Das meiste, was in der Zerspanung als „Digital Twin“ verkauft wird, ist eine Werkzeugwegsimulation mit einer besseren Benutzeroberfläche. Das ist wichtig, denn beide lösen unterschiedliche Probleme. Die Simulation überprüft ein Programm einmalig vor der Ausführung. Ein „Digital Twin“ ist ein virtuelles Modell, das mithilfe von Echtzeitdaten mit der realen Maschine synchronisiert wird und vor, während und nach der Bearbeitung zum Einsatz kommt.
Diese Unterscheidung ist keineswegs rein theoretischer Natur. Ein Betrieb kann hervorragende Simulationen durchführen, ohne über einen digitalen Zwilling zu verfügen, und dennoch die meisten Ausfälle erkennen. Umgekehrt kann ein Betrieb behaupten, über einen digitalen Zwilling zu verfügen, und dabei nichts weiter tun als eine einfache Nachverfolgung. Dieser Leitfaden unterscheidet ehrlich zwischen den verschiedenen Ebenen, erklärt, was jede einzelne tatsächlich erfasst, und zeigt auf, wo sich der Aufwand lohnt und wo nicht.
Die fünf Stufen der virtuellen Verifizierung
In fast jeder Diskussion zu diesem Thema werden diese beiden Begriffe unter einem Begriff zusammengefasst. Sie sind jedoch nicht dasselbe, und gerade in der Lücke zwischen Stufe drei und Stufe vier entstehen die meisten tatsächlichen Abstürze.
| Stufe | Was es bewirkt | Was es weiß | Was dabei fehlt |
| 1. Hintergrundhandlung | Zeichnet den Werkzeugweg anhand des CAD-Modells | Nur die Geometrie des Bauteils | Alles über die Maschine |
| 2. Materialabtrag | Simuliert das Wegschneiden von Material und vergleicht das Ergebnis mit dem Modell | Lagerbestand und Teile | Maschine, Vorrichtung und Steuerung |
| 3. Maschinensimulation | Modelliert die Maschinenkinematik sowie Tisch-, Spannvorrichtungs- und Werkzeugbaugruppen | Der physische Maschinenraum | Was das Steuerelement mit dem Code tatsächlich macht |
| 4. Virtuelle Steuerung | Führt den eingestellten G-Code über eine Emulation der tatsächlichen Steuerung aus | Postprozessor-Ausgabe, Makros, Offsets, Festzyklen | Praktische Abweichungen bei Werkstücken und Spannvorrichtungen |
| 5. Digitaler Zwilling | Ein vernetztes Modell, das mit den Echtzeit-Maschinendaten synchronisiert ist | Tatsächliche Bedingungen während und nach dem Lauf | Nichts, was es nicht erkennen kann |
In den Stufen eins und zwei wird das Programm anhand des Werkstücks überprüft. In Stufe drei erfolgt die Überprüfung anhand der Maschine. In Stufe vier wird der Code überprüft, den die Maschine tatsächlich ausführen wird – was wiederum eine ganz andere Frage ist, da der Postprozessor zwischen Ihrem CAM-System und der Steuerung angesiedelt ist und eine häufige Fehlerquelle darstellt, die in den Stufen eins bis drei nicht erkannt werden kann.
Stufe fünf ist die einzige, die den Namen „Digital Twin“ verdient. Es handelt sich um ein dauerhaftes Modell, das über Datenstandards wie MTConnect oder OPC UA mit der Maschine verbunden ist, und die Norm ISO 23247 liefert den Referenzrahmen dafür, wie solche Zwillinge in der Fertigung aufgebaut sind. Das entscheidende Merkmal ist die Echtzeitverbindung. Ohne sie handelt es sich um eine Simulation, die zwar wertvoll ist, aber kein Zwilling darstellt.
Die vier Arten von Zwillingen in einer Maschinenwerkstatt
Sobald eine Live-Verbindung besteht, werden für verschiedene Zwecke Zwillinge erstellt.
- Maschinenmodell. Ein Modell der jeweiligen Maschine einschließlich ihrer Kinematik, Verfahrwege und ihres Steuerungsverhaltens, das zur Kollisionsprüfung, zur Erreichbarkeitsprüfung und zur genauen Ermittlung der Zykluszeit verwendet wird.
