Von der Idee bis zum Frästeil

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1 CAD / CAM im Modellbau 126 Ikarus und Dädalus gelten gemäß der griechischen Mythologie als die ersten Flieger Von der Idee bis zum Frästeil Jochen Zimmermann Die Technische Zeichnung ist bei unserem hobby modellbau ebenso die Grundlage für die Fertigung wie in der industrie. Dort ist bei der Konstruktion (cad) und der herstellung von Bauteilen (cam) der einsatz von computer und nc-maschine längst Standard. Die heutigen möglichkeiten von cad/cam im modellbau aufzuzeigen ist inhalt dieses dreiteiligen Workshops.als Übungssoftware steht eine FmT-Sonderedition der deutschen cad-software megacad zum Download (30-Tage-Testversion) zur Verfügung. Historisches Seitdem Menschen etwas gebaut haben, hatten sie sich zuvor durch Skizzen und Pläne eine Übersicht über das Projekt verschafft. Schon aus frühen Kulturen sind neben Darstellungen des täglichen Lebens auch detaillierte Konstruktionszeichnungen von technischen Dingen erhalten. Während ich bei dem Wandbild aus Ägypten etwas nachhelfen musste J, um den Bezug zur Fliegerei zu bekommen, haben Ikarus und Dädalus sicherlich eine Menge konstruiert, bevor sie mit dem Bau ihrer Flügel begonnen haben. Nur leider ist von diesen Unterlagen nichts mehr erhalten. Zudem ist ja auch nicht so ganz eindeutig geklärt, ob die Sache mit dem geplanten Flug

2 Die 3-Tafel-Projektion beschreibt Bauteile durch mehrere Ansichten. Hohlräume oder Hinterschnitte werden zusätzlich durch Schnitte beschrieben. Die Isometrie vermittelt zusätzlich ein plastisches Bild. Leonardo da Vinci gilt als Wegbereiter der technischen Dokumentation und Konstruktion Vektoren (links) behandeln Geometrien als Ganzes während Pixelprogramme Punkte darstellen (rechts), die keinen funktionellen Zusammenhang haben CAD Die Technik Beim Umgang mit grafischen Informationen in Softwareprogrammen können prinzipiell zwei gegensätzliche Techniken zum Einsatz kommen, die hier erklärt werden müssen. Man unterscheidet zwischen Pixel-orientierter und Vektororientierter Arbeitsweise. Der Begriff Pixel bezeichnet in der Informationstechnik einen Punkt (dot) als kleinste darstellbare Größe. Diese kann sich auf die physikalische Darstellbarkeit im Sinne der Auflösung am Bildschirm, Drucker oder Scanner beziehen oder auch auf die Feinheit, mit der eine Software intern die Darstellung von Grafiken berechnet. Schnell wird klar, dass diese Auflösung immer endlich ist, d. h. egal wie fein hier berechnet wird, es ergibt sich bei der Darstellung von schrägen Linien oder Bögen immer eine mehr oder weniger sichtbare Stufigkeit. von Kreta aufs Festland damals genau so stattgefunden hat. Leonardo da Vincis Ideen und Versuche sind keinesfalls sagenumwoben und für die Fliegerei sicherlich bahnbrechend. Hätten zu seiner Zeit die technischen Möglichkeiten, speziell die passenden Werkstoffe zur Verfügung gestanden, so hätte die Geschichte der Fliegerei vielleicht mehrere Jahrhunderte früher begonnen. Die überlieferten Dokumente enthalten die wesentlichen Merkmale von Konstruktionszeichnungen, wie sie auch heute noch erstellt werden: Darstellung in mehreren Ansichten (Draufsicht, Seiten- und Vorderansicht, Schnitt) sowie der Perspektive zur besseren Verständlichkeit. Im Rahmen der Industrialisierung wurden Ende des 