Versnel kwaliteit: Top-CAD/CAM-oplossingen voor superieure onderdelen

De eeuwige vraag in de productie met CAD/CAM-software is hoe bouwers hun onderdelen sneller, goedkoper en beter kunnen maken—de hele tijd. Met de nieuwste generatie CAD/CAM-softwarereleases blijven ontwikkelaars hun aanbod verfijnen door nieuwe functies toe te voegen, waaronder generatieve ontwerpmogelijkheden, meer automatisering van veelgebruikte werkvloerprocessen, en meer tools voor het opkomende gebied van additieve productie.

Daarnaast zijn simulaties veel kritischer geworden, met zeer complexe multi-as-machines die precieze berekening van machine-elementen vereisen om catastrofale botsingen tijdens bewerkingsprocessen te voorkomen, wat het zeer wenselijk maakt dat CAD/CAM ingebouwde visualisatiemogelijkheden biedt.

Onder deze laatste trends duwen generatief ontwerp en additieve productie snel naar de voorgrond. “We zien steeds meer toepassingen voor additieve productie, nieuwe materiaalhanteringsmogelijkheden, en verhoogde machinecapaciteit en -prestaties,” merkt Paul Brown, senior marketing director, NX Product Engineering, op voor Siemens Digital Industries Software in Plano, Texas. “Dit verhoogt de eisen aan CAD-technologieën, zodat ingenieurs nieuwe ontwerpen kunnen verkennen en de kracht en flexibiliteit van de nieuwe productiemethoden kunnen omarmen.”

Bedrijven zoeken nog steeds hun ontwerp-naar-productie-cycli te stroomlijnen. Er is voortgezet belangstelling voor gebieden als design for manufacturability (DFM), controleren om het vertrouwen in de haalbaarheid van wat ontworpen is te vergroten, merkt Brown op.

De generatieve aanpak

Generatief ontwerp heeft fabrikanten geholpen het ontwerpproces te versnellen en te verfijnen. Het betekent onderdelen op een efficiëntere manier ontwerpen en onderdelen ontwikkelen die makkelijker te produceren zijn.

“Met fabrikanten onder meer druk dan ooit om betere producten sneller en tegen lagere kosten te leveren, wordt de behoefte om ontwerp- en productieprocessen te verbinden en te automatiseren om iteraties, fouten en levertijden te reduceren, kritiek,” merkt Sanjay Thakore, business strategy manager, Fusion 360 Go-to-Market Strategy, op voor Autodesk Inc., een San Rafael, Calif.-gebaseerde ontwikkelaar van CAD/CAM-software.

“De combinatie van industrieconvergentie en nieuwe productietechnologie creëeert nieuwe automatiseringskansen,” zegt Thakore in een interview gepubliceerd in de september-uitgave van Manufacturing Engineering. “Complexe ontwerp- en ingenieursuitdagingen kunnen voor een fractie van de kosten [van traditionele ontwerpprocessen] worden opgelost met generatieve ontwerptechnologie zoals in Autodesk Fusion 360.”

Generatief ontwerp is een exploratietool die gelijktijdig meerdere CAD-klaar oplossingen genereert op basis van realistische productiebeperkingen, productprestatie-eisen en kostenvereisten. “Ingenieurs kunnen de ontwerpruimte verkennen door rekening te houden met meerdere materialen en productiemethoden en de optie kiezen die prestaties en kostenvereisten het beste in evenwicht brengt,” zegt hij.

Sommige bedrijven beginnen generatieve benaderingen te gebruiken om ontwerpproblemen op te lossen, merkt Brown van Siemens op. “Dit geeft ze meer kans om alternatieve vormen en materialen te verkennen om een probleem op te lossen.” De uitdaging is hoe het te integreren in een traditioneel proces. “Met Convergent Modeling hebben we de technologie die mensen in staat stelt generatieve ontwerpen die het resultaat zijn van simulatie en optimalisaties als kernmodelleergeometrie te gebruiken—gecombineerd met traditionele modellerings- en productietechnieken,” zegt Brown.