- Prozess-Twin. Ein Modell des Zerspanungsvorgangs selbst, das Schnittkräfte, Werkzeugauslenkung, Rattern und Wärmeentwicklung vorhersagt und dazu dient, Parameter festzulegen, die tatsächlich funktionieren, anstatt solche, die nur auf den ersten Blick sinnvoll erscheinen.
- Bauteil-Doppelgänger. Das Konstruktionsmodell wird mit den Vermessungsdaten aus der Bauausführung abgeglichen, wodurch im Laufe der Zeit eine Maßhistorie für eine Teilenummer erstellt wird.
- Produktionsduplikat. Ein Modell der Zelle oder des Arbeitsbereichs, das eher für die Terminierung, den Durchsatz und die Kapazitätsplanung als für ein einzelnes Teil verwendet wird.
Die meisten Werkstätten, die wirklich mit einem Doppelbetrieb arbeiten, beginnen mit dem Maschinen-Doppelbetrieb, da dadurch die Ausfälle vermieden werden, die am meisten Geld kosten.
Was bei der virtuellen Überprüfung tatsächlich erkannt wird
Kollisionen und Erreichbarkeit
Der offensichtliche Vorteil liegt in der Vermeidung von Zusammenstößen, und die Liste der möglichen Kollisionen ist länger, als die meisten Menschen erwarten: ein Werkzeughalter, der beim schnellen Zurückfahren gegen eine Klemme stößt, die Spindelspitze, die während einer B-Achsen-Drehung mit einer Vorrichtung in Kontakt kommt, ein Revolver, der gegen den Reitstock stößt, ein kurzer Halter, der eine tiefe Tasche nicht erreichen kann, sowie ein Verfahrweg der Drehachse, der während einer Bewegung die Maschinengrenzen überschreitet.
Bei der fünfachsigen Bearbeitung zeigt sich der wahre Wert dieses Systems. Auf einer dreiachsigen Maschine kann sich ein erfahrener Programmierer in der Regel den gesamten Bewegungsbereich vorstellen. Auf einer fünfachsigen Maschine mit schwenkbarem Kopf und Drehtisch folgt die Werkzeugspitze einer geradlinigen Bahn, während sich die Maschinenstruktur auf nicht intuitive Weise bewegt. Positionen in der Nähe der Polachse und Verwindungen der Drehachse lassen sich durch Sichtprüfung nur schwer vorhersagen, sind jedoch in einem kinematischen Modell leicht zu erkennen.
Postprozessor- und Steuerungsfehler
Dies ist der Bereich, der eine echte Überprüfung von einer nur auf den ersten Blick überzeugenden Hintergrundgeschichte unterscheidet. Der Postprozessor übersetzt die CAM-Ausgabe in die spezifische Sprache, die Ihre Steuerung versteht, und Fehler, die dabei entstehen, bleiben bei jeder Überprüfung auf CAM-Seite unbemerkt.
Typische Beispiele hierfür sind eine falsch angewendete Werkzeuglängenkorrektur, die Auswahl einer falschen Bearbeitungsebene vor einer gedrehten Bearbeitung, die Ausgabe eines Festzyklus mit falschen Parametern, ein Werkstückversatz, der nicht mit der Einrichtung übereinstimmt, sowie eine Eilgangbewegung durch das Werkstück, weil eine Rückzugsebene relativ zu einer falschen Referenz definiert wurde. Jeder dieser Fälle besteht die Werkzeugwegprüfung und führt zu einem Maschinenabsturz.
Da Arbeitsausgleich und Bezugspunktstrategie den roten Faden bilden, hängt dies eng mit der Einrichtungsdisziplin in der Fertigung zusammen. Unser Leitfaden zu Einrichtung einer CNC-Maschine befasst sich mit den Verfahren, die durch die virtuelle Überprüfung geschützt werden sollen.
Taktzeit, die Sie tatsächlich als Angebot angeben können
CAM-Systeme schätzen die Zykluszeit anhand von Vorschubgeschwindigkeiten und Wegstrecken, wodurch diese systematisch zu niedrig angesetzt wird. Echte Steuerungen beschleunigen und verzögern, wenden Look-Ahead und Kurvenglättung an, begrenzen den Vorschub bei engen Geometrien und benötigen Zeit für den Werkzeugwechsel und die Indexierung von Drehachsen.
