Sofort produktiv dank Digitalem Zwilling

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SINUMERIK ONE gesteuerte Fahrportalfräsmaschine: Virtueller Produktionsanlauf und Training am digitalen Modell – volle Produktivität direkt nach Abnahme der Maschine

Für zwei neue SINUMERIK ONE gesteuerte Fahrportalfräszentren von MAKA Systems bekam der Endkunde den Digitalen Zwilling schon während des Baus der Maschinen. So wurden das Einfahren der NC-Programme samt Kollisionsprüfung und die Bedienerschulungen abgeschlossen, noch bevor die Maschinen geliefert waren. Das verkürzte den Produktionsanlauf drastisch. 

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Anlässlich einer Anfrage eines führenden Verarbeiters von Composite-Materialien und Schichthölzern bot sich der Firma MAKA Systems die Gelegenheit, den Nutzen des „Digitalen Zwillings“ für den Endanwender zu beweisen: Der Auftraggeber war offen für den Vorschlag, zu den neuen Maschinen auch deren Digitale Zwillinge einzusetzen – zunächst für die Produktionsvorbereitung und für Schulungen, zukünftig auch für Machbarkeitsprüfungen und aktuelle Aufgaben in der Arbeitsvorbereitung.

Maschinenbetreiber profitiert von der Virtualisierung 

Alexander Hiller hat viele Aufgaben beim Maschinenhersteller MAKA Systems GmbH, Nersingen. Er ist Leiter der Elektrokonstruktion, der Applikationstechnik und des Digitalisierungs-Teams. Von daher hat er einen sehr breiten Blick auf alle Themen, die den Bau und den Einsatz von Fertigungszentren betreffen. Das Thema „Virtualisierung“ ist ihm sowohl aus der Perspektive des Maschinenherstellers als auch aus der des Endanwenders vertraut. Die Möglichkeit, für CNCs der Reihe SINUMERIK ONE einen Digitalen Zwilling als „Software in the loop“-Steuerung für digitale Maschinenmodelle zu nutzen, hat er darum so früh als möglich konkret ausgelotet. 

Digitaler Zwilling

Kinematisierte Konstruktionsdaten …

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 von aus dem CAD-System ausgespielten STL-Daten für jedes Bauteil festgelegt, ob und welche Bewegungsfreiheiten das Bauteil im kartesischen Raum hat“, erläutert Alexander Hiller.

 

… plus Software-in-the-loop-CNC

„Bisher haben wir als Werkzeugmaschinenhersteller so erstellte Maschinenmodelle hauptsächlich selbst genutzt, und zwar in Verbindung mit realen CNCs, die als Hardware-in-the-Loop das Maschinenmodell steuerten“, so Alexander Hiller weiter. „Mit der SINUMERIK ONE haben wir jetzt eine leistungsfähige CNC zur Verfügung, für die von Haus aus ein digitaler Zwilling der CNC selbst existiert. Den können wir als Software-in-the-Loop-CNC mit unserem Maschinenmodell zu einem kompletten, auch für den Endanwender nützlichen digitalen Zwilling der Maschine verknüpfen!“

 

Von einem solchen „kompletten“ Digitalen Zwilling der Maschine samt ihrer CNC profitiert der Maschinenbetreiber enorm, das wurde im Verlauf des aktuellen Projekts mehr als deutlich. 

Den „Digital Twin“ bekommt der Anwender lange vor der Maschine

Die beiden georderten 9-achsigen Fahrportalfräszentren MAKA PM270 sind Standardmaschinen aus dem MAKA-Portfolio. In dieser Ausführung erlauben sie die 5-Seiten- und 5-Achsbearbeitung von Rohlingen mit einem Würfelmaß von bis zu 7000 x 1300 x 420 mm (bei Werkzeugen bis zu 160 mm Länge). Nach dem Einbringen kundenspezifischer Optionen in die Konstruktion erstellte MAKA den digitalen Zwilling zur Maschine und lieferte ihn an den Endanwender – viele Wochen vor der eigentlichen Maschine. 

Den realen Produktionsanlauf vorab am Modell komplett durchexerziert

Anhand des Digitalen Zwillings konnte die Fertigungsabteilung sofort mit der Übernahme und Optimierung der NC-Programme auf die neuen Maschinen beginnen. Denn: Die CNC entspricht sowohl in der Funktionalität als auch in der Bedienung eins zu eins der realen CNC 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 Teil möglich. Auch die erste Bedienerschulungen erfolgten am Digitalen Zwilling. 

Gesteigerte Projektsicherheit und drastisch verkürzter Produktionshochlauf

All das bewirkte, dass die Maschinen nach Lieferung und Vor-Ort-Abnahme direkt produktiv genutzt werden konnten. Alexander Hiller fasst den unmittelbaren Nutzen für den Endkunden so zusammen: „Im Vergleich zu Lieferungen der gleichen Maschinen an andere Kunden wissen wir, dass das Hochfahren der Produktion und die Bedienerschulungen sonst in aller Regel 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“. 