Dit wordt verder aangedreven door het gebruik van additieve productie die vormen en benaderingen mogelijk maakt die niet gecreëerd kunnen worden met traditionele productietechnieken, zoals roosterstructuren. Deze reduceren componentgewicht dramatisch maar behouden mechanische eigenschappen als rigiditeit en andere factoren.

“Het hebben van geïntegreerde CNC-programmeermogelijkheden is cruciaal voor het produceren van afgeronde onderdelen, wat de industrialisering van additieve productie mogelijk maakt,” zegt Brown. “Het gebruik van geïntegreerde technologieën breidt zich geleidelijk uit van initiële prototyping naar massaproductie—daar is Siemens gericht op.” Hij zegt dat het bedrijf kijkt naar hoe het AM op industriële schaal mogelijk maakt, van jobgrootte 1 tot 1.000.

Generatieve ontwerptechnieken produceren hoogst organische vormen, merkt Alan Levine, managing director, Open Mind Technologies USA Inc., Needham, Mass., ontwikkelaar van hyperMILL CAD/CAM-software. “Deze vormen kunnen geproduceerd worden met traditionele freestechnieken of additieve technieken,” zegt hij. “Bij gebruik van de additieve techniek wordt frezen vaak als secundair proces gebruikt om de gewenste oppervlakteafwerking te bereiken.”

Een superieure oppervlakteafwerking voor een gefreesd onderdeel vereist precieze instellingen in het CAM-systeem, hoge-kwaliteit toolholders en nauwkeurige werktuigmachines, volgens Levine. “De meeste CAM-systemen gebruiken vaak een benaderde mesh bovenop de modeloppervlaktetopologie. Het voordeel van deze methode is een uniforme berekeningsproces ongeacht hoe het CAD-systeem of CAD-vertalers de oppervlakte-entiteiten definiëren,” zegt Levine. Open Mind voegde recent een hoog-precisiemodel toe om direct op de deeponderdelen te machineeren, wat de oppervlaktekwaliteit verbetert.

Snelle groei van additieve productie

Nieuwe technieken voor het werken met additieve toepassingen groeien snel, met name die binnen CAM-systemen voor gerichte-energie (poeder of draad) depositie, voegt Levine toe. “Sommige CAM-leveranciers hebben deze marktpotentieel aangepakt met een nieuwe additieve strategie, of gewijzigde technieken die toegepast werden in poederbed-systemen,” zegt Levine. “Met de laatste zijn de toolpath-strategieën op enigszins beperkt. Open Mind ontwikkelde een additief programmeerproces dat bijna alle freestoolpaths in staat stelt om aangepast te worden voor additief, en bevat de extra technologie die voor deze markt vereist is. Dit geeft gebruikers de vrijheid om een programmeerproces te creëren, inclusief voor 2D- en 3D-toolpath-strategieën, evenals vijf-as-beheer wanneer nodig.”

Additieve productie en hybride productie (additief en subtractief op dezelfde machine) groeien in populariteit. Waarom? De meeste additieve processen voor metaal leveren geen geschikte oppervlakteafwerking. Hybride oplossingen maken een gefreesde afwerking mogelijk op dezelfde machine en opstelling die de additieve delen produceerde.

“Deze machines zijn interessant voor eindgebruikers. Open Mind is actief in additieve productieprocessen gebaseerd op gerichte-energiedepositie-ontwikkelingen,” zegt Levine. Gebruik omvat demonstraties met machinepartners, universiteit- en onderzoeksactiviteiten, voegt hij toe, en ook enkele vroege industriële eindgebruikers die werken met additieve en hybride bewerking van metalen.

“De additieve productietrend leidt ons naar hybride CAM-systemen,” zegt Chuck Mathews, executive vice president, DP Technology Corp., Camarillo, Calif., de ontwikkelaar van ESPRIT CAM-software. “Als voorbeeld, ESPRIT Additive voor Direct Energy Deposition is beschikbaar binnen het full-spectrum ESPRIT CAM-systeem, biedt programmering, optimalisatie en simulatie voor additieve en subtractieve processen in één geïntegreerde oplossing.”

