Neue Epoche im CAM

Seit der Einführung von Programmiersystemen werden Werkzeugbahnen immer auf der selben Strategie basierend generiert; Werkzeug-Durchmesser, seitliche Zustellung und Tiefenzustellung. Geometrien wie eine rechteckige Tasche zum Beispiel, werden maschinell durch gleichmäßige, äquidistante Werkzeugbahnen aufgeteilt und verschachtelt, bis zum Erreichen der angegebenen Dimensionen der Formgeometrie. Zahlreiche Programmiersysteme haben es versäumt, die hohe Leistungsfähigkeit und Programmierbarkeit von modernen CNC-gesteuerten Werkzeugmaschinen auszunutzen, ruckartige und unstetige Richtungswechsel der NC-Bahnen zu entfernen und somit eine konstante Werkzeugbelastung zu produzieren. Das Ergebnis war, dass bisher ein enormer Produktivitätsvorteil nicht genutzt wurde.

Wenn eine Werkzeugbewegung geradlinig und im Schnitt gesehen mit einer gleichbleibenden prozentualen seitlichen Zustellungstiefe verläuft, ändert sich der Werkzeugeingriffswinkel  (Tool-Engagement-Angle ¿  kurz TEA)  nicht und deshalb bleibt die Belastung am  Werkzeug kons-tant. Aber Werkzeugbahnen bestehen selten aus einer einzelnen geraden Linie. Sie enthalten in heutigen Produktdesigns eine Fülle von Ecken und Kurven. Jedes Mal, wenn das Werkzeug auf einen Radius oder eine konkave Ecke oder Kurve trifft, erhöht sich automatisch der Werkzeugeingriffswinkel. Dadurch erhöht sich der Materialabtrag, aber zusätzlich auch die Belastung auf das Werkzeug .
Werkzeugbahnen, die auf einer konstanten seitlichen Zustellung basieren, erzeugen während der Abarbeitung variierende Werkzeugeingriffswinkel  (TEA)  und somit variiert auch die Belastung am Werkzeug. Dies ist eindeutig eine fehlerhafte Strategie. Jedoch ist es die Grundlage der Werkzeugbahngenerierung, seitdem auf numerischer gesteuerten Maschinen gearbeitet wird. Programmierer respektive Maschinenbediener kompensieren diese Unterschiede in der Werkzeugbelastung durch Heruntersetzen der Geschwindigkeiten und Vorschübe über das ganze Teil. Damit wirken sie den erhöhten TEA entgegen, die inhärent zur Änderung der Richtung in den Werkzeugbahnen sind. Dies führt zu sehr vorsichtigen Einstellungen an der Maschine, was im weiteren  zu beträchtlich erhöhten Bearbeitungszeiten führt.
Eine weitere Fertigungsdynamik, die bisher im wesentlichen ignoriert wurde, ist die Einhaltung konstanter Vorschübe an der Maschine. Wenn die Fräserbahnen geradlinig verlaufen, ist der programmierte Maschinenvorschub am Werkzeug exakt dort, wo die Materialabtragung stattfindet. Der programmierte  Vorschub, der immer im Zentrum des Werkzeuges anliegt, ist somit immer gleich. Wenn das Werkzeug jedoch einen konkaven Radius passiert, steigt der Maschinenvorschub am Eingriffspunkt in Abhängigkeit der Werkzeugbahn und dem Werkzeugdurchmesser expotential an. Denken Sie an eine Autofahrt: Wenn Sie zum Beispiel eine Kurve fahren, legt das kurvenäußere Rad einen größeren Weg als das kurveninnere Rad zurück. Das heißt, somit ist die Geschwindigkeit des kurvenäußeren Rades höher als die des kurveninneren. Wenn der Werkzeugbahn-Radius  das Zweifache des Werkzeug-Radius beträgt, erhöht sich der Vorschub am Werkzeugeingriffspunkt um 50%. Wenn der Werkzeugbahn-Radius  dem Werkzeug-Radius gleich ist, erhöht sich der Vorschub am Werkzeugeingriffspunkt um 100%. Je kleiner der Werkzeugbahn-Radius ist, desto dramatischer steigt auch der Vorschubswert am Werkzeugeingriffspunkt.
Ein konkretes Beispiel: Wenn ein Werkzeug mit 12 mm Durchmesser, mit einem Vorschub von 7.500 mm/min fährt und damit einen konkaven Radius von 0,25 mm bearbeitet, steigt der Bearbeitungsvorschub am Werkzeugeingriffspunkt auf einen scheinbar unglaublichen Wert von 195.000 mm/min. Wird der Vorschub in diesem Fall nicht reduziert, kann dies zum Werkzeugbruch führen.