19. Jahrhunderts Konventionen für die Zeichnungserstellung festgelegt. Diese wurden in Normen auf nationaler und internationaler Ebene bis heute weiterentwickelt. Arbeitsmittel für Planung und Konstruktion war viele Jahrzehnte lang das Zeichenbrett. Dieses wurde mit der Entwicklung der Rechentechnik von CAD-Programmen nach und nach abgelöst. Der Begriff CAD kommt wie so vieles rund um Computer aus dem Englischen und bedeutet Computer Aided Design, also Computer unterstütztes Zeichnen. Anfangs waren die Berechnungen in CAD-Programmen nur von leistungsfähigen Großrechnern zu beherrschen, weswegen für die rechnergestützte Konstruktion in der Regel die Anbindung an ein Rechenzentrum benötigt wurde. Auch die später folgende Mittlere Datentechnik mit UNIX als Betriebssystem war im Handling recht aufwändig und kostenintensiv. Damit war der Einsatz von CAD automatisch auf Großfirmen beschränkt. Mit der Entwicklung des PC unter DOS waren die Weichen für die Nutzung von CAD auf breiter Basis gestellt. Die ersten Systeme fanden Mitte der 80er Jahre ihren Einzug in die Konstruktionsabteilungen von Unternehmen und in Ingenieurbüros. Mit wachsender Rechenleistung des PC und mit großen Anstrengungen seitens der Softwarehersteller zur einfacheren Bedienung der CAD- Systeme ist heute die Konstruktion und Planerstellung am Bildschirm- Arbeitspatz in Unternehmen zum Standard geworden. Die Vereinheitlichung von Bedienweisen durch Windows und die Umstellung auf grafische Benutzeroberflächen in den Software- Programmen erlauben heute auch Gelegenheitsanwendern den Einsatz von CAD. Die hier vorgestellte deutsche CAD-Software MegaCAD hat diese Entwicklung seit Ende der 80er Jahre entscheidend beeinflusst. 127

3 128 Hierzu ein Beispiel: Ein Foto, von einer modernen Digitalkamera mit 6 Megapixel aufgenommen besteht aus Bildpunkten. Wenn Sie diese Fotografie auf einem guten Monitor mit einer Auflösung von (horizontal) (vertikal) betrachten, kann das Bild in seiner wahren Qualität nur Abschnittsweise dargestellt werden. Wollen Sie die Fotografie komplett sehen, muss der Bildschirm interpolieren. Dieses Zusammenfassen von mehreren Bildpunkten zu einem führt unweigerlich zu einer Verschlechterung der Darstellungsgüte. Vektoren dieser Begriff ist vielleicht dem einen oder anderen noch aus der Schulzeit bekannt sind dagegen eine mathematische Berechnungsmethode. Es werden Elemente wie Linien, Kreise oder Bögen definiert, die durch wenige Bestimmungswerte zu beschreiben sind. Die Grafik soll hier die Technik veranschaulichen. Die Linie links ist durch die Angabe der Punkte A1 und B1, d. h. durch die Vektoren vom Nullpunkt des Koordinatensystems zum Anfangs- bzw. Endpunkt der Linie eindeutig definiert. Hinzu kommt die Information, dass es eine Gerade sein soll, die zusätzlich durch mehrere Attribute näher beschrieben ist. Diese Attribute sind die Linienart (ausgezogen oder gestrichelt), die Linienstärke, die Farbe oder die Zugehörigkeit zu einem Layer (Ebene). Gleiches Der Varioprop: Design, technische Konstruktion und Fertigung mit MegaCAD und MegaNC gilt für den Kreisbogen. Aus den Punkten A2 und B2 ergibt sich über den Kreismittelpunkt MP2 automatisch der Radius und die Bogenlänge. Damit ist es zu erklären, dass bei der Darstellung durch Vektoren die abgebildete Grafik durch zwei einfache Textzeilen zur