Auch der Maschinenhersteller profitiert

Und auch MAKA selbst profitiert bei diesem Vorgehen. An einem SINUMERIK ONE basierten Digitalen Zwilling der Maschine kann MAKA viele Schritte der Inbetriebsetzung vorwegnehmen, die bisher erst nach Fertigstellung der Maschine bzw. Funktionseinheit möglich waren. Durch die Parallelisierung dieser Schritte mit dem Bau der Maschine kann MAKA die Projektlaufzeit für derartige Projekte nun um einige Tage verkürzen. 

 

Ein weiterer „Riesenvorteil“ laut Alexander Hiller: Da für die CNC SINUMERIK ONE von Haus aus ein Software-in-the-loop-fähiger digitaler Zwilling vorliegt, können Bestandsprojekte sehr schnell und mit minimiertem Aufwand adaptiert werden. „Das Wiederaufsetzen eines Hardware-in-the-Loop-Projektes dauert regelmäßige viele Stunden. Bei Digitalen Maschinenzwillingen mit Software-in-the-Loop-CNC kann die bestehende Projektdatei direkt geöffnet werden, um Änderungen vorzunehmen.“

SINUMERIK ONE und Digitaler Zwilling – der neue Standard bei MAKA

Und die Zusatzkosten für den Digitalen Zwilling? „Die Kostenvorteile beim Hochlauf der Maschinen sind bei dem Teilespektrum, welches der Endkunde fertigt, bereits größer als die Kosten des Digitalen Zwillings.  Das ist bei vielen unserer Bestandskunden ähnlich. Außerdem: Ein einziger vermiedener Spindel-Crash samt Produktivitätsausfall und Reparatur macht die Kosten für den Digitalen Zwilling vollends vergessen!“, erklärt Alexander Hiller. „Insgesamt kommt man trotz des Zusatzinvests schneller in den Bereich des Return on Investments. Darum bieten wir unsere Maschinen zukünftig standardmäßig mit SINUMERIK ONE und der Option ‚Digitaler Zwilling‘ an.“  

Nutzen des Digitalen Zwillings

... für den Endanwender:

Vor dem Bau der Maschine kann anhand des Digitalen Zwillings geklärt werden, ob die Anforderungen an die bestellte Maschine vollständig sind, bzw. ob Änderungen der Konstruktion oder Leistungsdaten nötig sind. Der Digitale Zwilling kann von vornherein um digitale Modelle der Spannmittel und Vorrichtungen ergänzt werden, die für die geplante Fertigungspalette benötigt werden. Die Kommunikation mit dem Maschinenhersteller wird anhand des „lebenden“ Modells einfacher und konkreter.

Mit dem Digitalen Zwilling können die NC-Programme für die Fertigungspalette vorbereitet bzw. angepasst, verifiziert und optimiert werden, während die Maschine noch im Bau ist. 

Am Digitalen Zwilling kann für jedes einzelne NC-Programm eine umfassende Kollisionsprüfung vorgenommen werden, die Maschinenteile, Werkzeuge, Werkstücke, Spannmittel und Vorrichtungen umfasst. Auch die Bedienerschulung erfolgt am Digitalen Zwilling – ohne „Trial & Error-Experimente“ an der realen Maschine.

Die Arbeit am Digitalen Zwilling parallel zum Bau der Maschine verkürzt den Hochlauf der Produktion um viele Wochen. Oft ist sofort nach der Vor-Ort-Abnahme ein produktiver Betrieb möglich. 

NC-Programmvorbereitung einschließlich Laufzeitoptimierung und Kollisionsprüfung, und dass das Einrichten der Maschine auf ein neues Produkt mit Hilfe des Digitalen Zwillings parallel zur laufenden Fertigung minimiert die Zeiten zur Umstellung auf ein neues Werkstück und verbessert die Prozesssicherheit: Die Maschine ist produktiver, In der Lohnfertigung können Angebote schneller und präziser kalkuliert werden und die Fertigungsplanung wird insgesamt effizienter. 

... für den Maschinenhersteller:

  • Einfachere, aussagekräftigere Machbarkeitsprüfungen
  • Verbesserte Angebotssicherheit
  • Verbesserte Visualisierung der Maschinenfunktion (z. B. anhand der virtuellen Fertigung konkreter Werkstücke des potentiellen Kunden)
  • Effizientere Kommunikation zwischen Endkunde und Maschinenhersteller
  • Reduzierte Risiken bei der Inbetriebsetzung, 
  • Verkürzte Projektlaufzeiten z. B. durch virtuelle Inbetriebnahme. Bisher sequentiell abzuarbeitende Prozesse werden parallelisiert und überlagert, die Maschinen werden früher fertig.
  • Ansatzpunkt für neue Services und Geschäftsmodelle 

Verwendete Tools

Beim Maschinenhersteller:

Bei MAKA Systems in Verbindung mit dem Digitalen Zwilling verwendete Tools:

  • Virtual CAD /CREO: CAD-Konstruktion, STL-Datenexport
  • Machine Builder, freies Tool zu Kinematisierung von STL-Daten zu einem steuerbaren Maschinenmodell
  • Create MyVirtual Machine: Integration des Maschinenmodells mit dem Digitalen Zwillings der CNC SINUMERIK ONE (Software in the loop)

Beim Endanwender:

  • Run MyVirtual Machine: Stand-alone-Version des Digitalen Zwillings der SINUMERIK ONE gesteuerten Maschine, nutzbar ohne Entwicklungstools

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