Kosten und Zeiten minimieren

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1 CAD-PRAXIS Tebis im Modellbau bei BMW: Kosten und Zeiten minimieren ei den Automobilherstellern nimmt der Druck, die B Entwicklungszeiten und -kosten weiter zu reduzieren, immer mehr zu. Modernste Technologien und IT-Systeme werden eingesetzt, um die Prozessketten zu optimieren und einzelne Prozessschritte zu automatisieren. Auch im Modellbau, wo aus Design-Studien Anschauungsmodelle und Prototypen künftiger Automobile entstehen, haben computergesteuerte Maschinen und Software-Werkzeuge die konventionellen Fertigungstechniken und Hilfsmittel bereits in einem hohen Maße verdrängt. Durch die Einführung der CAD/CAM-Software Tebis konnte beispielsweise die Abteilung»Entwicklung Design«im Forschungs- und Ingenieurzentrum (FIZ) der BMW AG in München die Zeiten für die Anfertigung originalgetreuer Modelle neuer BMW- Fahrzeugtypen drastisch reduzieren.

2 Der Bereich»Entwicklung Design«von BMW entschloss sich im Jahre 1996, das CAD/CAM-System Tebis vom gleichnamigen Hersteller aus Gräfelfing bei München einzusetzen, nachdem in den Jahren 1990 bis 1995 bei der Verwendung des über fünf Jahre produktiv eingesetzten Vorgängersystems insbesondere im Bereich der Punktewolkenverarbeitung mit nachfolgender NC-Bearbeitung immer mehr Probleme auftraten. Ziel war es daher, das bestehende NC-Programmiersystem durch eine moderne CAD/CAM- Software abzulösen. Diese sollte sowohl bei der Verarbeitung von Punktewolken als auch bei der Erstellung von NC-Programmen auf der Basis von Netzen und CAD-Flächen für das Fräsen originalgetreuer Fahrzeugmodelle die gestiegenen Anforderungen im Modell- und Prototypenbau bei BMW erfüllen. Da die Software von Tebis damals bereits in anderen Unternehmensbereichen der BMW AG erfolgreich im Einsatz war, wurde beschlossen, im Rahmen eines zirka sechsmonatigen Tests detailliert zu Der neue BMW Z8 besticht durch sein modernes Design (Bilder: BMW AG, München).

3 ANWENDERBERICHT untersuchen, ob sich Tebis auch für den Einsatz im Bereich»Entwicklung Design«eignen würde. Das bei BMW in der Konstruktion und Entwicklung eingesetzte CAD/ CAM-System CATIA fand keine Berücksichtigung, weil sich die Funktionalitäten dieser Software im Bereich der Punktewolkenverarbeitung zu jener Zeit noch in der Entwicklung befanden. Gemäß den Anforderungen der Abteilung»Entwicklung Design«bildeten die Software-Funktionen zur 3-Achs- und 5-Achs-NC-Programmierung sowie zur Abtastdatenverarbeitung und Flächenrückführung die Schwerpunkte des Benchmarks. Tebis ist seit Mitte 1996 im Modellbau bei BMW im Einsatz Nach rund 600 Teststunden kamen die BMW-Verantwortlichen zu dem Ergebnis, dass der Modellbau mit Tebis das ideale System erhalten würde, um die dort anfallenden Aufgaben besser bewältigen und die Zeiten für die Modellherstellung erheblich senken zu können. Die Einführung von Tebis erfolgte schließlich Mitte Seit Anfang dieses Jahres ist Tebis 3.1, Release 9, im Einsatz.»Zu Beginn haben wir Tebis auf Maschinen von Silicon Graphics unter dem Betriebssystem Irix eingesetzt«, berichtet Stefan Ruscha, der das Benchmarking der Tebis-Software zusammen mit seinem Kollegen Walter Lindner, Leiter 3D-Formerfassung, CAD/CAM und NC-Technik im Bereich»Entwicklung Design«, durchgeführt