Mathews zegt dat ESPRIT's Additive App programmering biedt voor multi-tasking, multi-functie, multi-kanaal, mill-turn, additieve en subtractieve werktuigmachines. Additieve en subtractieve processen worden geprogrammeerd, geoptimaliseerd en gesimuleerd samen binnen één interface.

Additieve technieken vinden hun weg in bijna elk CAD/CAM-product, aangezien additieve productie gebruikers een ontwerpvrijheid geeft die niet te vinden is in traditionele subtractieve methoden.

“Deze nieuwe technieken hebben innovatieve manieren geopend om onderdelen te maken die in het verleden niet konden,” zegt Ben Mund, senior market analyst, CNC Software Inc., de Tolland, Conn.-gebaseerde ontwikkelaar van Mastercam-software. “Door de hoge-precisie oppervlakken verkregen met subtractieve productie in proces te combineren met additieve technieken, bereik je het beste van beide processen,” zegt Mund.

De CAD/CAM-software moet de ingenieur in staat stellen het additieve proces net zoveel te controleren als het subtractieve, met vergelijkbare tools. Mund zegt te zoeken naar functies zoals ondersteuningsmateriaal, gegrageerde materiaaldefinitie, samen met technieken als 3D-nesting en geoptimaliseerde onderdeeloriëntatie, waardoor de softwaregebruiker alle aspecten van het productieproces kan controleren.

“Additieve productie is deel van onze erfgoed bij 3D Systems, en we zien veel side-by-side en geïntegreerde additieve en subtractieve productie in de industrie,” merkt Daniel Remenak, product manager–GibbsCAM, op voor additieve machinebouwer 3D Systems Inc., Rock Hill, S.C. “Naarmate deze workflows gebruikelijker worden, beïnvloedt dat klantverwachtingen voor programmeersoftware, die in staat moet zijn om programmeurs efficiënt deze technologie te laten verbinden. Ons 3DXpert-product is toegewijd aan voornamelijk additieve workflows, gebruikmakend van ons bedrijfsbrede CAD-ervaring voor ondersteuning en roostergeneratie, en onze subtractieve bewerkingsdeskundigheid voor een geavanceerde slicing-engine en na-print-bewerking.”

Remenak zegt dat het GibbsCAM-team de afgelopen jaren heeft gewerkt met CNC-machineleveranciers en onderzoekers aan het ontwikkelen van toegewijde technieken voor het programmeren van hybride subtractieve en depositie-additieve machines.

Strategieën voor snelle productie

Het “brood en boter” van bewerken kan liggen in het automatiseren van veelgebruikte functionaliteit voor werkvloergebruikers die snelle, nauwkeurige resultaten nodig hebben om hun onderdelen met hoge kwaliteit te maken, vaak in grote volumes, en op tijd, de hele tijd. Sleutel tot die doelen zijn in-CAD-simulaties, die winkels draaiend houden door te zorgen dat onderdeelprogramma's correct lopen, met nul dure botsingen, en het wat meer alledaagse domein van CAD-tools die “CAD for CAM” gedubt worden en gebruikers de bouten-en-moeren opties geven om hun onderdelen snel te maken.

“De primaire focus van elk van onze CAD-functies en verbeteringen is gebaseerd op het idee van ‘CAD for CAM’, wat betekent: het onderdeel klaarmaken voor productie,” zegt CNC Software's Mund. “Het is ons nummer één doel. Of een gebruiker nu een complex onderdeel vanaf nul in Mastercam heeft gemaakt, of ze probleemgebieden van een in een ander CAD-systeem gegenereerd onderdeel moeten analyseren en repareren, onze suite van draadmodel, oppervlakte, en solide tools zijn beschikbaar om alles machine-klaar te maken zonder vertraging.”

