Intelligente Lösungen zur Produktivitätssteigerung

Technischer Abschlussbericht zur EMO Hannover 2005

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Die EMO Hannover 2005 gab die ungebrochene Leistungs- und Innovationsfähigkeit des internationalen Werkzeugmaschinenbaus wieder. Das Rückgrat der Industrie glänzt mit weiterhin hervorragenden Produktionszahlen und neuen Entwicklungen in allen Bereichen. So setzt sich der seit Jahren bestehende Trend zur Systemintegration in den vergangenen vier Jahren seit der EMO Hannover 2001 bis heute fort. Dies spiegelte sich in verschiedenen Bereichen der ausgestellten Maschinen wieder.

Multifunktionalität
Die immer weiter zunehmende Integration verschiedener Fertigungstechnologien in immer weniger Maschinen wurde auf der EMO Hannover 2005 in fast allen Themenbereichen deutlich. Gerade die einzelnen Schritte der spanenden Bearbeitung boten gute Möglichkeiten zur Prozessintegration in einer Maschine und damit zur signifikanten Verkürzung der Prozessketten. Wurden 2001 hautsächlich noch zwei Technologien derart miteinander verknüpft, so präsentierte die EMO Hannover 2005 z. B. Drehbearbeitungszentren, die mittels Drehen, Fräsen, Gewindeschneiden, Reiben, Schleifen, Verzahnen, Bohren und Laserbearbeitung bis zu fünf Maschinen ersetzen und die Bearbeitungszeit hierdurch teilweise auf ein Zehntel senken. Dies wird hauptsächlich durch die Einsparung von Umspannvorgängen und die damit verbundene Logistik erreicht, wodurch gleichzeitig höhere Genauigkeiten erzielt werden. Neben der gesteigerten Produktivität bietet auch die hierdurch erreichte Platzersparnis einen großen Vorteil.
Auch in der Blechumformung ist die Komplettbearbeitung eine Selbstverständlichkeit. Hier werden die Prozesse Umformen, Stanzen, Biegen, Gewindeumformen und Senken miteinander verkettet.

Zerspanung
Die auf der EMO Hannover 2005 gezeigten Fräsmaschinen zeichnete sich durch einen hohen und reifen Entwicklungsstand bei den Themen Hochleistungs-, Hochgeschwindigkeits- und Trockenbearbeitung aus. Gezeigt werden verschiedene Herstellungsverfahren für Werkstücke unterschiedlichster Größen, von der Mikrobearbeitung für die Uhrenfertigung bis zur Herstellung von Triebwerkskomponenten für die Luftfahrtindustrie, jeweils auf modernen 5-Achs-Bearbeitungszentren. Für derartige Bearbeitungen von hochfesten Stählen oder Titan-Legierungen sind hochentwickelte Präzisionswerkzeuge nötig. Diese Schneidwerkzeuge für die Zerspanung werden z. B. mit Wechselschneidplatten mit PKD-Beschichtungen bestückt.

Präzisionswerkzeuge
Dank neuer Beschichtungen wurde in den vergangenen Jahren eine deutliche Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Präzisionswerkzeugen erzielt. Je nach Art der Beschichtung trugen zu dieser Entwicklung das Einbringen von weiteren Legierungselementen, wie Silizium, Molybdän oder Wolfram, die Erhöhung der Schichtanzahl und der Schichtdicken, die Verwendung nanokristalliner Schichten und die Nachbehandlung der beschichteten Werkzeuge durch Polieren, Bürsten und Strahlen bei. Die verbesserte Verschleißfestigkeit wird je nach Anwendung auf zwei Arten genutzt. Zur Erhöhung der Produktivität können in vielen Fällen die Schnittgeschwindigkeiten erhöht und somit durch einen höheren Ausstoß die Stückkosten gesenkt werden. Das Fräsen von Stahl beispielsweise kann heute ca. 30 bis 40 Prozent schneller erfolgen als noch vor vier Jahren, wobei die Werkzeugstandzeiten gleich groß geblieben sind. Ist eine Erhöhung der Bearbeitungsgeschwindigkeit nicht erfolgt, so haben sich aufgrund der neuen Beschichtungen die Werkzeugstandzeiten seit der EMO Hannover 2001 in vielen Bereichen verdoppelt. Neue, schwer zerspanbare Werkstoffe und stark schwankende Werkstoffeigenschaften stellen die Hersteller von Präzisionswerkzeugen aktuell vor die Herausforderung, für spezifische Einsatzfälle optimierte Werkzeuge anzubieten.