Definition der Linie und des Bogens als Datensatz gespeichert werden kann. Die Information dagegen, die die Pixelgrafik rechts beschreibt, besteht aus 40 40=1.600 Einzel- Wiederkehrende Bauteile oder Konstruktionshilfen können aus Bibliotheken geladen werden. Diese Sammlungen können beliebig erweitert oder angepasst werden. entscheidungen, ob das Kästchen (Pixel, dot) weiß oder schwarz ist. Mit dieser Datenmenge ist aber erst diese grobe Darstellung erfasst. Soll die Linie weniger stufig und dünner beschrieben werden, wächst die Datenmenge schnell ins Unermessliche. Unser Beispiel ging jetzt von einer schwarz-weißen Grafik aus. Was muss der arme PC erst für eine Menge abspeichern, wenn noch die üblichen 16,7 Millionen Farben (32 bit Farbtiefe), die jeder einzelne Punkt haben kann, hinzukommen! Während der Arbeit an einer Konstruktion werden ständig die gezeichneten Linien oder Kreise mit anderen bzw. neu hinzu kommenden Zeichnungselementen in Beziehung gebracht. So können beispiels-weise Schnittpunkte ermittelt oder Elemente verlängert oder gekürzt werden. Die Vektorrechnung die auf geometrischen Grundlagen aufbaut kann dies leisten. In der Pixelgrafik im rechten Bild hingegen wissen zwei benachbarte Punkte nicht, dass sie zur gleichen Linie gehören! Für den dummen PC handelt es sich hier einfach um eine wahllose Menge von weißen oder schwarzen Punkten. Dass wir diese eindeutig als eine Linie oder Animation einer Bewegung: Darstellung des einund ausgefederten Fahrwerks einer Catalina und Phasen des Einziehvorganges (Konstruktion: Technik und Design Ramoser; Animation: 4CAM GmbH) einen Kreisbogen interpretieren, ist nur der wunderbaren Kombination aus Sinneswahrnehmung und Intelligenz des Menschen zu verdanken. Damit erkennt man, dass die Präzision und die Schnelligkeit in der Berechnung und Darstellung von technischen Zeichnungen am PC (CAD) nur mit der Vektorgrafik erreicht werden können. Die bisherigen Erläuterungen haben sich auf die 2-dimensionale Zeichnung bezogen. Im 3D, auf das wir hier nur am Rande eingehen wollen, kommt in der CAD-Software noch die Mengenlehre hinzu (keine Angst, diese ist hier sehr schön verpackt und leicht verständlich). Damit lassen sich plastische Objekte und deren Lage im Raum beschreiben. Aus dem 3D-Modell lassen sich dann beliebige Ansichten und Schnittdarstellungen ableiten, die letztlich als Werkstattzeichnung bzw. Datensatz die Grundlage für die handwerkliche oder NC-gestützte Fertigung darstellen. Nichts mehr doppelt machen Neben der Präzision von Konstruktionen, die mit CAD möglich ist gibt es natürlich noch weitere entscheidende Gründe für den Einsatz

4 MegaNC-Eingabemaske für die Technologie Kontur: Werkzeugdaten und Bearbeitungsparameter werden mit CAD-Daten verbunden CNC-Fräse KOSY in Aktion hier entstehen Rippen einer Nemere der Software. Ein gewichtiges Argument ist sicherlich die Tatsache, dass man das beinahe unendliche Gedächtnis des PC nutzt, um immer wiederkehrende Arbeiten zu vereinfachen. Teile die einmal gezeichnet sind, werden als Baugruppen abgelegt und stehen dann per Mausklick jederzeit für einen weiteren Einsatz zur Verfügung. Gleiches gilt für Normteile (Schrauben, Stifte, etc.) oder Komponenten. Herstellerkataloge stehen teilweise in Symbolbibliotheken zur Verfügung oder sind gleich in die Software integriert. Gleichzeitig