Mund zegt dat diverse factoren CAD/CAM-ontwerp beïnvloeden, maar de meeste gaan over innovatie, kosten drukken, time-to-market versnellen, en efficiëntie verbeteren. “We luisteren constant naar de behoeften van onze klanten over de onderdelen waar ze mee werken, en de problemen waar ze mee te maken kunnen krijgen, om nieuwe tools te ontwikkelen die meer dingen mogelijk maken binnen de Mastercam CAD-suite van tools,” zegt Mund. “Sneller een nieuw onderdeel maken of aanpassingen aan een geïmporteerd onderdeel maken ter ondersteuning van het productieproces, sneller het geprogrammeerd en op een machine voor snijden kan worden.

“Time-to-market versnellen is cruciaal,” voegt hij toe. “Veel aanpassingen kunnen binnen Mastercam gemaakt worden met onze CAD-tools, wat de tijd en kosten bespaart van het terugsturen naar het oorspronkelijke CAD-systeem. In dat geval stellen we CAM-programmeurs in staat om veranderingen te maken die het bewerkingsproces ondersteunen, of het nu gaat om het ontwerpen van een vastzetapparaat, het bouwen van tijdelijke in-proces geometrie, of het repareren van problemen in het oorspronkelijke CAD-bestand.

“Efficiëntie betekent al onze tools gebruiken naar het doel van het onderdeel klaarmaken voor de machine—draadmodel, oppervlaktes, en soliden allemaal samenwerkend voor dat ene doel,” vervolgt Mund. Ten slotte is connectiviteit belangrijk. “In de CAD-wereld kan dit betekenen: onderdelen inlezen van elke CAD-modelleerder die industriestandaardformaten ondersteunt zoals IGES en STEP en de gangbare proprietaire zoals SAT, DXF, DWG, X_T, enz.”

Hij gelooft ook dat het betekent dat het CAD-model in een Mastercam-onderdeelbestand geassocieerd is met de CAM-informatie; verander het model en de toolpaths zijn zich bewust en kunnen gemakkelijk geüpdatet worden zonder vanaf nul te hoeven beginnen.

Andere leveranciers hanteren vergelijkbare benaderingen voor CAD gericht op traditionele CAM-gebruikers. “Open Mind heeft zijn hyperCAD-S-foundation (binnen hyperMILL) ontworpen als een CAD-for-CAM-module. Populaire CAD-systemen bieden niet altijd de beste gebruikerservaring voor CAM-gebruikers,” zegt Levine. “De focus in hyperCAD-S is het vereenvoudigen van de functies die nodig zijn om een CAM-systeem aan te sturen. Voorbeelden zijn grensselecties, vlakuitzettingen, en filterselecties zoals coplanaire en co-axiale, en andere functies om oppervlaktes te herstellen en opnieuw aan te passen wanneer nodig.”

Open Mind ging verder door voorgedefinieerde reeksen van CAD-utilities voor de CAM-gebruiker en binnen de CAM-strategieën aan te bieden, zonder de noodzaak voor de onderliggende selecties, voegt hij toe.

“Bijvoorbeeld, in de gietwerk-en-stempelindustrie, zijn scherpe randen cruciaal voor het matchen van kern- en kaviteitgeometrie om flash tijdens het gietproces te voorkomen,” stelt Levine. “Om een schone rand te krijgen en een frees die over een rand heen rolt te voorkomen, is het voordelig om deze oppervlaktes uit te zetten en de frees correct op en af het onderdeel te leiden.”

De hyperMILL Z-level shape finishing-module bevat een automatische tangentiële uitsteek om dit proces voor de gebruiker te stroomlijnen. Het resultaat is gefreesde oppervlaktes en randen zonder lastige selecties en extra stappen in het CAM-programmeerproces.

Voor complexe multi-as-bewerking zijn simulaties verplicht, en in-CAD-simulaties zijn populairder geworden vergeleken met enkele van de duurdere derde-partij simulaties op de markt. “We zien sterke trends door naar complexe multi-tasking machines en verhoogd gebruik van en vertrouwen op machinesimulatie,” zegt GibbsCAM's Remenak. “Machinewinkels richten zich op het verwerven van software die de beste programmeerefficiëntie, hoogste op-machine productiviteit, en sterkste validatietools met bewezen, betrouwbare post-processoren kan bieden.”

