CAM-Simulation präzise wie ein Lange-Uhrwerk

Uhren von A. Lange & Söhne verkörpern eine Jahrhunderte alte Leidenschaft für die Zeitmessung. Das heißt nicht, dass in der Manufaktur in Glashütte die Zeit stehen geblieben ist. Handwerkskunst paart sich hier mit moderner Technik, um Meisterwerke an Präzision und Qualität herzustellen. Die mechanische Bearbeitung der Dreiviertelplatinen, die von "U(h)rgroßvater" Ferdinand Adolph Lange eingeführt wurde, wird heute mit TopSolid'Cam von MISSLER Software programmiert.

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Die Historie von A. Lange & Söhne Glashütte ist eine eigene Geschichte wert: 1845 gründete Ferdinand Adolph Lange nach Lehrjahren am Königshof in Dresden und Wanderjahren, die ihn unter anderem zu den Uhrmachern nach Paris führten, mit 15 Lehrburschen die erste Feinuhrmacherei am Ort. Ab etwa 1870 erlangten die exklusiven Taschenuhren aus Glashütte Weltruhm. Die Erfolgsgeschichte der Marke verlor durch die Inflation und die Wirtschaftskrise nach dem Ersten Weltkrieg an Glanz, wie Pressereferentin Kirsten Hultzsch erzählt, und endete nach dem Zweiten Weltkrieg mit der Enteignung des Unternehmens und der Flucht von Familienmitgliedern nach Westdeutschland.

Erst nach der Wende gelang es "U(h)renkel" Walter Lange, damals schon 66jährig, das traditionsreiche Unternehmen mit Unterstützung der geldgebenden LMH (Les Manufactures Horlogères SA) und eines erfahrenen Sanierers wieder anzumelden . Die neu gegründete Manufaktur knüpfte nach 40jähriger Pause an die Erfolgsgeschichte der Vergangenheit an und machte Glashütte wieder zu einem Zentrum der (mechanischen) Uhrmacherkunst; zahlreiche renommierte Uhrenhersteller haben sich seitdem dort angesiedelt. Heute beschäftigt die Lange Uhren GmbH, die seit 2000 zum Schweizer Richemont-Konzern gehört, zirka 650 Mitarbeiter und verkauft ihre Uhren in 12 eigenen Boutiquen und in Kooperation mit exklusiven Händlern in 220 Verkaufspunkten in 60 Ländern an wohlhabende Kunden und Sammler in aller Welt.

Lange-Uhren sind unverwechselbar. Jedes der 49 Kaliber, das die Firma seit Vorstellung der der ersten Uhr der "Neuzeit", der legendären Lange 1, auf den Markt gebracht hat, besitzt ein eigen entwickeltes Uhrwerk. Zu seinen charakteristischen Merkmalen, die dank Saphirglasboden sichtbar sind, gehören der handgravierte Unruhkloben und die Dreiviertelplatine. Die tragenden Werk- und Gestellteile werden aus naturbelassenem Neusilber gefertigt, was in der Branche bisher einzigartig ist. Die Dreiviertelplatine dient als elegante Bühne für die Uhrwerksdekoration mit dem typischen Glashütter Bandschliff sowie den gebläuten Schrauben und handpolierten Goldchatons, die die Lagersteine aus Rubin halten. Nicht sichtbar ist die Unruhspirale, von deren Qualität die Ganggenauigkeit abhängt. Lange fertigt sie selber – eine technische Herausforderung, der sich nur ganz wenige Uhrenhersteller auf der Welt stellen, wie Hartmut Bellmann, stellvertretender Leiter der Technologie betont.

Hohe Anforderungen an die Präzision

Uhrwerke sind komplexe Maschinen en miniature. Selbst ein vergleichbar simples Exemplar ohne ewigen Kalender oder andere Zusatzfunktionen kann aus mehr als 150 Einzelteilen bestehen. Die Schwierigkeit bei ihrer Fertigung ergibt sich nicht nur aus der Komplexität der Bauteilgeometrie, sondern aus ihrer Vielfalt und der Vielzahl der Operationen, die auf engstem Raum ausgeführt werden müssen. Ihre Reihenfolge spielt zudem eine wichtige Rolle für die Qualität der Oberflächen, die Designansprüchen genügen müssen. Hinzu kommen die extrem hohen Anforderungen in punkto Präzision, die über mehrere Aufspannungen gehalten werden muss. So gibt es zum Beispiel Bohrungen, die nicht mehr als zwei Tausendstel Millimeter von den Vorgaben abweichen dürfen.

