Maschinenkonzept revolutioniert Fertigungsprozesse 06.10.2020, 15:54 Uhr

Komplettbearbeitung mit Closed-Door-Machining ohne Bedienereingriff

Die Komplexität und Präzision von Komponenten beispielsweise aus der Flugzeugindustrie nimmt immer weiter zu. In gleichem Maße steigen die Anforderungen an die Fertigungstechnologien für derartige Bauteile. Das Bearbeitungskonzept „Closed-Door-Machining“ bietet dafür jetzt eine Lösung.

Ein „Sprint“-Messtaster vermisst ein komplexes Bauteil: Software, Bearbeitungs- und Messtechnik sorgen gemeinsam für die notwendige hohe Prozesssicherheit bei der Closed-Door-Bearbeitung. Foto: Niles-Simmons

Ein „Sprint“-Messtaster vermisst ein komplexes Bauteil: Software, Bearbeitungs- und Messtechnik sorgen gemeinsam für die notwendige hohe Prozesssicherheit bei der Closed-Door-Bearbeitung.

Foto: Niles-Simmons

Mit dem neuartigen Konzept wird die Komplettbearbeitung von Bauteilen in einem durchgängigen Prozess in nur einer Maschine möglich – wie der Name sagt, bei geschlossener Tür zum Bearbeitungsraum. Dabei muss ein Bediener nicht mehr eingreifen. Der Bearbeitungsprozess lässt sich für verschiedenartige Werkstücktypen aus unterschiedlichen Branchen nutzen, deren Fertigung bisher nur in mehreren Schritten auf sehr unterschiedlichen Maschinen wie Fräs-, Dreh-, Bohr-, Verzahn- und/oder Schleifmaschinen realisiert werden konnte.

Einzigartiges Maschinendesign und hohe Präzision

Doch wie lässt sich das Verfahren aus Chemnitz von bereits bestehenden Konzepten abgrenzen? Die VDI-Z befragte hierzu Dipl.-Ing. Rico Löffler, Regionalverkaufsleiter beim namhaften Werkzeugmaschinen‐Spezialisten Niles-Simmons Industrieanlagen in Chemnitz. Der traditionsreiche Maschinenbauer verfügt über 185 Jahre Erfahrung und ist heute Teil der weltweit agierenden NSH (Niles-Simmons-Hegenscheidt)-Gruppe, die zu den 30 größten Werkzeugmaschinenherstellern der Welt zählt.

Was unterscheidet Ihr Konzept zum Beispiel vom Done-in-One-Prinzip, das japanische Hersteller propagieren? Oder von den Komplettbearbeitungsmaschinen für Großteile, die einige österreichische Hersteller auf den Markt gebracht haben?

„Das Grundprinzip ist ähnlich, nur erreichen wir mit unseren Maschinen für diese Art von Teilen und Spezialmaterialien deutlich höhere Genauigkeiten, die vor allem in den Branchen Luft- und Raumfahrt, Defense und dem Öl- und Gassektor benötigt werden. Zudem haben wir fünf verschiedene Aufspannsituationen ohne Bedienergriff möglich gemacht. Damit heben wir die Komplettbearbeitung auf ein völlig neues Niveau.“

Gibt es schon prominente Anwender, die mit dem Closed-Door-Machining erfolgreich arbeiten?

„Ja, die gibt es, und zwar ist dies vorrangig die Branche Aerospace. Das Teilespektrum umfasst bisher Antriebs- und Fahrwerkskomponenten wie zum Beispiel die Turbinenscheibe und die Turbinenwelle.“

Verfahrensablauf beim Closed-Door-Machining

Bei dieser modernen Art zu fertigen wird ein Rohteil in der Maschine aufgespannt. Die weiteren Auf‐ beziehungsweise Umspannvorgänge laufen vollautomatisch ab. Anschließend kann das Bauteil komplett fertig wieder entnommen werden. Der große Vorteil ist, dass die Bearbeitung unterbrechungsfrei vonstatten geht und – je nach Teilekomplexität – gegebenenfalls schichtübergreifend in bis zu mehreren Tagen durchgängig abläuft. Ein zeitaufwändiges Teilehandling zwischen mehreren Maschinen entfällt und die benötigten Zwischenlagerkapazitäten werden reduziert. Auch der Aufwand für den Bediener verringert sich deutlich, da zum einen insgesamt weniger Maschinen und zum anderen weniger Bedienereingriffe während des Prozesses notwendig sind.

Dreh‐Fräs‐Zentrum „N30 MC“ mit „Closed-Door‐Machining“-Bearbeitungskonzept, das mit zwei unabhängigen Werkzeug- und einem Bohrstangenmagazin betrieben werden kann. Bis zu 32 NC‐Achsen stehen zur Verfügung.

Foto: Niles-Simmons

Aufgrund der Integration aller für das Bauteil notwendigen Technologien in nur einer Maschine – wie Drehen, Fräsen, Bohren, Tieflochbohren, Gewindeschneiden, Verzahnungsfräsen und Schleifen – kann zudem auf den Einsatz verschiedener spezifischer Einzelmaschinen verzichtet und somit langfristig deutlich wirtschaftlicher gefertigt werden.

Moderne Messtechnik macht das Konzept erst möglich

Zur Realisierung des Konzepts kommen hochmoderne Messtechnologien zum Einsatz. Außergewöhnlich hohe Genauigkeiten von unter 5µm lassen sich prozesssicher durch eine scannende Vermessung des Werkstücks erzielen. Hierzu werden der „Sprint“-Messtaster von Renishaw und eine automatische Werkzeugkorrektur nach dem Messschnitt genutzt. Das Sprint-System erlaubt eine ultraschnelle Anwendung beim Scannen auf der Maschine. Es lässt sich leicht in Werkzeugmaschinenanwendungen integrieren und ist ideal, wenn die Gesamtzykluszeit eine wichtige Rolle spielt. Erweiterte Scanfunktionen wie das Monitoren von Werkstückoberflächen sind ebenfalls machbar.