Dienstleistungen
Im Bereich der Dienstleistungen rund um die Werkzeugmaschine haben einige Ansätze in der Unterstützung der Maschinenentwicklung die Marktreife erreicht. Hierbei lassen sich verschiedene Simulationsverfahren wie die Schwingungsanalyse des Maschinengestells oder Ablaufsimulationen von Bearbeitungsprogrammen zu ganzheitlichen Modellierungen koppeln.
So kann mit einem mechatronischen Simulationsansatz die dynamische Modellierung des Maschinengestells durch die Verknüpfung mit der Simulation der NC-Achsen inklusive ihrer Steuerung und mit der Modellierung der Bearbeitungsprozesse zur Ermittelung von Maschineneigenschaften wie Eigenschwingungen, Nachgiebigkeitsverhalten und der maximal ohne Ratterschwingungen möglichen Zustellung genutzt werden.
Die Nachbildung der Maschine mit allen Sensoren, Schaltern und NC-Elementen erlaubt zudem die Verknüpfung der realen PLC-Steuerung mit der Simulationsumgebung. Auf diese Art können die PLC-Programme erstellt und von Fehlern befreit werden (z. B. Kollisionskontrolle), ohne dass dafür die reale Maschine benötigt wird. Die Untersuchung des Zeitverhaltens ist damit ebenso möglich wie die Simulation von Komponentenausfällen und Störungen. Mit Hilfe dieser Kombination aus realer PLC-Steuerung und simulierter Maschine können auch Schulungen der Mitarbeiter erfolgen. Es ist zu erwarten, dass zukünftig derartige Maschinen- und Steuerungsmodelle beim Kauf einer Maschine an den Anwender mit ausgeliefert werden.
Ferner werden bereits Dienstleistungen von Werkzeugmaschinenherstellern angeboten, die ihre Kunden über den Umfang der steigenden Maschinenfunktionalitäten informieren und sie bei der Prozessauslegung beraten. Damit können die Anwender dieses Wissen bereits in die Konstruktion der herzustellenden Bauteile mit einfließen lassen und die Möglichkeiten ihrer Fertigung optimal ausnutzen.

Umformende Maschinen
Neuste Maschinen zur Warm- und Kaltmassivumformung wurden auf der EMO Hannover 2005 ebenso präsentiert, wie Maschinen zur Blech- und Rohrbearbeitung. Beim Biegen von Blechen ist eine Steigerung in der Fertigungsgenauigkeit erreicht worden. Zum einen wurde dies durch die Erhöhung der Positioniergenauigkeit der Werkzeuge realisiert. Zum anderen gab es erstmals Maschinen, die die Rückfederung der Bleche mittels Sensoren in den Abkantwerkzeugen erfassen. Durch einen zweiten Biegevorgang wird die gemessene Abweichung ausgeglichen.
Das Laserschweißen gewinnt zunehmend an Bedeutung und zeichnet sich durch geringen Verzug und geringen Nachbearbeitungsaufwand aus. Neue Herausforderungen in diesem Bereich liegen in der Herstellung von Tailored Blanks, deren Fügestellen nichtlineare Konturen besitzen. Durch neue Linsen konnten in den vergangenen vier Jahren die Schnittgeschwindigkeiten beim Laserschneiden z. B. für Aluminium verdoppelt werden. Derartige Stationen der Laserbearbeitung werden von den Blechmaschinenherstellern ebenfalls in die Prozesskette integriert.
Auch Neuerungen im Bereich der Gewinde- und Profilwalztechnolgie wurden auf der Messe gezeigt. Das spanlose Verfahren verbessert nicht nur die Belastbarkeit der gefertigten Teile, sondern ist auch aufgrund der Materialeinsparung ressourcenschonend. Prozesssicher können mit den Wälzverfahren im Allgemeinen jedoch mit IT9 bis IT8 noch nicht ganz die Verzahnungsqualitäten IT7 bis IT6 wie in der spanenden Herstellung erreicht werden.
Ferner wurde als Neuheit eine Maschine präsentiert, mit der Blechprofile im kalten Zustand gebogen werden können, ohne dass dabei Falten entstehen. Induzierte Fliessprozesse, hervorgerufen durch kleine Walzwerke im Zentrum des Biegegeschehens, revolutionieren dabei das Biegeverhalten.