hatte.»vor zwei Jahren haben wir die Hardware auf PCs umgestellt, als Tebis eine Windows-NT-Version der Software auf den Markt brachte«, fügt Stefan Ruscha hinzu. Für die Anwender sei dies sehr vorteilhaft gewesen, da sie seitdem an ihrem CAD/CAM-Arbeitsplatz auch Office-Applikationen einsetzen konnten, um beispielsweise Dokumentations- oder jegliche Art von organisatorischen Aufgaben zu erledigen. Jeder Mitarbeiter habe heute einen Rechner, an dem er alle Tätigkeiten ausführen könne, angefangen beim Datentransfer über die NC- Programmierung und Dokumentation mit Hilfe von Office-Anwendungen bis hin zur Datenarchivierung. Das Ziel der Modellbauer bei BMW ist es, ein originalgetreues Modell eines neuen Fahrzeugtypen herzustellen, so dass die Nachbildung optisch nicht mehr von einem echten PKW unterschieden werden kann. Eine bis ins Detail nachgeahmte Lackierung des aus Ton (Clay) oder aus Polyurethanschaum hergestellten Modelles sorgt für einen perfekten optischen Eindruck. Selbst die Scheiben, Schweinwerfer, Stoßfänger, Zierleisten und Felgen werden so detailgetreu modelliert und in das gefräste Modell eingesetzt, dass lediglich ein Fachmann erkennen kann, ob es sich um ein echtes Fahrzeug oder nur um ein»modell«handelt. Bild 1: Häufig bilden CAD-Daten aus der Entwicklung und Konstruktion die Grundlage für die NC-Programmierung. Sie werden in der Regel als VDAFSoder IGES-Datensätze zur Verfügung gestellt und in die Tebis-Software eingelesen (Bild: BMW AG, München). Bild 2: Nachdem geklärt wurde, in welcher Größe und aus welchem Werkstoff das betreffende Modell hergestellt werden soll, kann die NC-Programmierung erfolgen. Nach Abschluss der Programmierung lässt sich die Bearbeitung simulieren (Bild: BMW AG, München). 42 CAD-CAM REPORT Nr. 4, 2000

4 ANWENDERBERICHT Die Eingangsdaten für die NC- Programmerstellung erhalten die Modellbauer zum einen von den Designern und Formgestaltern, die mit Hilfe der Software Studio von Alias-Wavefront das Design des Fahrzeuges in Form von Flächenmodellen beschreiben. Zum anderen können auch CAD-Daten aus der Entwicklung und Konstruktion die Grundlage bilden, wenn beispielsweise ein bestehender Fahrzeugtyp durch Modifikationen an der Karosserieform ein moderneres Gesicht erhalten soll. In der Regel werden diese Eingangsdaten als VDAFS- oder IGES-Datensätze angeliefert und in die Tebis-Software eingelesen. Die meisten Modelle werden im Maßstab 1:1 originalgetreu hergestellt»bevor mit der NC-Programmierung begonnen werden kann, muss zunächst geklärt werden, für welchen Zweck das Modell erstellt werden soll«, erläutert Stefan Ruscha die Vorgehensweise. Hier werde beispielsweise festgelegt, ob das Modell im Maßstab 1:1 oder kleiner anzufertigen ist und welcher Werkstoff zum Einsatz kommen soll, beispielsweise Ton (Clay) oder Polyurethanschaum. Nachdem diese Abstimmung erfolgt ist, werden zunächst Schrupp- Fräsprogramme erzeugt, die dazu dienen, das Material zunächst einmal grob zu entfernen. Anschließend erfolgt die Erstellung von Schlichtprogrammen für die Feinbearbeitung der zuvor durch das Schruppen erzeugten Oberflächen. Mit Hilfe eines speziellen Modules Bild 3: Für die Umsetzung von Punktewolken in Flächen und entsprechende NC- Programme setzen die BMW- Mitarbeiter das Scan-Modul der