können eigene Archive angelegt und gepflegt werden. Ausstattung Lange galt CAD als teuer, schwer zu bedienen und hardware-hungrig. Das trifft nicht für MegaCAD zu. Auf einem handelsüblichen PC, der auch gerne ein paar Jahre auf dem Buckel haben darf ist die 2D-Version problemlos zu betreiben. Für den 3D-Einsatz gibt die Herstellerfirma MegaTech Software GmbH eine Mindestanforderung von 500 MHz CPU bei 256 MB Arbeitsspeicher an. Bei großen Projekten und bei der Modellierung von Freiformflächen darf es dann gerne auch mehr Leistung sein. Vorbei sind die Zeiten, wo man für den CAD-Einsatz zwei Monitore und ein Tablett benötigte. Die heutigen Programme werden über grafische Menüs mit der Maus bedient. Hinzu kommen Hotkeys (Schnelltasten auf der Tastatur zum Aufruf von Funktionen), die die Arbeit erheblich beschleunigen. Der Monitor (Röhre oder TFT) kann natürlich wie bei anderen Programmen auch nicht groß genug sein. Ab 17 Zoll Bildschirmdiagonale kann man aber schon recht gut arbeiten. Beispiele aus der Praxis Der erst kürzlich in der FMT vorgestellte Verstellpropeller Varioprop aus dem Hause Technik und Design Ramoser soll hier als Referenz für einen erfolgreichen Einsatz von CAD in der Modelltechnik stehen. Die Konstruktion der Propellerblätter sowie der Naben und des gesamten Innenlebens des Props wurden auf der Vollversion von MegaCAD durchgeführt. Die Konstruktionsdaten dienen dabei nicht nur für die Ableitung der mittels CNC-Technik gefertigten Werkzeuge. Zusätzlich stehen die 3D-CAD-Daten für das Marketing zur Verfügung. Prospekte und der Internetauftritt können damit schon mit Bildmaterial bestückt werden, bevor die erste Form hergestellt ist. Als die Bilder laufen lernten Neben der rein bildlichen Darstellung von Konstruktionen finden 3D-Daten eine weitere sinnvolle Verwendung in der Simulation von Bewegungsabläufen. Die folgende Abbildung zeigt das Fahrwerk einer Catalina (Konstruktion: Ramoser Technik und Design, Animation: 4CAM GmbH). Die Lagerpunkte von Fahrwerksschwinge und Kniestrebe und deren Geometrie sind entscheidend für einen korrekten Einziehvorgang. Im Softwaremodul Kinematik kann die Bewegung durch die Definition von Dreh- oder Verschiebeachsen virtuell erprobt und der Einbausituation angepasst werden. Daten für die Fertigung Betrachten wir nun eine weitere Möglichkeit der Verwendung der CAD-Daten. Der sich anschließende Schritt hin zur Fertigung steht unter dem Begriff CAM (Computer Aided Manufacturing). Die industriellen Herstellungsverfahren sind dabei vielfältig. Fräsen, Drehen, Lasern, Brennschneiden oder Stanzen stehen für die Herstellung von Bauteilen aus Halbzeugen wie Klötzen, Rundmaterial oder Blech. Es müssen aber auch die inzwischen etablierten Verfahren aus dem Bereich des Rapid Prototyping genannt werden. Bei der Stereolithographie, dem FDM (Fused Deposition Modelling) oder dem Lasersintern werden Bauteile beliebiger Geometrie hergestellt. Dabei wird in einer mit flüssigem Kunstharz gefüllten Wanne der Kunststoff per Laser punktuell gehärtet und so schichtweise das 3D-Modell aufgebaut (Stereolithographie). Das FDM arbeitet wie eine High-Tech-Klebepistole, indem es auch Schicht für Schicht feinste Kunststoffbahnen aufbringt und so einen Prototypen aus Polyamid oder Polycarbonat entstehen lässt. Dieser hat bereits annähernd