Könnten  Werkzeugbahnen  so generiert werden, dass ein stabiler Werkzeugeingriffswinkel  (TEA)  garantiert werden kann, würde daraus eine gleichbleibende Werkzeugbelastung resultieren und gleichzeitig die Verwendung von aggressiveren Bearbeitungsparametern ermöglicht werden (Vorschübe, Spindelgeschwindigkeiten, Frästiefen und seitliche Zustellung). Wenn diese Werkzeugbahnen zudem noch einen konstanten Vorschub an der Werkzeugschneide garantieren würden, könnten die Bearbeitungsparameter noch mehr gesteigert werden. Ebenso würde die Belastung der Werkzeugmaschine und des Werkzeuges verringert und somit die Lebensdauer und Standzeit drastisch verlängert.
In den zurück liegenden Jahren sind Bearbeitungsstrategien wie Trochoidal- und Morphing-Fräsen eingesetzt worden, um die negative Wirkung der oben beschriebenen Werkzeugüberlastung zu lindern oder Werkzeugbruch zu verhindern. Diese Strategien reduzieren sprunghafte Richtungsänderungen innerhalb der Werkzeugbahnen. Jedoch wurden mit diesen Strategien die Hauptziele wie, Reduzierung der Bearbeitungszeit, Verbesserung der  Oberfläche und Verlängerung der Standzeiten  verfehlt.
Bei der Trochoidal - Strategie  folgt das Werkzeug kleinen Radien, in den Bereichen, wo anderweitig das Werkzeug sonst vom Material umschlungen (hoher Werkzeugeingriffswinkel) würde. Ansonsten sind trochoidale Werkzeugbahnen äußerst wegintensiv durch das Hinzufügen kreisförmiger Bewegungen. Diese Bewegungen machen jeglichen Nutzen eines schnelleren Vorschubes und hoher Drehzahlen wieder zunichte. Denn die Realität ist, dass diese Strategie keine beträchtlich gesteigerten Vorschübe und Geschwindigkeiten zulässt. In der Tat verlangt eine Trochoidal-Strategie reduzierte Vorschübe und Geschwindigkeiten. Die Trochoidal-Strategie reduziert zwar sprunghafte Richtungsänderungen innerhalb der Werkzeugbahnen, aber unterstützt keinen konsistenten Werkzeugeingriffswinkel (TEA). Zuerst, wie zuvor erwähnt, nimmt der TEA bei einem konkaven Radius zu (je kleiner  dieser Radius, desto größer der TEA). Deshalb ist der praktische TEA in diesen kleinen Radiusbereichen viel höher, als man erwarten könnte. Zweitens macht der dramatisch hohe Vorschub an der Werkzeugschneide, der in diesen kleinen Radiusbereichen auftritt, es schwierig, den Spanfluss überhaupt  noch zu gewährleisten.
Morphing-Fräsen ist eine Abwandlung  spiralförmiger Werkzeugbahnen, die allmählich, von einer Bahngeometrie zur nächsten, ineinander übergehen. Da benachbarte Schritte dieser Methode nicht parallel sind, kann der TEA nicht konstant gehalten werden. In der Tat wird er absichtlich variiert, wobei natürlich die Werkzeugbelastung logischerweise auch variiert. In breiteren Bereichen der Teilgeometrie werden benachbarte Schritte weiter auseinander gedrückt, steigern somit den TEA und erzeugen dadurch auch höhere Beanspruchungen am Werkzeug. In engen Bereichen werden die Schritte enger "gequetscht". Der TEA wird dabei beträchtlich vermindert und erzwingt somit niedrigere Parameter am  Werkzeug und somit natürlich auch keine Minimierung der Gesamtlaufzeit.
Das Problem, den TEA effektiv zu verwalten, erfordert zur Lösung eine komplett andere Denkweise, außerhalb des Bereiches, den Softwarehersteller, Programmierer und Maschinenbediener bisher für sich geschaffen haben. Mit "Truemill" hat Surfware genau diese abweichende Denkweise in eine anwendbare Software umgesetzt.
Die mit der zum Patent angemeldeten TrueMill-Technik von Surfware Inc. generierten Werkzeugbahnen sind komplett abweichend von traditionellen Werkzeugbahnen  und haben, bis alles Material vollständig entfernt ist, auch keine Ähnlichkeit zu der Teilegeometrie. TrueMill-Werkzeugbahnen basieren auf einem Anwenderspezifischen TEA der, und das ist wichtig, nie überschritten wird. Die Werkzeugbahnen werden lediglich von der Teilegeometrie und Materialeigenschaften eingeschränkt. Der kontrollierte Werkzeugeingriff produziert eine konsistente Werkzeugbelastung völlig frei von Belastungsspitzen. Die Verwendung von aggressiveren Maschinenparametern stellt deshalb kein Problem mehr da und führt zu bedeutend reduzierten Bearbeitungszeiten. CNC-Maschinen waren und sind immer fähig diese neue Art der Bewegung zu fahren. Jedoch haben vorhandene Werkzeugbahn-Strategien das definitiv vorhandene  Potential der CNC- Maschinen bisher nie ausgenutzt.