Tebis-Software ein (Bild: BMW AG, München). der Tebis-Software für die Restmaterialbearbeitung werden schließlich Programme erzeugt, die das nach dem Schlichten noch vorhandene Restmaterial abtragen.»in der Regel erstellen wir 3- Achs-Fräsprogramme, da dies einfacher und schneller ist als die 5- Achs-Programmierung«, betont Stefan Ruscha.»Wir könnten zwar durch eine 5-Achs-Programmierung die Fräszeiten noch weiter reduzieren, denn das Werkzeug muss in diesem Fall weniger Bahnen abarbeiten. Die 5-Achs-Programmierung lässt sich aber nicht durchgehend bei allen Flächen anwenden.«beim 3- Achs-Fräsen einer typischen Fahrzeugkarosserieform könne der Kugelfräser unter verschiedenen Anstellwinkeln jeden Punkt optimal erreichen, daher sei hier eine 5-Achs- Bearbeitung nicht notwendig. Sie werde nur dann angewendet, wenn zum Beispiel Tiefziehformen für die Bild 4: Das Tebis-Scan-Modul kann nicht nur Punktewolken und Netze verarbeiten, sondern stellt auch Funktionen zur Verfügung, mit denen sich die Messdaten optimieren lassen (Bild: BMW AG, München). Anfertigung der in das Modell einzusetzenden Plexiglasscheiben ausgearbeitet werden müssen oder wenn es darauf ankommt, dass sich das Werkzeug exakt entlang der Form bewegt, das heißt, die Werkzeugachse bei der Bearbeitung stets flächennormal orientiert ist.»wenn zum Beispiel das Modell eines Daches gefräst werden soll, muss der NC- Programmierer sich nicht nur über den eigentlichen Fräsvorgang Gedanken machen, sondern auch konstruktive Ergänzungen oder Änderungen vornehmen, damit sich das Dach, dessen Außen- und Innenseite gefräst wird, gut umspannen lässt. Da die Tebis-Software mit leistungsfähigen Modulen zur 3D-Konstruktion und erweiterten Flächenkonstruktion ausgestattet ist, kann der Anwender auch diese Arbeiten mit dem System optimal erledigen und sehr einfach und schnell Auflage- und Spannflächen hinzukonstruieren«, erläutert Walter Lindner. Derzeit werden im Modellbau bei BMW für das Fräsen der Modelle Werkzeugmaschinen der Firma Jobs mit Steuerungen von Fidia eingesetzt. Damit die Steuerungen die NC-Daten verarbeiten können, werden die NC-Programme nach ihrer Fertigstellung über die Tebis-Postprozessoren für das 3- Achs- beziehungsweise 5-Achs- Fräsen in das Fidia-Steuerungsfor- CAD-CAM REPORT Nr. 4,

5 mat umgewandelt und auf dem zentralen Server abgelegt. Steht ein Modell zur Bearbeitung an, so greift der Maschinenbediener über das Netzwerk auf den Server zu und kopiert sich die jeweiligen NC-Programme auf seinen Arbeitsplatz an der Werkzeugmaschine. Zusätzlich erhält er eine genaue Dokumentation, in der die einzelnen Fräsprogramme sowie die Werkzeuge und deren Anstellwinkel in bestimmten Fräsbereichen beschrieben sind. Außerdem wird eine Skizze mitgeliefert, in der beispielsweise der Werkstücknullpunkt eingezeichnet ist. Um sich einen Überblick über das Programm zu verschaffen und zum Beispiel die Verfahrwege noch einmal kontrollieren zu können, hat der Maschinenbediener an der Steuerung auch die Möglichkeit, das NC- Programm zu visualisieren. Die NC-Programme bestehen in der Regel aus mehreren Programmteilen. Beispielsweise werden größere Bereiche des Fahrzeugmodelles, die mit einem Werkzeug unter einem festen Anstellwinkel auf einmal abgearbeitet werden können, zu solchen Programmteilen