die Werkstoffeigenschaften des späteren Serienbauteils. MegaNC und KOSY Für den Modellbau ist sicherlich das Fräsen die interessanteste und praktikabelste Methode, um von der Zeichnung zum Bauteil zu kommen. Im Folgenden und in den beiden Praxisteilen dieses Workshops will ich die Begriffe und Arbeitsschritte am Beispiel von MegaNC, einer CAM-Erweiterung für MegaCAD und der Fräsmaschine KOSY erläutern. Die Vorgehensweise ist natürlich weitgehend auf andere Produkte übertragbar. Wie kommt nun eine Fräsmaschine dazu, die Ergebnisse meiner Konstruktionsarbeit herzustellen? Der Weg zum Bauteil benötigt ab hier noch folgende Schritte: 1. den Zeichenelementen Technologiedaten zuweisen 2. ÜbersetzenderFräsbefehlein die geeignete Maschinensprache durch den Postprozessor der Software 3. Einrichten des Werkstükkes auf dem Maschinentisch 4. Starten der DNC-Übertragung Unter Technologiedaten versteht man einen Satz von Anweisungen, der beschreibt wie das CAD- Element (Linie, Bogen, 3D-Körper, ) bearbeitet werden soll. Die wichtigsten Parameter die bestimmt werden müssen sind: Durchmesser und Form des Fräsers, Drehzahl und Vorschub (wie schnell soll im Werkstück gefahren werden), Bahnkorrektur (auf der Linie, recht oder links davon), Frästiefe und die Zustellung (wie tief darf das Werkzeug auf einmal eintauchen). In der Werkzeugbibliothek lassen sich Fräser oder Bohrer einrichten. Diesen wird neben ihren Geometriedaten auch ein Vorgabewert für die Vorschübe und falls in der Steuerung möglich die Drehzahl zugewiesen. Somit können die 129

5 130 Werkzeuge gleich passend zu den Werkstoffen vorgewählt werden. Bei den Werten für die Bearbeitung beeinflusst natürlich die Erfahrung des Anwenders im Umgang mit der Materie unmittelbar die Lebensdauer des Fräsers. Wer sich hier mit dem Grundsatz von den kleinen Werten zu den großen an das Optimum herantastet, wird sicher keinen Schiffbruch erleiden. Neben der Technologie Kontur stehen die Taschenbearbeitung, Bohrungen, 3D-Körper und sogar steuerungsspezifische Zyklen zur Verfügung. Der Postprozessor ist ein Programmteil das im Hintergrund werkelt. Passend zur Steuerung der anzusprechenden Maschine werden die Technologiedaten in Maschinencode (G-Code) übersetzt. Ist die An-lage einmal richtig konfiguriert bekommt der Anwender gar nichts von diesem wichtigen Arbeitsschritt mit. Die Software MegaNC ist so ausgelegt, dass sie sich an beliebige Steuerungen anpasst. Das NC-Programm, das in Textform die Maschinenbefehle enthält wird dabei normgerecht entsprechend DIN ausgegeben. Damit sind nicht nur die kleinen Fräsanlagen der KOSY-Klasse anzusprechen, sondern jede beliebige Werkzeugmaschine aus dem industriellen Umfeld. Bevor die Daten nun auf die Maschine losgelassen werden muss das Werkstück auf dem Maschinentisch befestigt werden. Dazu stehen vielfältige Techniken zur Verfügung. Die Bandbreite reicht dabei vom Doppelklebeband über die Klemmung mittels eines Excenterspanners, Schaubstocks oder Spannpratzen bis zur Vakuumspanntechnik. Den Ausschlag über die beste Methode geben die Werkstückgeometrie, der Werkstoff, die Anordnung der Fräsbahnen und die zu bearbeitende Stückzahl. Ist das Bauteil fixiert und auch ein Werkzeug eingespannt, muss der Maschine noch mitgeteilt werden, wie hoch sich die Nullebene (in der Regel die Oberfläche) des Werkstücks