Post-processing elimineert omwegen

Zonder goede post-processing, of complete CAD/CAM die werkt met andere productiesoftware-oplossingen, kunnen gebruikers onverwachte omwegen oplopen. “Wat een CAM-systeem ‘goed’ maakt naar onze mening, komt neer op de kwaliteit van de post-processor en de technische ondersteuning van de leverancier,” zegt DP Technology's Mathews. “Wanneer programmeervragen snel en nauwkeurig beantwoord worden, en het systeem goede code produceert, is programmering vereenvoudigd en gaat machinegebruik omhoog, terwijl zowel opstel- als cyclus tijden dalen.”

DP Technology streeft ernaar de best beschikbare post-processing en technische ondersteuning te bieden, beweert hij, en voegt toe dat “de ESPRIT-strategie is om nauw samen te werken met machinebouwers en een Digital Twin van elke CNC te bouwen die fabrieksontwikkelde post-processoren omvat ontworpen om gemachineerd-geoptimaliseerde, bewerkingsvrije G-code te produceren,” zegt Mathews. DP Technology ondersteunt ESPRIT door fabrieksdirecte training en technische ondersteuning te bieden aan haar Noord-Amerikaanse klanten via een toegewijd team van ESPRIT-applicatie-ingenieurs.

One-stop shopping

Complete pakketten kunnen gebruikers aantrekken die op zoek zijn naar one-stop shopping in CAD/CAM, CAD/CAM gecombineerd met inspectie en metrologie, of met PLM, ERP en MES-oplossingen.

“Een van de recentste trends die we horen van onze klanten en nieuwe prospects is hun behoefte aan ons om complete productieoplossingen te bieden, in plaats van alleen CAD/CAM-software,” zegt Nick Spurrett, regional director–Americas, Production Software, Hexagon Manufacturing Intelligence, North Kingstown, R.I. “Hun verzoeken vertegenwoordigen alles van een MES-oplossing tot oplossingen die hen helemaal doorheen brengen tot volledige machine-tool-verificatie. Met de toevoeging van NCSIMUL en WORKPLAN, richt Hexagon Production Software ons bedrijf uit om op deze recentste trends te reageren.”

Hexagon Manufacturing Intelligence toonde recent demo's van zijn digitale productieoplossingen die de Production Software-portefeuille vormen, die bestaat uit de diverse CAD/CAM-titels van Vero Software, die een paar jaar geleden door Hexagon werd overgenomen, plus NCSIMUL, een high-end simulatie- en verificatiepakket, samen met Hexagon's traditionele inspectieoplossingen.

“We blijven al onze productieproducten ontwikkelen, inclusief snellere toolpath-creatie en het leveren van Waveform-strategieën door de hele productenset,” zegt Spurrett van de nieuw samengevoegde lineup. “We levereren ook Advanced Toolform-technologie met de introductie van vijf-as-bewerking voor elke toolvorm.” Hij merkt op dat het vijf-as-toolvormen zoals barrels, ovalen, parabolisch, of elke gegeven vorm, toestaat om over de onderdeeloppervlaktes te berekenen, inclusief negatieve offsets (toelaten).

“Design for manufacturing is een van de sleuteloplossingen die we de afgelopen 12 maanden hebben gelanceerd,” voegt Spurrett toe. “We bieden een CAD for CAM, of CAD for Machine Shops, oplossing voor bedrijven die wil profiteren van de CAD-data die ze ontvangen—of om in een CAD-omgeving te werken die een machinewinkel, of een CNC-programmeur, kan benutten omdat het de functionaliteit biedt die ze specifiek nodig hebben voor productie. Het gebruik van direct modelleren stelt de gebruiker in staat om de geometrie direct te wijzigen door stukken van het model te duwen of te trekken zoals de gebruiker passend ziet.”