Trennen
Neben klassischen Verfahren wie dem Sägen, Trennschleifen und Plasmaschneiden nehmen das Wasserstrahl- und Laserschneiden einen immer größeren Bereich ein. Wie auf der ganzen Messe ist auch hier eine Steigerung der Bearbeitungsgeschwindigkeiten sowie eine Erhöhung der erreichbaren Genauigkeiten zu verzeichnen. Ferner haben sich die maximalen Blechdicken, die verarbeitet werden können, weiter erhöht.

Automation
In vielen Bereichen der Umform- und Zerspantechnik war auf der EMO Hannover 2005 eine fortschreitende Automatisierung der Prozesse durch die Einbringung von Handhabungssystemen und Robotern in die Prozesskette zu beobachten.
Speziell bei den Abkantpressen wird ein roboterbasiertes Handling der Werkstücke von verschiedenen Herstellern neu angeboten. Bei einem ausgestellten System dienen Sensoren in den Anschlägen und ein Bildverarbeitungssystem zur Ausrichtung der Teile. Diese machen Zentrierstationen unnötig und tragen so zur Produktivitätserhöhung bei.
Allgemein gewinnen Bildverarbeitungssysteme neben Anwendungen im Bereich der Qualitätskontrolle auch innerhalb der Fertigung immer stärker an Bedeutung. Beispielsweise kann beim Zahnradschleifen durch vorheriges Erfassen der Werkstückgeometrie für jedes einzelne Werkstück eine geometrieabhängige Zustellung erfolgen und die Bearbeitungszeit dadurch verkürzt werden.
Auch für das Biegen von Rohren wurde erstmalig eine Roboteranwendung gezeigt. Zur Vereinfachung der Programmierung derartiger automatisierter Anlagen bieten die Hersteller dieselbe Steuerungsoberfläche für alle Elemente der Fertigungslinie vom Roboter bis zur Maschine an, wodurch Teachen des Roboters nicht mehr erforderlich ist.

Antriebstechnik
Neben den klassischen Kugelgewindetrieben haben sich die Linearantriebe in Werkzeugmaschinen etabliert. Mit ihnen können hohe Dynamiken und hohe Verfahrgeschwindigkeiten sowie extrem große Verfahrwege erreicht werden. Hierdurch stellen nicht mehr die Antriebe das begrenzende Element der Maschinenbewegung dar, sondern der Prozess ist durch die zulässige Bearbeitungsgeschwindigkeit bestimmend. So können bei Schleif- und Fräsprozessen nur die Geschwindigkeiten gefahren werden, die eine technologisch sinnvolle Werkzeugbelastung ergeben. Es werden linearangetriebene Achsen verwendet, die im Mittel mit bis zu 80 m/min im Eilgang verfahren werden. Bei Handhabungs- und Handlingaufgaben können die Möglichkeiten der Beschleunigung und Geschwindigkeit der Linearmotoren voll ausgenutzt und die Nebenzeiten somit gesenkt werden.
Allerdings bleiben die herkömmlichen Kugelgewindetriebe eine wirkliche Alternative. So stehen den Maschinen- und Anlagenherstellern zwei Antriebsysteme zur Verfügung, bei denen je nach Anwendungsfall ausgewählt werden muss. Linearantriebe bestechen durch eine höhere Dynamik, bessere Regelbarkeit, sehr gute Positioniergenauigkeit, Spielfreiheit und geringeren Verschleiß bei gleichzeitig höheren Systemkosten, höheren Spitzenströmen und erhöhtem Kühlungsaufwand. Auf der anderen Seite besitzen Kugelgewindetriebe zwar eine geringere Dynamik und durch Spiel und Verschleiß begründete schlechtere Positioniereigenschaften, sind allerdings günstiger in Anschaffung und Betrieb und kommen mit einfachen Strom- und Kühlmittelzuführungen aus. Gerade letztere Maßnahmen spielen bei Fertigungsanlagen mit zahlreichen Einzelmaschinen eine wichtige Rolle, da nicht die Zuführung der einzelnen Maschinen sondern des Gesamtsystems zu betrachten ist. Auch besitzen die Linearantriebe für bestimmte Prozesse bisher nicht ausreichend hohe Kräfte, gerade in der Z-Achse. Dadurch wird teilweise von einem Rückwärtstrend bei Standardmaschinen zu herkömmlichen Antrieben gesprochen.
Um die hohen Achsgeschwindigkeiten und beschleunigungen der Antriebe realisieren zu können, findet bei den Maschinenherstellern eine Gewichtsreduktion an den bewegten Teilen statt. Diese wird durch die Verwendung steifer Blechprofile anstelle von Vollmaterial und durch die konstruktiv günstige Positionierung der Antriebselemente erreicht.

