nützt das? Wir wollen uns gemeinsam diesen Fragen zum Status Quo widmen und versuchen einige Antworten darauf zu finden.

Digitalisierung als Puzzlestück zum fertigen Produkt

Schauen wir zunächst auf den Einsatz von Computern in der Konstruktion und Fertigung. Im Bereich der Konstruktion ist der Einsatz von CAD-Software (Computer Aided Design) seit vielen Jahren weit verbreitet. Der Softwaremarkt hält zu diesem Zweck verschiedenste Produkte der unterschiedlichsten Hersteller bereit. Der Anwender hat hier also die sprichwörtliche Qual der Wahl. Üblicherweise erfolgt die Auswahl einer CAD-Software unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten bei Berücksichtigung der individuellen Anforderungen des Unternehmens. Ein Unternehmen aus dem Automobilbereich hat natürlich andere Detail-Anforderungen als ein Stahlhochbauunternehmen. Allen Anwendern und Anwendungen gemeinsam ist die Erzeugung von Konstruktionsdaten für den jeweiligen Zweck. Bei heute üblichen 3D-Systemen können dabei die erzeugten Daten am Bildschirm direkt betrachtet und ggf. angepasst werden. Auf diesem Punkt liegt bei jedem der Systeme das Hauptaugenmerk, denn ohne Konstruktion können keine Teile gefertigt oder gar verkauft werden. Viele unternehmensinterne Strategien und Verfahren konzentrieren sich dementsprechend auf den Konstruktionsbereich und die damit unmittelbar verknüpften Aufgabenstellungen. Auch Verbesserungen zur Effizienzsteigerung, zur Beschleunigung von Abläufen oder zum Einsparen von Arbeitsschritten fokussieren sich auf diesen Punkt.

Der Weg der unterschiedlichen Medien zum Endprodukt

Doch wie wird aus dem konstruierten Teil ein vermarktbares Produkt? Nur durch die Umsetzung der Konstruktionsarbeit in ein Endprodukt ist es möglich, dem Kunden das gewünschte Objekt anbieten zu können. In der Regel bezeichnen wir diesen Schritt als „Fertigung“. Nun ist dies ein sehr weitgefasster Begriff. Allein der Maschinenbau kennt hier bereits sechs Hauptverfahren, darunter Urformen, Umformen, Fügen und Trennen. Generelle Aufgabe der Fertigung ist es, mit diesen Verfahren, ggf. unter Einbeziehung mehrerer Zwischenschritte, aus verschiedenen Ausgangsmaterialien ein Produkt zu erschaffen, welches dem konstruktiv vorgegebenen entspricht. Die größte Herausforderung besteht dabei darin, die definierten Eigenschaften aus der Konstruktion zu entnehmen und in einem realen Werkstück abzubilden. Dies erfordert einen Informationsfluss aus der Konstruktion in die Fertigung.

Klassisch und bis heute weit verbreitet ist hier die Verwendung von Fertigungszeichnungen. Der Beruf des technischen Zeichners existiert in seiner ursprünglichen Form zwar nicht mehr, es werden dennoch Zeichnungen von häufig spezialisierten Mitarbeitern erstellt und der Fertigung übergeben. Erfahrungsgemäß investieren Unternehmen erhebliche Ressourcen in Form von Zeit und Geld in die Schaffung und Durchführung von Prozessen zur normgerechten Zeichnungserstellung. Dabei werden bestehende CAD-Systeme customized, externe Software angebunden und PDM-Systeme erweitert. Ist die Zeichnung einmal erstellt, wird sie – häufig in mehreren Exemplaren – ausgedruckt und an die Fertigung übergeben.

