Produktentwicklung eines Heckspoiler für Opel Astra

Anforderungen

Die Anforderungen an ein CAD/CAM System im Formen- und Werkzeugbau, aber auch im Modellbau sind heutzutage sehr hoch. Hinzu kommt, dass das Marktgeschehen zunehmend von immer kürzer werdenden Produktzyklen geprägt wird. Daher ist es wichtig zu wissen, dass man sich zukünftig auf ständig wachsende Komplexität und Bedürfnisse bei einem eher sinkendem Preisniveau einstellt, um auch morgen noch wettbewerbsfähig und kostengerecht produzieren zu können.

Dazu sind unter anderem mehrere Dinge erforderlich: fundiertes CAD / CAM Know How in Verbindung mit dem richtigen, auch langfristig agierenden Lieferanten, die richtige durchgängige Software zu einem vernünftigem Preis und motivierte Mitarbeiter, damit konkrete Aufgabenstellungen und damit die neuen Produktideen schnellstens mit dem Designbüro umgesetzt werden können. Eigenentwicklungen bei komplexen Anwendungen, Fremddatenübernahme über Standardschnittstellen wie z.B. IGES oder VDA-FS, vor allem aber die Flexibilität zu besitzen bei Änderungen von Kundenseite schnell und ohne hohe Kosten zu reagieren, sind weitere wichtige Auswahlkriterien. Betrachtet werden sollten aber auch die zeitlichen Kosten, die benötigt werden, um ein solches CAD- oder CAM-System zu beherrschen. Gleichermaßen sollte man auch stark auf den Softwarelieferanten achten, der durch Kompetenz und Erfahrung sowohl die Sprache der Designer und Konstrukteure als auch das direkte Verständnis für den CAM Bereich im Formen- und Modellbauen besitzen sollte.

In nachfolgend beschriebener Vorgehensweise wurden der Volumenmodeller SolidWorks 98 und der Flächenmodeller mit CAM Software MASTERCAM Version 7.1 verwendet.

Zunächst bestand die Aufgabe darin, an Hand der vorgegebenen Geometrie einer Heckpartie einen Spoiler zu konzipieren, der von Design und Dimensionierung mit dem Heck verschmelzen soll. Da der Auftraggeber ein Automobilzulieferer ist, standen keine Geometriedaten der Fahrzeugaussenhaut zu Verfügung. So blieb nur die Möglichkeit, der Vermessung, Digitalisierung und der anschließenden Flächenrückführung. Auch dabei ist es wichtig im Vorfeld herauszustellen, wie genau diese Flächen sein müssen. Bei sehr hohen Anforderungen empfiehlt es sich, diese Arbeit mit einem Dienstleister zu klären bzw. durchzuführen, da hierzu eine sehr teure Software mit entsprechenden Glättungsfunktionen und hohen Hardwarevoraussetzungen notwendig ist. Hier waren die Anforderungen für den Bereich der Spoilerauflagen sehr genau, nicht jedoch für den weiteren Heckbereich, der lediglich zur Beurteilung der Form auf dem Bildschirm diente. Deshalb genügte auch eine geringere Anzahl von Meßpunkten, die über eine integrierte Software direkt in SolidWorks als Splines eingefügt wurden, welche dann zu Flächen verbunden wurden wie im vorliegenden Fall. Hier galten die Flächen als Begrenzungen, indem der zu entwickelnde Spoiler sich harmonisch einzufügen hatte. Das Anbauteil wurde im 3D von SolidWorks direkt modelliert, es wurden Varianten gebildet, die in ihrer optischen Wirkung auf dem Bildschirm beurteilt wurden. Das interessante bei SolidWorks ist, daß man zu jedem Zeitpunkt einmal gemachte CAD Entwicklungen im Prozess immer wieder schrittweise rückgängig machen kann, um entsprechende Korrekturen durchzuführen. In diesem Falle war dies besonders wichtig, um Anpassungen optimal anzugleichen. Besonders hilfreich war auch die Schnittlegung und jederzeitige automatische Rückführung ins 2D. Interessant und hilfreich war auch die Lösung über den "SolidWorks Viewer", welcher kostenlos zu beziehen ist. Über diesen "Viewer" kann das Teil frei am Bildschirm gedreht, gezoomt und es können sogar Schnitte gelegt und dann ausgeplottet werden. In unserem Beispiel war der Kunde nicht vor Ort und so konnte schnell verifiziert werden, ob er nun auch mit dem Design einverstanden ist oder ob noch Änderungen vorzunehmen waren. Für photorealistische Darstellung kommt der Software-Aufsatz PhotoWorks zum Einsatz, der in SolidWorks das Zuordnen von Materialien, Oberflächen, Beleuchtung , Hintergrund, etc... ermöglicht.

