Die METAV Düsseldorf 2006, die internationale Messe für Fertigungstechnik und Automatisierung, präsentierte zahlreiche Innovationen und Neuentwicklungen auf den Gebieten Werkzeugmaschinen, Präzisionswerkzeuge, Peripherie und Dienstleistungen. Dabei dominierten nach wie vor die Themen Systemintegration und Automatisierung für die Fertigung. Neue technische Trends waren nicht nur in den Bereichen Maschinenkonzepte und Präzisionswerkzeuge zu beobachten, sondern verstärkt in Detaillösungen, die zur Verbesserung der Maschineneigenschaften und des Bearbeitungsprozesses beitragen. Aspekte wie die Steigerung der Genauigkeit bei der Systemintegration, die Präzisionsbearbeitung und die Kosteneffizienz standen im Fokus. Ebenso waren neue Anwendungsfelder ein Thema, wie beispielsweise die Fertigung von Miniaturpumpen für die Medizintechnik.
Mit der Vortragsveranstaltung praxis+trends bot die METAV Düsseldorf 2006 erstmalig zum Thema „Simulation – Eine Investition in die Zukunft“ eine Diskussionsplattform für Entwickler und Wissenschaftler.
Innovation im Detail
Innovation im Detail zeichnete die diesjährige METAV Düsseldorf 2006 im Besonderen aus. Es wurden unterschiedlichste Lösungen für die Fertigung und Automatisierung vorgestellt. Getrieben von der Zielsetzung, die Genauigkeit zu steigern, die Maschinendynamik sowohl in den Hauptzeiten als auch den Nebenzeiten zu erhöhen und dabei weiterhin die Kosten zu senken, zeigten die Hersteller ihre Lösungen für unterschiedliche Anwendungsbereiche.
“Innovationen im Detail“ betrafen z.B. innovative Lager für Direktantriebe oder montagefertige, federvorgespannte Spindellager-Einheiten für das Gesamtsystem Produktionsmaschine. Die optimierten Lagersysteme erreichen durch ihre hohe Genauigkeit eine verbesserte Tragfähigkeit. Die Produkte sind für ihren Systemeinsatz aufeinander und auf die Systeme des Kunden abgestimmt. Wichtige Funktionen wie Messen, Abdichten, Schmieren oder Bremsen wurden integriert, was zu einer Reduzierung der Schnittstellen und zu höheren Genauigkeiten führt. Darüber hinaus ergeben sich weitere Vorteile wie der geringere Bauraum, die einfachere Montage und eine höhere Anzahl wartungsfreier Bestandteile. Diese Eigenschaft können entweder direkt in eine Erhöhung der Spindeldrehzahlen umgesetzt werden oder in eine Verlängerung der Lebensdauer. Die montagefertigen Spindellagereinheiten weisen einen kompakten Aufbau auf, so dass die Werkzeugmaschinenhersteller diese schnell, zuverlässig und effizient in das Gesamtsystem integrieren können. Damit werden die Maschinen kompakter, leistungsstärker und rentabler (Beispiel: Firma Schäffler KG, Herzogenaurach).
Kostensenkung durch Robotereinsatz
Kostensenkung wird auf der Anlagenebene beispielsweise durch flexible Roboterzellen realisiert. Die eingesetzten Roboter ermöglichen sowohl die schnelle Erstellung komplexer Baugruppen mittels einer abgestimmten Beschickung als auch Bearbeitungsoperationen, die durch Montage und Prüfaufgaben ergänzt werden (Beispiel: Firma Haindling-Tech Automations-Systeme GmbH, Stuttgart/Möhringen).
Weitere Kostensenkungspotenziale bieten Automatisierungskonzepte mit speziellen Palettenwechsel- und Werkzeugzusatzmagazinen für die Einzelteilfertigung oder für kleinere Serien (Beispiel: Firma Hermle AG, Gosheim).
Hochgenaue Bearbeitung durch Präzisionswerkzeuge
Auf der METAV zeigte ein Unternehmen ein verbessertes hydrostatisches Werkzeug zur Oberflächenverfestigung beim Glatt- und Festwalzen bei dünnwandigen komplexen Bauteilen. In Zusammenarbeit mit dem Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen konnte durch den zangenartigen Aufbau des Werkzeugs eine Aufhebung der Walzkräfte realisiert werden. Basierend auf dem Prinzip hydrostatisch arbeitender Werkzeuge ist es mit zwei Walzelementen ausgestattet. Die Walzelemente haben einen rotatorischen Freiheitsgrad, der verhindert, dass das Werkstück in eine Zwangslage gerät. Auf diese Weise kann ein definierter Bereich gewalzt werden. Durch den Einsatz dieses Werkzeuges werden beim Glatt- und Festwalzen die Oberflächenqualität und die Oberflächenhärte erhöht sowie der Eigenspannungszustand verringert. Die drei genannten Faktoren beeinflussen maßgeblich die Lebensdauer von Bauteilen unter dynamischer Belastung (Beispiel: Firma Ecoroll AG, Celle). Durch die Lebensdauersteigerung hat sich die Anwendung des Glatt- und Festwalzens verbreitert und wird bei Sportwagen, Nutzfahrzeugen und in der Luftfahrtindustrie eingesetzt.