zusammengefasst. Beispiele für derartige Bereiche sind die Frontklappe, der Frontbereich des Fahrzeuges, die vorderen und hinteren Seitenwände sowie das Dach, wobei die Vorbearbeitung meistens unter Einsatz eines Fräsers mit 32 Millimetern Durchmesser erfolgt. Danach noch vorhandenes Material wird anschließend mit kleineren Werkzeugen entfernt. Ist die Fräsbearbeitung abgeschlossen, werden eventuelle Grate beseitigt und die Oberfläche»gefinished«. Anschließend kann das Anbringen der Einbau- und Anbauteile Die von Tebis verarbeiteten Netze lassen sich auch schattiert ausgeben (Bild: BMW AG, München). wie Scheiben, Stoßfänger, Schweller und Scheinwerfer erfolgen. Die Erstellung von NC-Programmen auf der Basis von Flächenmodellen, die von den Designern oder von den CAD-Konstrukteuren vorgegeben werden, ist aber nur ein Anwendungsgebiet der Tebis-Software. Denn häufig müssen bereits vorhandene Design-Modelle, die beispielsweise von Hand erstellt wurden und von denen daher noch keine CAD-Daten vorliegen, mit optischen Meßsystemen abgetastet und digitalisiert werden, um aufbauend auf diesen Daten CAD-Flächenmodelle, Schnitte oder NC- Programme zu erstellen. Ein spezielles Tebis- Modul leistet Hilfe bei der Scandatenverarbeitung Umfassende Unterstützung erhalten die Anwender der Tebis-Software auch hier, denn mit Hilfe des Modules zur Scandatenverarbeitung können Digitalisierdaten in Form von Punktewolken verarbeitet Tebis-Netze werden wie CAD-Elemente behandelt. Sie können beispielsweise mit Polynomflächen verschnitten werden (Bild: Tebis AG, Gräfelfing). und in Netze umgerechnet werden. Diese lassen sich einerseits ideal für die NC-Programmierung nutzen, andererseits kann damit in einem sehr früher Stadium bereits ein repräsentativer Datensatz an die Entwicklung und Konstruktion weitergeleitet werden. Basierend auf den Tebis-Netzen lassen sich somit frühzeitig Analysen durchführen, wie Strömungsuntersuchungen oder Festigkeits- und Einbauanalysen. Der Tebis-Anwender kann beliebige Flächen-, Volumen- und Netzdaten, beispielsweise im CATIA- Direkt- oder im STL-Format (Stereo- Lithografie) einlesen oder selbst erzeugen und diese Daten beliebig miteinander kombinieren. Aufbauend auf diesen»mischdaten«lassen sich alle Arten von NC-Programmen erzeugen, angefangen bei Schrupp- über Schlicht- oder Restmaterialbearbeitungsprogrammen bis hin zu Programmen für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSC = High Speed Cutting). Das Tebis-Scan-Modul ist nicht nur in der Lage, Punktewolken und Netze einzulesen und zu verarbeiten, sondern es bietet zum Beispiel auch Funktionen, mit denen sich»ausreißer«in den Punktewolken herausfiltern und die Messdaten glätten lassen. Außerdem können nicht erfasste Bereiche wie Löcher in der Oberfläche oder Messlücken gefüllt werden. Von einem so gereinigten und optimierten Netz werden mit Hilfe der Tebis-Software häufig auch Schnitte generiert, auf deren Basis beispielsweise die CAD-Konstruktionsabteilung Voruntersuchungen durchführen oder mit der Detailkonstruktion der Karosserie beginnen kann.»dank des optimalen Zusammenspiels der optischen Meßsysteme 44 CAD-CAM REPORT Nr. 4, 2000