Wird der veröffentlichte Code durch eine virtuelle Steuerung ausgeführt, ergibt sich eine Schätzung, die weitaus näher an der Realität liegt – oft ist dies der entscheidende Unterschied zwischen einem Angebot, das Bestand hat, und einem, das nicht Bestand hat. Für einen Lieferanten ist dies ebenso sehr eine kaufmännische wie eine technische Aufgabe, da die Durchlaufzeit ausschlaggebend für Preis- und Lieferzusagen ist.
Prozesszwillinge: Vorhersage von Durchbiegung und Rattern
Ein Maschinen-Twin gibt Auskunft darüber, ob das Programm ausgeführt werden kann. Ein Prozess-Twin gibt Auskunft darüber, ob das Bauteil korrekt gefertigt wird.
Die Modellierung der Schnittkraft sagt voraus, wie stark sich ein Werkzeug unter Belastung durchbiegt. Dies ist besonders bei dünnen Wänden, tiefen Taschen und Werkzeugen mit großer Reichweite von Bedeutung, wo die Durchbiegung nicht nur ein Ärgernis darstellt, sondern zu einem Maßfehler führt. Die Schwingungsvorhersage nutzt das dynamische Verhalten der Maschine, des Halters und der Werkzeugbaugruppe, um zu ermitteln, welche Kombinationen aus Spindeldrehzahl und Schnitttiefe stabil sind. Aus diesem Grund lohnt es sich, eine Werkzeugbaugruppe bei anspruchsvollen Bearbeitungen einem Gewindebohrtest zu unterziehen.
Das praktische Ergebnis ist eine Reihe von Parametern, die ausgewählt wurden, weil das Modell ihnen Stabilität zuspricht – und nicht Parameter, die durch Ausprobieren und Hören ermittelt wurden. Bei einem Werkstück, bei dem der erste Versuch zugleich das einzige Stück des teuren Rohmaterials ist, das man zur Verfügung hat, ist dieser Unterschied von großer Bedeutung.
Die Vorhersage der Durchbiegung steht auch in direktem Zusammenhang mit dem, was Sie auf einer Zeichnung versprechen können. Befindet sich ein Merkmal auf einer dünnen Wand, die sich vom Fräser wegdrückt, hängt die erreichbare Toleranz eher vom Verfahren als von den Maschinenspezifikationen ab. Unser Leitfaden zu CNC-Teile-Toleranzen erläutert, wie man feststellen kann, welche Merkmale realistisch zu berücksichtigen sind.
Verknüpfung von Bearbeitungsdaten mit Prüfprotokollen
Der Teil-Twin ist der am wenigsten diskutierte und auf lange Sicht wohl der nützlichste. Jedes vermessene Teil liefert Daten, und wenn diese Daten nicht nur als Bericht abgelegt, sondern anhand des Sollmodells gespeichert werden, werden Muster sichtbar: ein Merkmal, das durchgehend auf einer Seite des Sollwerts liegt, ein Maß, das sich im Laufe einer Charge aufgrund von Werkzeugverschleiß verschiebt, oder ein Unterschied zwischen Maschinen, auf denen dasselbe Programm läuft.
Diese Vorgehensweise hat zwei Vorteile: Sie ermöglicht es, Korrekturmaßnahmen gezielt statt reaktiv anzuwenden, und sie verwandelt die Erstmusterprüfung von einer reinen „Bestanden“- oder „Nicht bestanden“-Prüfung in einen Maßstab, an dem die spätere Produktion gemessen wird.
Dies funktioniert nur, wenn die Prüfung von vornherein systematisch erfolgt, d. h. mit CMM-Messungen kritischer Merkmale und dokumentierten Berichten anstelle von Stichproben. Unser Ansatz bei Qualitätssicherung und Qualitätskontrolle erläutert, was diese Dokumentation im Rahmen eines Fertigungsauftrags umfasst.
Wann sich der Aufwand lohnt – und wann nicht
Die Erstellung und Pflege eines präzisen virtuellen Modells ist echte Arbeit. Der Aufwand zahlt sich nicht immer gleichmäßig aus.