Des Weiteren kommen diverse den Messaufgaben angepasste taktile Messtaster von Renishaw zum Einsatz, wie der „RMP60“ oder der „RMP600“. Diese flexiblen Taster bieten eine Signalübertragung per Funk und eignen sich zum raschen Einrichten und Prüfen von Werkstücken auf Multitasking-Maschinen oder Bearbeitungszentren.

Die Vermessung aller benötigten Werkzeuge läuft beim Closed-Door-Machining ebenfalls vollautomatisiert in der Maschine ab. Hierfür stehen ein taktiles Messsystem für feststehende Werkzeuge und ein optisches System (Laserbrücke) für rotationssymmetrische Werkzeuge zur Verfügung.

Die integrierte Werkzeugvermessung mit Laserbrücke findet bei rotationssymmetrischen Tools Anwendung.

Foto: Niles-Simmons

Automatisierung sorgt für Flexibilität

Um die Verfügbarkeit der Vielzahl von Werkzeugen garantieren zu können, ist der Einsatz von zwei (voneinander unabhängigen) hauptspindelseitigen Werkzeugmagazinen möglich. Diese lassen sich mit einer Kapazität von bis zu 144 Tools für die mehrachsige Dreh‐/Fräseinheit konfigurieren. Die Werkzeuge können automatisiert in den Arbeitsraum eingewechselt werden.

Für spezifische Bearbeitungsaufgaben kann außerdem ein zusätzliches Magazin für einen gegenspindelseitig platzierten Bohrstangenschlitten eingesetzt werden. Es bietet maximal 16 Plätze für Bohrstangenkassetten. Diese können ebenfalls automatisch eingewechselt werden.

Das zusätzliche Bohrstangenmagazin sorgt dafür, dass auch komplexe Innenbearbeitungen ausgeführt werden können.

Foto: Niles-Simmons

Die bis zu 2 Meter langen Werkzeuge lassen sich mit hohem Kühlschmiermittel (KSS)‐Druck (bis 300 bar) sowie mit einem hohen Durchfluss (bis 150 l/min) betreiben und bilden somit die häufig benötigten Tieflochbohrungen im Prozess sicher ab. Der temperierte Kühlschmierstoff kann dabei druck‐ oder volumengesteuert programmiert und über Sensoren überwacht werden.

Zur Optimierung der Oberflächenqualität des Werkstücks ist es weiterhin möglich, das Schleifen in die Maschine zu integrieren. Die Schleifscheibe lässt sich vollautomatisch einwechseln, vermessen und abrichten. Zum Anfunken stehen ebenfalls Sensoren zur Verfügung. Das nah an den Prozess zu führende KSS wird mithilfe einer separat programmierbaren NC-Achse positioniert.

Verfahrensintegriertes Schleifen inklusive Abrichteinheit und mit spezifischer Prozess-Software.

Foto: Niles-Simmons

Eine maximal ausgestattete Maschine mit Dreh‐/Fräsaggregat, einem Bohrstangenschlitten, einem Werkzeugrevolver, einer Haupt‐ und Gegenspindel sowie Lünetten und den Werkzeugwechselsystemen kann mit bis zu 32 NC‐Achsen konfiguriert werden. Aufgrund dieser Komplexität ist ein CAD/CAM-System mit integriertem Postprozessor unumgänglich.

Maßnahmen zur Schwingungsdämpfung

Die vom Anwender geforderten Genauigkeiten müssen trotz der in der Fertigung üblichen Temperaturschwankungen sichergestellt werden. Das Ziel lautet demnach, eine möglichst hohe Temperaturstabilität zu gewährleisten. Hierfür wird ein flüssigkeitsgekühltes Spezialbetonbett eingesetzt. Zudem verfügen die Bearbeitungszentren über dämpfende und schwingungsreduzierende Komponenten wie FEM (Finite-Elemente-Methode)-optimierte Schlitten‐Geometrien, hydraulisch geklemmte Komponenten der Werkstückachsen, Dämpfungsflächen in Bearbeitungsrichtung und Rollenführungen der Bearbeitungsachsen.

Um eine übersichtliche und einfache Bedienung zu gewährleisten, kommt ein Bedienpanel „OP 019“ von Siemens mit zusätzlichem Touchscreen zur Prozessüberwachung zum Einsatz. Die Prozesssicherheit im Closed-Door-Machining‐Konzept wird zudem maßgeblich durch umfangreiche Softwaremodule im Sinne von Industrie 4.0 unterstützt. Dazu gehören „PCS“ (Protection Control System, „VCS“ (Volumetric Compensation System), „AMC“, Spindelmodulationen, Achskompensationen, Werkzeugbruch‐ und Antriebsüberwachung.

Das reibungslose Zusammenspiel dieser Softwarekomponenten mit den hochentwickelten Bearbeitungs‐ und Messtechnologien sowie der stabilen und durchdachten Maschinenkonstruktion bildet die Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche „Closed‐Door“‐Bearbeitung ohne Bedienereingriffe. Das effiziente Maschinenkonzept ist inzwischen bei einer Vielzahl von Kunden weltweit erfolgreich im Einsatz und hat sich nachhaltig am Markt etabliert.

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Multifunktionale Technologie

Von Thomas Wächtler, Birgit Etmanski

Thomas Wächtler ist Leiter Software und Technologie bei der Niles-Simmons Industrieanlagen GmbH in Chemnitz. Birgit Etmanski ist Chefredakteurin der VDI-Z in Düsseldorf.

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