Während Lange die Gehäuse aus Gold oder Platin bei Partnern herstellen lässt, werden die Uhrwerkskomponenten fast ausnahmslos im Hause gefertigt. Die wichtigsten Bearbeitungsverfahren in der Manufaktur sind neben Langdrehen und Drahterodieren das Fräsen, Bohren, Gewindeschneiden, Senken und Reiben, wobei TopSolid'Cam ausschließlich für die Programmierung der 2 1/2D-Fräs- und Bohrbearbeitung auf den 3-Achs-Fräszentren von Willemin und Kern eingesetzt wird. Für die anderen Verfahren nutzt Lange die maschineneigenen Programmierfunktionen.

Die Postprozessoren für die Anbindung der Maschinen stammen vom MISSLER-Vertriebspartner NCDATA, mit Standorten in der Nähe von Zürich und Stuttgart, der schon andere Luxusuhrenhersteller zu seinen Kunden zählt und von daher mit den Anforderungen der Mikrobearbeitung bestens vertraut ist. Die Postprozessoren mussten noch an die spezifischen Anforderungen von Lange angepasst werden, um den CAM-Programmierern und den Maschinenbedienern den Umstieg auf die neue Lösung so einfach wie möglich zu machen. "Wir haben schon vor der Einführung der 3D-Programmiersoftware eine bewährte Unterprogrammtechnik entwickelt, um jedes Teil nur einmal zu programmieren und den NC-Code flexibel für die Bearbeitung unterschiedlicher Losgrößen nutzen zu können", erläutert Bellmann. "Das wollten wir in der neuen Programmierumgebung wieder so machen."

Umstieg auf ein 3D-CAM-System

TopSolid'Cam löste bei Lange ein älteres 2D-CAM-System ab, das nicht weiterentwickelt wurde und nicht mehr auf den aktuellen Betriebssystemen eingesetzt werden konnte. Hinzu kam, dass die Programmierung in 2D relativ zeitaufwendig war, da jeder Konturzug programmiert und die dritte Dimension jeweils von Hand eingegeben werden musste, was immer wieder zu Fehlern führte. Nachdem die Konstrukteure bei Lange auf das 3D-CAD-System SolidEdge umgestiegen waren, lag die Idee nahe, ein 3D-CAM-System einzuführen und die 3D-Modelle direkt für die NC-Programmierung weiter zu verwenden.

Die 3D-Modelle aus SolidEdge können im ParaSolid-Format in TopSolid importiert werden, wobei natürlich die Bauteilhistorie mit den Feature-Informationen und parametrischen Beziehungen verloren geht. Das ist allerdings kein größeres Problem, zumal die Modelle in der Technologie oft noch fertigungstechnisch aufbereitet, das heißt zum Beispiel mit bestimmten Offsets versehen werden müssen. Ein anderes Thema sei die Tolerierung der Modelle, die normalerweise im Nennmaß konstruiert und mit Toleranzangaben versehen werden, führt Bellmann weiter aus: "Das ist ein Lernprozess. Wir empfehlen deshalb unseren Konstrukteuren immer auf Toleranzmitte zu konstruieren."

Werden die CAD-Daten nach der CAM-Programmierung konstruktiv verändert, müssen auch die CAM-Daten revisioniert werden. Dazu wird das alte gegen das neue Parasolid-Modell ausgetauscht, wobei TopSolid'Cam anhand des Geometrievergleichs erkennt, was sich geändert hat. Im Idealfall führt die CAM-Software die Bearbeitung auf der neuen Geometrie nach, andernfalls muss der Programmierer entsprechende Korrekturen vornehmen oder das Einzelteil neu programmieren. Der Aufwand hängt sowohl von der Art als auch vom Umfang der Änderung ab, wie Bellmann erläutert. "Gerade bei älteren Programmen ist es oft schneller, das Teil komplett neu zu programmieren, weil sich unsere Herangehensweise seitdem verbessert hat." Lange arbeitet seit Anfang 2011 mit dem neuen CAM-System, mit dem drei Viertel aller aktuellen NC-Programme erzeugt sind.

Programmieren und Simulieren

Lange entschied sich für TopSolid'Cam, weil man mit der Software nicht nur komfortabel programmieren, sondern auch zuverlässig simulieren kann. Die Simulation der NC-Programme in der Maschinenumgebung mit Aufspannsituation und Werkzeugen war ein wichtiger Punkt: "Ohne exakte Werkzeuge brauchen wir bei unseren hohen Anforderungen in punkto Präzision mit der Simulation gar nicht anzufangen", kommentiert Bellmann. "Wir haben in der Fertigung viele Spezialfräser mit ausgefallener Geometrie, die wir zum Teil selber herstellen. Die Problematik bei vielen CAM-Systemen ist, diese Werkzeuge für die Programmierung zu nutzen. TopSolid bietet die Möglichkeit, mit dem CAD-Modul beliebige Geometrien zu modellieren und als Werkzeug in die Top'Tool-Bibliothek einzubinden."