Mikrobearbeitung
In der Mikrobearbeitung ist bereits vor Jahren eine Positioniergenauigkeit von deutlich unter einem Mikrometer erreicht worden, so dass zunehmend von Nanotechnik gesprochen wird. Derartige Genauigkeiten sind mit herkömmlichen Messmaschinen nicht mehr erfassbar, da sie Genauigkeiten nur im Mikrometerbereich abbilden. Der nutzbare Arbeitsraum hat sich deutlich vergrößert, da eine hochgenaue Bearbeitung zunehmend auch für größere Werkstücke aus dem Werkzeug- und Formenbau gewünscht wird. Hierbei können Oberflächengüten von 50 Nanometern erzielt und damit teilweise auf das Polieren der Werkstücke verzichtet werden. Die kleinsten momentan in der Mikrobearbeitung eingesetzten Werkzeuge besitzen aktuell Durchmesser von 30µm für Bohrer und 100µm für Fräser. Erste Experimente werden mit Fräserdurchmesser von 30µm und 10µm durchgeführt. Derartige Bearbeitungen sind nur mit modernen und angepassten Maschinenkonzepten möglich, die eine entsprechende Temperaturführung und sehr gute Dämpfungseigenschaften aufweisen.

Auch im Bereich der Schleifmaschinen war die hochgenaue Präzisionsfertigung auf der EMO Hannover 2005 ein wichtiges Thema. Die Produktivität beim Schleifen von Kleinteilen steigt aufgrund neuer Maschinen mit hohen Maschinensteifigkeiten um bis zu 50 Prozent. Auch hier wird der Trend zur Verkleinerung der Maschinen deutlich. Kleine Schleifmaschinen besitzen dank neuer Konzepte gerade ein Fünftel der Größe einer herkömmlichen Maschine.

Chinesische Aussteller
47 Aussteller aus der Volksrepublik China waren auf der EMO Hannover 2005 vertreten. Diese stellten im Bereich der Werkzeuge und Drehmaschinen aus. Es wurden hauptsächlich Drehbänke und vereinzelt auch Drehmaschinen und 3-Achs-Fräsmaschinen ausgestellt.
In den vergangenen Jahren sind einige deutsche Werkzeugmaschinenhersteller von chinesischen Unternehmen teilweise oder vollständig aufgekauft worden, so z. B. die Firmen Wohlenberg von SEC – Shanghai Electric Corporation und F. Zimmermann GmbH von Dalian Machine Tool Group. Die deutschen Hersteller fertigen ihre Produkte hauptsächlich für den hiesigen Markt, allerdings werden nach Möglichkeit Komponenten der chinesischen Eignerfirmen verwendet. Ferner haben die Eigner hierdurch Zugriff auf die deutschen Entwicklungsabteilungen für die Produkte, die für den chinesischen Markt bestimmt sind.

Zusammenfassung
Die Trends und Neuentwicklungen der vergangenen Jahren haben sich seit der EMO Hannover 2001 fortgesetzt. Dabei sind viele Systeme vom experimentellen Stadium zur Marktreife weiterentwickelt worden. Die Kunden der Werkzeugmaschinenhersteller legen besonderen Wert auf die Erhöhung der Produktivität sowie der Flexibilität bei neuen Maschinen. Durch Genauigkeitssteigerungen ist es den Maschinenherstellern gelungen, nicht nur den Anforderungen an aktuelle Bauteile gerecht zu werden, sondern auch die Prozesssicherheit deutlich zu steigern. Die hohen Kundenanforderungen an die neuen Maschinen sowie die hohe Funktionalität der Werkzeugmaschinen haben zu einer engen Zusammenarbeit zwischen dem Maschinennutzer und entwickler geführt.

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