Die von vorhandenen Werkzeugbahngeneratoren empfohlenen Vorschübe und Drehzahlen sind Ausgangswerte  und werden oft reduziert, um die unkontrollierbaren regelmäßig auftretenden Spitzen in der Werkzeugbelastung zu kompensieren. TrueMill-Werkzeugbahnen dagegen garantieren, dass die Werkzeugbelastung den eingestellten Maximalwert nie übersteigt, was in Folge zum Einsatz signifikant schnellerer Vorschübe führt. In allen bisher durchgeführten Praxistests in der Anwendung von Truemill (mit unterschiedlichen Werkzeugmaschinen, Werkzeugen und Werkstückmaterialien) konnte der empfohlene Vorschub pro Zahn durchschnittlich verdoppelt werden. Dabei war es im einzelnen sogar möglich, mit noch höheren Werten, abhängig von der Leistung und Fähigkeit der Werkzeugmaschine sowie der Werkzeuge und Halter, die verwendet wurden, zu arbeiten. Die Reduzierung der Maschinenlaufzeit lag teilweise bei bis zu 60% gegen-über der herkömmlichen Bearbeitung. Die Steigerungen sind in Verbindung mit größeren Zustelltiefen, höheren seitlichen Zustellungen, und in den meisten Fällen schnelleren Spindeldrehzahlen erreicht worden.
Wie funktioniert Truemill ?
Der Durchmesser des Werkzeuges und die eingegebene seitliche Zustellung werden als Grundlage verwendet, um den TEA zu berechnen. Andererseits kann der Benutzer den gewünschten TEA direkt eingeben. Während der Werkzeugbahngenerierung wird der angegebene TEA nie überschritten, so dass die Belastung des Werkzeuges den gewünschten Level nicht übersteigt. Das Resultat sind gleichbleibende Geschwindigkeiten (ohne Verzögerung und Beschleunigung) und Vorschübe, die überall auf der gesamten Werkzeugbahn, unabhängig von der Form der Teilgeometrie, gefahren werden. Die dynamische Steuerung der Vorschubswerte ist in TrueMill anhand der zum Patent angemeldeten neuen Logik eingebaut. 
Durch die spezielle Berechnung der Werkzeugbahn ist der programmierte Vorschub am Umfang des Werkzeuges, an dem der Materialeingriff stattfindet, konstant gewährleistet. TrueMill manipuliert also automatisch und dynamisch den programmierten Vorschub in der Art, dass die Vorschubswerte an der Werkzeugschneide konstant bleiben. Eine weitere Eigenschaft der neuen Technologie ist die Fähigkeit,  eine seitliche  Zustellung von mehr als 50% des Werkzeugdurchmessers zu programmieren, ohne Gefahr zu laufen, dass Inseln von Restmaterial am Ende noch stehen bleiben. Das Programmieren mit seitlichen Zustellungen von bis zu 100% des Werkzeugdurchmessers (oder dem Durchmesser der planen Schneide, im Falle von Schaftfräsern mit Schneidenradius) kann jetzt vertrauensvoll angewandt werden.
Durch Testschnitte an Hand einer rechteckigen Tasche kann der Benutzer die Kombination der Fertigungsparameter einmalig auf ein Maximum festlegen, um so eine optimale Abtragungsrate und Standzeit für ein bestimmtes Werkzeug zu erhalten. Damit können, bei wiederholter Bearbeitung des selben Materials mit diesem Werkzeug, die ermittelten Maximal-Parameter für Spindeldrehzahl, Vorschub, TEA und Zustellung verwendet werden; und das ohne Rücksicht auf die Komplexität der Teilegeometrie.  Als Ergebnis dieser maximalen Bearbeitungsparameter steigen Abtragungsraten, Werkzeuge halten länger und die Belastungen auf  Maschine und Spindel sind bedeutend niedriger und sanfter.
TrueMill, im Einsatz mit vorhandenen Maschinen, reduziert die Bearbeitungszeiten und steigert den Durchsatz um ein Beträchtliches. Investitionen in die Software werden mit einer höheren Abtragsleistung der CNC-Maschine belohnt und amortisieren sich schnell. Dadurch sinken die Stückkosten, die Lieferzeiten werden minimiert und der Gewinn in der Fertigung wird gesteigert.

www.3Dconcepts.de
www.surfware.com