| Situation | Lohnt sich eine vollständige Überprüfung? | Warum |
| Neues 5-Achsen-Programm | Ja | Höchstes Kollisionsrisiko und am wenigsten intuitive Maschinenbewegung |
| Teure oder fast fertige Lagerbestände | Ja | Ein Kurssturz gegen Ende des Zyklus vernichtet den aufgebauten Wert |
| Teile mit langer Lebensdauer | Ja | Ein Ausfall kostet Stunden an Maschinenzeit, nicht Minuten |
| Automatisierte Produktion | Ja | Es ist kein Bediener vor Ort, der eingreifen könnte, wenn etwas schiefgeht |
| Dünne Wände und tiefe Taschen | Prozess-Twin nützlich | Durchbiegung und Rattern entscheiden darüber, ob die Toleranzen eingehalten werden |
| Bewährte 3-Achsen-Prismateile | Selten | Das Programm wurde bereits mehrfach erfolgreich durchgeführt. |
| Einfache einmalige Aufgabe | Nein | Der Modellierungsaufwand übersteigt das vermiedene Risiko |
Zwei Zeilen verdienen besondere Beachtung. Bei der fünfachsigen Bearbeitung hat die Verifizierung den größten Einfluss auf die Ergebnisse – aus demselben Grund, aus dem sie auch die Kosten am stärksten beeinflusst, wie unser Vergleich von 5-Achsen- und 3-Achsen-CNC-Bearbeitung fließt ein. Und der unbeaufsichtigte Produktionsbetrieb hängt praktisch davon ab, da niemand an der Maschine steht, um die Zufuhr anzuhalten. Die Überprüfung ist eine der Voraussetzungen für Maschinen im automatisierten Betrieb und nicht etwa eine optionale Verfeinerung.
Die Einschränkung, über die niemand sprechen möchte
Ein virtuelles Modell ist nur so gut wie die Daten, auf denen es basiert, und eine Simulation, die auf einem falschen Modell basiert, ist gefährlicher als gar keine Simulation, da sie ein Vertrauen schafft, das nicht gerechtfertigt ist.
Die häufigsten Fehlerursachen sind ganz alltäglicher Natur:
- Werkzeugbaugruppen, die mit dem Nennüberstand statt mit der tatsächlich eingestellten Länge modelliert wurden, sodass ein Halter, der im Modell noch Platz hat, in der Realität zu Kollisionen führt.
- Vorrichtungsmodelle, die nicht mehr aktuell sind, nachdem im Fertigungsbereich eine Klemme versetzt oder ein Anschlag hinzugefügt wurde.
- Standardmodelle, die von nominalen Materialabmessungen ausgehen, obwohl die tatsächlich gelieferten Stangen oder Bleche überdimensioniert waren.
- Maschinenmodelle, bei denen Zubehörteile wie Messtaster, Späneschutzvorrichtungen oder Reitstöcke fehlen, die realen Platz beanspruchen.
Keines davon ist ein Softwareproblem. Es handelt sich um Probleme im Zusammenhang mit Bibliotheken und der Prozessdisziplin, weshalb in der Regel diejenigen Betriebe von der virtuellen Verifikation profitieren, die bereits zuvor bei Werkzeugbibliotheken und der Dokumentation von Einrichtungsvorgängen diszipliniert vorgegangen sind. Die Software verstärkt lediglich die bereits bestehenden Arbeitsabläufe.
Es gibt zudem eine Grenze, die klar herausgestellt werden sollte. Ein Zwilling sagt weder das Verrutschen eines Werkstücks in seinen Spannvorrichtungen noch einen Ausfall der Kühlmittelzufuhr oder Schwankungen in der Härte des eingehenden Materials voraus. Er sagt die Geometrie voraus und – im Falle eines Prozesszwillings – die Mechanik. Er sagt keine physikalischen Ereignisse voraus, die außerhalb seines Modells liegen.
Wie lässt sich feststellen, ob ein Lieferant dies tatsächlich nutzt?
Da die Begriffe recht locker verwendet werden, erhalten allgemeine Fragen auch allgemeine Antworten. Konkrete Fragen sind aufschlussreicher:
- Simulieren Sie den ausgegebenen G-Code mittels einer Steuerungsemulation oder nur den CAM-Werkzeugweg? Diese eine Frage unterscheidet Stufe vier von Stufe eins oder zwei.
- Werden Ihre Maschinen- und Vorrichtungsmodelle auf dem neuesten Stand gehalten, und wer ist für deren Aktualisierung zuständig?
- Modellieren Sie tatsächliche Werkzeugbaugruppen mit realem Überstand oder mit Nenngeometrie?
- Bezieht sich die angegebene Zykluszeit auf CAM-Schätzungen oder auf verifizierte Simulationen?