6 ANWENDERBERICHT mit der Tebis-Software können wir heute in einer wesentlich kürzeren Zeit als früher ein komplettes Fahrzeugmodell digitalisieren sowie CAD-Modelle und NC-Programme generieren. Die einzelnen Messpunkte werden mit Hilfe des Scan- Modules einfach zu Dreiecksflächen vernetzt, so dass als Ergebnis Oberflächen vorliegen, für die anschließend die NC-Fräsbahnen ohne Umwege generiert werden können«, bemerkt Stefan Ruscha. Dabei kann über Toleranzeinstellungen die Auflösung der Dreiecksnetze vorgegeben werden, so dass auf der erzeugten Bauteiloberfläche später keinerlei Facettierung zu erkennen ist. Dementsprechend ist der Aufwand für die manuelle Nacharbeit gering. Vor etwa sechs Jahren seien zwei Mitarbeiter rund zwei Wochen lang damit beschäftigt gewesen, die Außenform eines Fahrzeugmodelles komplett zu digitalisieren und die Abtastdaten zu verarbeiten. Mit den optischen Messsystemen und der Tebis-Software könne ein Mitarbeiter diese Aufgabe heute in nur 40 Stunden alleine erledigen. Die Funktionsvielfalt des Programmes, angefangen bei den Schnittstellen für das Einlesen von Fremddaten über die CAD-Konstruktions- und NC-Programmier- Funktionalitäten bis hin zur Scandatenverarbeitung und Datenausgabe in unterschiedlichen Formaten, mache die Software zum idealen Werkzeug für den Modellbau bei BMW. Das Programm sei zudem sehr leicht zu bedienen und schnell erlernbar. Trotz ihrer Funktionsfülle ist die Software leicht zu bedienen und zu erlernen Vor dem Einsatz unterzog Stefan Ruscha die Tebis-Software gemeinsam mit seinem Kollegen Walter Lindner einem ausführlichen Systemtest (Bild: BMW AG, München).»Das Verständnis des Design-Prozesses ist das eine, die Beherrschung des Prozesses das andere. Die Firma Tebis kann beides«, betont Walter Lindner. Dank der übersichtlichen Menüs finde sich auch ein ungeübter Anwender in kürzester Zeit zurecht. Als die Tebis-Software eingeführt worden war, seien manche Kollegen dem neuen Werkzeug noch sehr skeptisch gegenüber gestanden. Oft sei die Frage gestellt worden, wozu eine neue CAD/CAM-Software notwendig sei, da das alte System doch immerhin fünf Jahre lang gute Dienste getan hatte. Heute sei jedoch jeder Anwender froh über die Umstellung auf Tebis. Den Anwendern mache die Arbeit mit dem System regelrecht Spaß und jede Funktionalität würde ausgereizt. Entscheidend für den erfolgreichen Einsatz einer im High-End-Bereich angesiedelten Software wie Tebis sei es, dass der Software-Lieferant beziehungsweise -Hersteller umfassende Hilfe und Support biete und offen sei für die Umsetzung neuer Anforderungen, die sich oft erst im praktischen Einsatz eines Programmes ergeben.»wir sind diesbezüglich mit der Zusammenarbeit und mit der Unterstützung durch die Firma Tebis sehr zufrieden«, betont Walter Lindner.»Für Verbesserungswünsche finden wir jederzeit ein offenes Ohr. Viele neue Anforderungen unsererseits fließen in neue Releases ein, so dass auch andere Anwenderfirmen davon profitieren können.«hervorzuheben sei auch, dass die Software sehr stabil laufe. Natürlich komme es hier und da einmal vor, dass ein Fehler auftrete, beispielsweise unmittelbar nach einem Release-Wechsel. Die Anwender würden in einem solchen Fall aber sofort umfangreichen Support seitens Tebis erhalten.»eine Lösung des jeweiligen Problemes«, so Walter Lindner,»hat die Hotline in der Regel nach wenigen Minuten parat.«-fu- CAD-CAM REPORT Nr. 4,