Mit Unterstützung von NCDATA hat Lange nicht nur die Werkzeuge in Top'Tool abgebildet, sondern auch eine spezielle Zeichnungsvorlage entwickelt. Sie sorgt dafür, dass auf den Fertigungszeichnungen automatisch bestimmte Informationen über die Werkzeuge platziert werden, damit die Anwender sie einfacher der jeweiligen Bearbeitung zuordnen können. Außerdem hat MISSLER für Lange eine Art Nummerneditor in TopSolid implementiert. Er ermöglicht es, die Bohrungen in der CAM-Datei mit einer Nummer und einem Kommentar zu versehen, die nicht nur im Bearbeitungsbaum, sondern auch in den abgeleiteten Zeichnungen erscheinen und die sogar im NC-Code wieder auftauchen. "TopSolid ist sehr anpassungsfähig", sagt Bellmann. "Dadurch kann MISSLER auf Spezialwünsche eingehen."

Zu den Stärken der CAM-Software gehören die vordefinierten Bearbeitungsmethoden, die der Kunde seinen Prozessanforderungen entsprechend anpassen kann, wie Bellmann weiter ausführt. Man kann zum Beispiel einen Bohrzyklus mit einer individuellen Reihenfolge von Operationen und Werkzeugen festlegen. Bellmann hat sowohl für Bohrungen, als auch für Taschen, Senkungen und Gewinde spezielle Zyklen angelegt bzw. die bestehenden modifiziert. Daneben gibt es leistungsfähige Standardmethoden, beispielsweise für das Schruppen: "Ausgehend von der 3D-Geometrie unterbreitet die Software Vorschläge für den Materialabtrag, so dass man schnell zu einem brauchbaren Ergebnis für die Vorarbeiten kommt und sich auf die weitere Bearbeitung konzentrieren kann", so Bellmann.

25 Prozent schneller beim Einfahren

Da die Bauteile normalerweise in mehreren Aufspannungen bearbeitet werden, ist die automatische Rohteilnachführung für die CAM-Programmierer sehr interessant. Sie können die Rohteilgeometrie mit dem Materialabtrag der vorhergehenden Bearbeitung in die nächste Bearbeitung übernehmen, was zum einen den Vorteil hat, dass sie relativ genau sehen, wie nahe sie schon am Endmaß dran sind. Zum anderen spart die Rohteilnachführung unnötige "Luftnummern" des Werkzeugs, da das System bei der Bearbeitung berücksichtigt, wo auf der Gegenseite schon kein Material mehr steht. "Die Rohteilnachführung ist für uns ein Riesenvorteil, braucht allerdings mehr Rechenleistung, weshalb wir unsere Hardware aufrüsten mussten", sagt Bellmann.

Bei komplexen Teilen sind für die beidseitige Fräsbearbeitung sowie das Bohren und Reiben bis zu fünf Aufspannungen erforderlich. Zum Teil werden bestimmte Operationen in einen separaten Arbeitsgang gepackt, weil die Maschinen nicht genügend Werkzeugplätze haben, zum Teil ist die Aufteilung auch aus prozesstechnischen Gründen erwünscht, wie Bellmann erläutert. Die Anwender können zum Beispiel schon die Fertigbearbeitung programmieren, während das Teil auf der Maschine vorbearbeitet wird. Diese Flexibilität ist auch im Prototypen- und Vorserienstadien wichtig, wie Kirsten Hultzsch ergänzt: "Bei neuen Produkten ist immer ein gewisser Zeitdruck da. Wir brauchen die neuen Teile schnell, um sie zu testen und gegebenenfalls abändern zu können."

Durch den Einsatz von TopSolid'Cam haben sich die Programmierzeiten gegenüber früher spürbar verkürzt, wobei der Vergleich schwierig ist, weil mit dem alten 2D-CAM-System fast alle Maschinenbediener arbeiteten. Heute ist die CAM-Programmierung Aufgabe von wenigen Spezialisten, die zugleich für das Einfahren ihrer Programme zuständig sind. "Nicht zuletzt dank der zuverlässigen Simulation haben sich die Einfahrzeiten um zirka 25 Prozent verkürzt", schätzt Bellmann. Das sei bei der Vielzahl an Teilen, die in sehr geringen Stückzahlen gefertigt werden, ein ganz wichtiger Zeitvorteil.

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