Aufgabenstellung im CAM

Programmerstellung nach bestmöglichen Frässtrategien und Erstellung des Prototyps aus Hartschaum.

Neben dem hier im CAD eingesetzten SolidWorks 98 wird im CAM Bereich mit Mastercam gearbeitet. Mastercam ist ein durchgängiges 2D und 3D CAD/CAM System, welches schon weltweit von über 50.000 Anwendern benutzt wird, damit Fertigungsaufträge im Formen- und Modellbau in kürzerer Zeit und mit höherer Qualität ausgeführt werden können. Die erstellten CAD Daten aus SolidWorks wurden dann per Direktschnittstelle in Mastercam eingespielt und liegen jetzt als Flächenmodell vor. Diese Direktschnittstelle als kostenlose Zusatzlieferung verhindert Datenverluste und garantiert eine einwandfreie Datenübernahme. Ein in das CAM-Paket MASTERCAM integriertes 3D-CAD als Konstruktions- bzw. Zeichenmodul komplett mit dem Flächenmodeller und allen verfügbaren Schnittstellen - lesen und schreiben - (IGES, VDAFS, DXF, Catia optional etc.) ermöglichte hier eine einfache Nachbearbeitung der CAD Daten wie z.B. das Erstellen von Rand- und Formtrennkurven, Tuschierflächen, Führungen, Schnittlegung etc. Nach der Übernahme erfordert die Vorbereitung zum Erzeugen der NC Programme zunächst eine Aufbereitung der Daten unter anderem nach folgenden Gesichtspunkten:

• Wie groß ist das Rohmaterial?
• Wie wird der Heckspoiler dort am besten platziert, um in möglichst wenig Bearbeitungsschritten zum Ziel zu gelangen?
• Wie oft muss dann möglicherweise umgespannt werden?
• Wo liegen dabei die Formtrennkurven und die daraus resultierenden Tuschierflächen?
• Mit welchen Bearbeitungsstrategien und Fräsern kommt man am schnellsten und einfachsten zum fertigen Endprodukt?
• Wie sieht die Spannvorrichtung und Werkstückaufnahme aus, wenn bereits eine Seite des Spoilers gefräst wurde?

Nach der Festlegung der Bearbeitungsrichtungen wurden jeweils die Tuschierflächen erzeugt und dann die NC-Programme nach folgenden Strategien:

1. Schruppen im Flächen/Taschen Zyklus mit einem relativ großen Fräser, um zunächst mit einem Aufmaß von 0,5 mm das überflüssige Material in mehreren Bearbeitungstiefen abzunehmen.
2. Achsparalleles Schlichten unter 45° auf Maß wiederum mit einem relativ großen Kugelfräser.
3. Erkennen und konturparalleles Bearbeiten des Restmaterials mit einem kleinen Kugelfräser, der dem kleinsten zu bearbeitenden Radius entspricht.