Abbildung 1: klassische Prozesskette

Die häufig als separate Abteilung innerhalb des Unternehmens geführte Fertigung steht nun vor der Herausforderung, die in Papierform zur Verfügung gestellten Unterlagen für die meist hochgradig mechanisierte und automatisierte Fertigung aufzubereiten. Dazu werden unterschiedliche Verfahren genutzt. Kleine Betriebe mit einer meist geringen Anzahl von Fertigungsmaschinen geben die benötigten Daten händisch in die entsprechenden Anlagen ein, erzeugen auf der Anlage den NC-Code und fertigen entsprechende Teile. Dieser Vorgang ist mit nicht unerheblichem Zeitaufwand verbunden, birgt aber weiterhin noch erhebliches Fehlerpotenzial durch Fehleingaben oder Interpretationsfehler. Letzteren versucht man dann häufig mit weiter verfeinerten Fertigungszeichnungen zu begegnen.

Auch die Nutzung eines eigenständigen CAM-Systems (Computer Aided Manufacturing) in der Fertigung gestaltet sich derart. Der Datenfluss aus der Konstruktion erreicht die betroffenen Mitarbeiter nicht selten ebenfalls in Papierform, gelegentlich ergänzt um 3D-Modelle in Form von proprietären Formaten. Allein der Datenaustausch über Formate wie Iges, Step oder andere verursacht auch hier wieder einen Medienbruch, der nicht zuletzt zu einem erhöhten Aufwand in der Datenpflege führt.

Während der sich anschließenden NC-Programmierung werden nun bereits vorhandene Informationen erneut in ein Computersystem eingegeben, das CAM-System. CAM-Systeme werden ebenfalls in großer Anzahl am Markt angeboten. Auch sie gehen mit verschiedenen Datentypen um und können diese je nach den individuellen Ausprägungen mal mehr, mal weniger gut verarbeiten.

Diffuse Daten in der NC-Programmierung

Ziel dieser Arbeit ist es, ein NC-Programm zu erzeugen und so zu gestalten, dass das gewünschte Produkt unter Zuhilfenahme einer oder mehrerer Fertigungsmaschinen in der spezifizierten Qualität hergestellt werden kann. Doch das klingt viel einfacher als es zunächst scheint: Der Übergang der Informationen bezüglich Qualität – beispielhaft sei hier die Oberflächenbeschaffenheit genannt, erfolgt hier systembedingt inhomogen und potenziell fehlerbehaftet. Häufige Abstimmungen zwischen den Abteilungen und daraus resultierende Änderungs-Loops werden notwendig. Damit ergibt sich als wesentlicher Aufgabenteil des NC-Programmierers häufig zunächst die Beschaffung von Informationen zum gewünschten Produkt um das passende Material und Fertigungsverfahren wählen zu können.

Sind alle Informationen beschafft, so kann mit der eigentlichen NC-Programmierung, der originären Aufgabe, begonnen werden. Im Ergebnis entsteht ein Befehlssatz für die Werkzeugmaschine, mit dem aus einem definierten Rohteil das gewünschte Produkt hergestellt wird. Dieses Fertigteil ist das Produkt aller Bemühungen der Fertigungsabteilung. Die nachfolgende Abbildung zeigt eine Übersicht über die beispielhaft beteiligten Datenformate.

Abbildung 2: Beispiel für verwendete Datenformate im Prozess

Einem externen Beobachter fällt häufig die unübersichtliche Menge an verschiedenen Datenformaten, Dateiablagen und Zuständigkeiten auf, der nicht selten wertvolle Ressourcen bindet und den Arbeitsfluss behindert. Wir machen uns das kurz deutlich: in der Konstruktion werden CAD-Dateien gepflegt, Austausch-Dateien erzeugt sowie Zeichnungen erstellt und gedruckt. In der Fertigung werden nun die transferierten Daten sowie CAM- und NC-Dateien vorgehalten. All diese müssen gespeichert, revisioniert und bereitgestellt werden – ein ziemlicher Aufwand – der nicht zuletzt auch gut administriert sein will.

Nun stellt sich eine wichtige Frage: Ist der Medienbruch zwischen Konstruktion und Fertigung wirklich notwendig oder gar wünschenswert?

Im nächsten Beitrag beschäftigen wir uns daher mit der Frage, welche Möglichkeiten es gibt, Medienbrüche zu reduzieren oder sogar ganz zu vermeiden.