- Führen Sie bei komplexen Teilen eine Prozessprüfung hinsichtlich Durchbiegung und Rattern durch, bevor Sie teures Material zuschneiden?
Für einen Käufer liegt der Vorteil eines Lieferanten, der dies ordnungsgemäß umsetzt, nicht in der Technologie selbst. Vielmehr sind es weniger Überraschungen beim Erstmuster bei komplexen Geometrien, Lieferzeiten, die eingehalten werden, weil die Durchlaufzeit realistisch eingeschätzt wurde, und weniger Ausschuss bei Aufträgen, bei denen das Material teuer ist.
Wie sich dies in einen realen Produktionsablauf einfügt
Die vernünftige Sichtweise ist, dass die virtuelle Verifizierung ein Risikomanagement-Instrument ist, das auf das jeweilige Risiko abgestimmt ist. Bei einfachen, sich wiederholenden Arbeiten ist sie nicht erforderlich. Bei komplexen 5-Achsen-Geometrien, dünnwandigen Bauteilen, teurem Rohmaterial und unbeaufsichtigtem Betrieb ist sie hingegen unerlässlich, und bei diesen Aufträgen stellt sich nicht die Frage, ob eine Verifizierung erfolgen soll, sondern in welchem Umfang.
Yicen Precision führt in Shenzhen auf mehr als 300 Maschinen mehrachsiges Fräsen, Drehen, Drahterodieren, Bohren und Präzisionsschleifen durch und hält dabei Toleranzen von plus/minus 0,005 mm ein, wobei die Prüfung mittels Koordinatenmessgerät (CMM) und Erstmusterberichte zum Standard gehören. Unsere Ingenieure prüfen jedes Bauteil vor der Angebotserstellung und weisen auf Merkmale hin, bei denen Geometrie, Durchbiegung oder Einrichtungsstrategie für das Ergebnis entscheidend sind. Senden Sie ein Modell an Yicen Präzision und wir werden Ihnen zusammen mit dem Angebot Rückmeldung zur Fertigungsgerechtheit geben oder unsere CNC-Bearbeitungsdienstleistungen für den gesamten Prozessbereich.
Häufig gestellte Fragen
F: Was ist ein digitaler Zwilling in der CNC-Bearbeitung?
A: Ein virtuelles Modell einer Maschine oder eines Prozesses, das durch Echtzeitdaten – in der Regel über MTConnect oder OPC UA – mit dem realen System synchronisiert wird. Im Gegensatz zur Simulation, die einmalig vor dem Zerspanungsvorgang durchgeführt wird, bleibt ein Twin während und nach der Produktion mit dem realen System verbunden.
F: Worin unterscheidet sich ein digitaler Zwilling von einer CNC-Simulation?
A: Bei einer Simulation wird ein Programm vor seiner Ausführung überprüft und anschließend beendet. Ein digitaler Zwilling steht in ständiger Verbindung mit der Maschine, sodass er die prognostizierten mit den tatsächlichen Bedingungen vergleichen und diese Informationen in spätere Durchläufe einfließen lassen kann.
F: Was erfasst die Maschinensimulation, was die Werkzeugwegsimulation nicht erfasst?
A: Kollisionen, an denen die Maschine selbst beteiligt ist: Werkzeughalter stoßen gegen Spannvorrichtungen, Kontakt der Spindelspitze bei Drehbewegungen, Achsverfahrgrenzen und Probleme mit der Erreichbarkeit. Bei der Werkzeugwegprüfung wird nur die Werkstückgeometrie berücksichtigt, nicht die Maschine, die das Werkstück umgibt.
F: Warum muss der veröffentlichte G-Code separat überprüft werden?
A: Weil der Postprozessor zwischen CAM und der Steuerung angesiedelt ist und Fehler verursachen kann, die in den vorgelagerten Schritten nicht erkennbar sind, darunter eine falsche Werkzeuglängenkompensation, eine falsche Ebenenauswahl und Eilgänge durch das Werkstück. Nur eine Steuerungsemulation kann diese Fehler erkennen.
F: Ist eine Simulation bei einfachen 3-Achsen-Teilen erforderlich?
A: Selten bei bewährten Programmen für einfache prismatische Teile, bei denen der Modellierungsaufwand das Risiko übersteigt. Es erweist sich als sinnvoll bei neuen 5-Achs-Programmen, dünnwandigen Teilen, teurem Rohmaterial und allen Aufträgen, die unbeaufsichtigt ablaufen.