Zum Bearbeiten der Unterseite des Spoilers wurde eine Aufnahme im 3D-CAM programmiert, deren Grundlagen die Innenseiten der Spoilerflächen bildeten. Dann konnte auch das NC Programm für die andere Seite des Spoilers erstellt werden, so dass er im letzten Bearbeitungsschritt nur noch mit einem 2D-Konturprogramm entlang der Außenkontur ausgeschnitten werden mußte. So erhält man ein sehr umfangreiches NC-Programm, welches sich aber durch verschiedene Filterfunktionen reduzieren läßt. Ein 3D-Fräsprogramm besteht meistens aus vielen G01 Sätzen, also aus geradlinigen Bewegungen, welche der gewählten Sehnentoleranz entsprechen. Mastercam hat einen solchen Filter entwickelt, der durch Zirkular- und Linearinterpolation Fräsprogramme um teilweise bis zu 98% reduzieren kann (G02/G03 Verfahrbewegungen) und damit auch eine noch schnellere Abarbeitung bei einer höheren Oberflächengüte bewirkt. Nachdem diese Programme generiert wurden, müssen die internen MASTERCAM Codes (NCI) in die für die geforderte Maschinensteuerung durch einen Postprozessor umgeschrieben werden. Ob Fanuk, MAHO, Siemens, Heidenhain oder so gut wie jede andere Steuerung für 3, 4 oder 5 Achsen, Mastercam stellt den dazu erforderlichen Postprozessor zur Verfügung und passt ihn auf die Bedürfnisse des Kunden individuell an.

Nachdem das NC Programm steuerungsspezifisch umgesetzt wurde, muss es per DNC in die Maschinensteuerung gelangen. Dies geschieht direkt über einen DNC-Rechner, der im Netzwerk mit der entsprechenden Software die Programme blockweise an eine oder mehrere unterschiedliche Steuerungen gleichzeitig übertragen kann. Jede dafür ausgelegte Steuerung lädt immer wieder automatisch soviel nach, das ein pausenloser Abarbeitungs-Betrieb der Maschine gewährleistet ist. Danach folgt der letzte Schliff von Hand, das Lackieren, die Montage der integrierten Beleuchtung und die Montage am Heck des Fahrzeugs.

Resümeé

Dem Designteam war es so möglich, innerhalb von 3 Wochen einen kompletten Heckspoiler zu entwickeln. Nach den ersten präsentierten Skizzen und Entwürfen über Verfolgung des Designprozesses via Internet konnte dem Kunden ein maßhaltiges Modell präsentiert werden. Dem Kunden war es so möglich in jeder Phase sein OK zu geben und am Modell endgültige Änderungswünsche zu besprechen. Nach den Anpassungen standen die Daten bereit, um sehr schnell und effektiv ein Formnest mit allen zugehörigen Formtrennungen und Schiebern abzuleiten. Der Herstellung der Formen, um den Spoiler zu schäumen, steht jetzt nichts mehr im Weg.

An diesem Beispiel sollte gezeigt werden, wie schnell und kostengünstig dieses neue Dienstleistungskonzept (time to market) den Weg von Entwicklung bis Musterteil oder auch Serienreife mit der richtigen Software wie SolidWorks und Mastercam und dem richtigen Partner beschritten werden kann. Unter kostengünstig ist der Anschaffungspreis der beschriebenen 3D-CAD- und CAM-Software und die zugehörige leistungsfähige Hardware für unter 25.000 € gemeint. Andererseits ist aber auch die Einarbeitungszeit nicht zu vernachlässigen. Hier ist die Zeit gemeint, die benötigt wird, um ein CAD- und/oder CAM-System für seine betrieblichen Anforderungen effektiv einsetzen zu können. Die hier beschriebenen Anwender nutzen diese Software seit 2 Monaten, waren aber nach einer zweitägigen SolidWorks-Schulung bereits nach einer Woche in der Lage, produktiv zu arbeiten und so die entstandenen Investitionskosten innerhalb kürzester Zeit zu erwirtschaften.