über dem Maschinentisch befindet und welche Ausspannlänge der Fräser hat. Beides wird gemessen und der Software (grob) Vor dem eigentlichen Fräsvorgang wird das Werkzeug eingerichtet und das Bauteil angetastet mitgeteilt. Eine Feinjustierung (mit einer Genauigkeit von wenigen Hundertsteln) erfolgt dann durch das sogenannte Antasten. Dabei wird die Maschine mit der Handsteuerung in Z-Richtung verfahren, bis der Fräser die Werkstückoberfläche berührt. Dieser Arbeitsschritt erfolgt automatisch mit dem Start des eigentlichen Fräsjobs. Die Anlage ist jetzt schon im DNC-Betrieb (direct numerical control). Der PC übernimmt die Eigenschaft des Bedienpultes der Maschine und sendet die Befehle paketweise direkt an deren Steuerungselektronik. Dort werden diese in Signale für die Antriebe der drei Achsen, der Relais für die Spindel, den Werkzeugwechsel oder das Kühlmittel oder für die Überwachung von angeschlossenen Ein-/ MegaNC 2005 als FMT-Edition Im Rahmen dieses FMT-Workshops bietet die Firma 4Cam GmbH die NC-Version von MegaCAD als Sonderausgabe MegaNC 2005 fmt.edition an. Das 2D-Konstruktions- und CAM-Werkzeug können Sie zum Sonderpreis von 750,- erwerben. Die 3D-Variante kostet als fmt.edition 999,-. Diese Versionen enthalten neben den leistungsfähigen Konstruktionsfunktionen bereits die Möglichkeit NC-Datensätze zu erstellen bzw. diese direkt im DNC-Betrieb an die CNC-Fräse KOSY zu senden. Ebenso beinhaltet die Software Bibliotheksteile für den Einsatz im Modellbau. Gegenüber den MegaCAD-Versionen für die 2D- und 3D-Konstruktion im gewerblichen Einsatz (1.850,- bis 6.350,- ) besteht lediglich eine Einschränkung im Funktionsumfang. Dieser wirkt sich nur unwesentlich auf die Möglichkeiten der 2D- oder 3D-Konstruktion aus, sondern bedeutet lediglich Einschränkungen beim Komfort, was für den Einsatz im Hobby vertretbar ist. Im Downloadbereich der FMT-Homepage ( finden Sie einen Link zum kostenlosen Download einer zeitlich beschränkten Test-Version. Auf Grund der relativ hohen Datenmenge können Sie auch eine CD anfordern: 4CAM GmbH, MegaCAD Competence Center, Hauptstr. 18, Reimlingen, Tel.: , Internet: Ausgängen zur Automatisierung gewandelt. Bei der Steuerung der KOSY ist der PC zusätzlich in das Sicherheitskonzept der Anlage integriert. Während der Abarbeitung des NC-Programms steht er für andere Aufgaben oder Programme nicht zur Verfügung. Die Bearbeitungsschritte werden auf dem Bildschirm angezeigt, jede Tastatureingabe bedeutet ein Notaus für die Maschine. Die CNC-Fräse arbeitet satzweise das Programm ab. Es können Pausen zum Entfernen von Spänen oder Bauteilen vorgesehen werden. Beim Befehl zum Weiterarbeiten mit einem anderen Fräser erfolgt je nach Ausstattung ein manueller oder automatischer Werkzeugwechsel. Mit dem letzten Steuerungsbefehl fährt die Spindel in eine definierbare Parkposition (Werkstückwechselposition), um das fertige Bauteil auszuspannen. Soweit die theoretischen Grundlagen, in der nächsten Ausgabe folgen nun praktische Übungen zum Umgang mit CAD. Im dritten Teil des Workshops wird dann Schritt für Schritt beschrieben, wie aus unseren CAD-Daten gefräste Bauteile entstehen. Für die 3D-Konstruktion wird auf Scan-Daten zurückgegriffen. Über die Rumpfquerschnitte in der 3-Seitenansicht wird der Rumpf als 3D-Modell erstellt und ein exakter Strak ermöglicht.