Bei den Werkzeugen wurden die neuesten Schichtentwicklungen zur Erhöhung der Standzeiten vorgestellt. Dies führt wiederum zu einem verbesserten Zerspanungs- bzw. Leistungsvermögen des Gesamtsystems Werkzeugmaschine. Das bedeutet konkret, dass mit der AlCrN-basierten Schicht „Balinit Helica“ mehr Löcher gebohrt werden können und sich zusätzlich die Prozesszeiten beim Bohren verkürzen lassen. Die mittels PVD-Beschichtungsverfahren (Physical Vapor Deposition) aufgetragene Multilayer-Struktur sorgt dabei für eine hohe Scherfestigkeit und für einen homogenen Verschleiß. Sie zeichnet sich durch Rissfestigkeit und Zähigkeit aus. Die Schichtoberfläche ist extrem glatt und ermöglicht einen hervorragenden Abtransport der Späne. Damit weist die „Balinit Helica“-Schicht eine weitaus bessere Verschleißhärte auf, als die herkömmlichen Titanaluminiumnitridschichten. Die Automobilindustrie kann dadurch Getriebe wirtschaftlich fertigen (Beispiel: Firma Balzers Verschleißschutz GmbH, Bingen).
Spannsysteme für jeden Anwendungsfall
Jede spezifische Anwendung stellt andere Ansprüche an ein Werkzeughaltersystem. Um größtmögliche Spannkraft zu gewährleisten, wurden Lösungen für unterschiedliche Prozesse vorgestellt. Für die HSC-Fräsbearbeitung wurde beispielsweise ein Werkzeughaltersystem entwickelt, das eine hochgenaue Bearbeitung bei höchsten Spindeldrehzahlen bis zu 60 000 min-1 gewährleistet. Bemerkenswert sind dabei die kleine Bauweise, der Spanndurchmesser (ab 0,3 mm) sowie die optimale Schwingungsdämpfung. Darüber hinaus wurden Spannsysteme für die Minimalmengenschmierung vorgestellt (Beispiel: Firma Schunk GmbH & Co KG, Lauffen/Neckar).
Leistungsstarke Spindelsysteme
Neben den Werkzeugen und den Werkzeugspannsystemen ermöglichen leistungsstarke Antriebsspindeln eine präzise Zerspanung. Hierzu zeigt das Beispiel einer neuen Hochfrequenzspindel, dass auch bei der hohen Drehzahl von 75 000 min-1 die Werkzeugaufnahme HSK25 verwendet werden kann. Derartige Hochfrequenzspindeln leisten einen besonderen Beitrag für die Hochpräzisionsbearbeitung mit kleineren Werkzeugen für den Werkzeug- und Formenbau oder für das Hochleistungsschleifen (Beispiel: Firma GMN Paul Müller Industrie GmbH & Co KG, Nürnberg).
Die auf der METAV Düsseldorf 2006 ausgestellten vielfältigen Spindelsysteme zeigen darüber hinaus, wie wichtig die richtige Auswahl für den jeweiligen Anwendungsfall ist. Sie entscheidet oft über Erfolg oder Misserfolg im Zerspanungsprozess. Je nach Einsatzgebiet, z.B. im Werkzeug- und Formenbau, in der Serienproduktion oder der Luft- und Raumfahrt, entstehen unterschiedliche Anforderungen an die Motorspindeln. Das Ziel ist immer, eine dynamische und trotzdem sehr steife Konstruktion mit hoher Leistungsdichte zu erreichen. Für den Kundennutzen bedeutet die Leistungsdichte ein hohes Zerspanungsvolumen. Auch hier bedarf es Innovationen im Detail. Es gilt die Lagersätze mit den Hybridlagern bzgl. des verwendeten Werkstoffes für die Kugeln bzw. für die Außen- und Innenringe in Kombination mit einer Fettschmierung oder einer Außenring-Direktschmierung abzustimmen. Nur so lassen sich höchste Drehzahlen bei großen und steifen Lagern realisieren (Beispiel: Firma Step-Tec AG, Luterbach, Schweiz).
Punktgenau positionieren
Das hohe Gewicht des Spindel- und Werkzeugspannsystems einschließlich des Werkzeugs sind punktgenau und möglichst schnell zu positionieren. Ein beispielsweise 600 kg schwerer Fräskopf wird durch einen Direktantrieb beschleunigt und anschließend gebremst. Dabei muss das bis zu sechsfache seines Nenndrehmoments beherrscht werden. Durch Zusatzapplikationen, wie eine Bremse, wird für das System eine maximale Betriebssicherheit gewährleistet. Die Führung des Fräskopfes mit einer Kugelumlaufspindel und Integration der Gewindemutter in den Motor wird eine hohe statische und dynamische Steifigkeit zwischen Spindel und Motor erreicht. Es steigen somit die Beschleunigungsfähigkeit und die Positioniergenauigkeit, die Gleichförmigkeit und die Lebensdauer (Beispiel: Firma Servax Landert Motoren AG, Bülach, Schweiz).
Leistungs- und Genauigkeitssteigerung
Innovationen direkt in höhere Produktivität, verbesserte Genauigkeit, Flexibilität und Zuverlässigkeit umzusetzen, diese Ziele verfolgen die Hersteller von Werkzeugmaschinen und ihre Kunden gleichermaßen. Für die Erreichung der genannten Ziele müssen folgende technische Details in der Entwicklung berücksichtigt werden: Eine zunehmende Produktivität wird durch ein hohes Drehmoment und eine hohe Hauptspindelleistung in Verbindung mit höheren Eilgängen und Spindeldrehzahlen erreicht. Eine Erhöhung der Steifigkeit, beispielsweise der Vorschubantriebe, ist durch eine vorgespannte Präzisionskugelumlaufspindel mit angetriebener Mutter zu realisieren. Die Längenausdehnung muss hierbei automatisch kompensiert werden. Um eine thermische Stabilität der Maschine zu gewährleisten, hat sich die zentrale und damit symmetrische Anordnung des Spindelkastens im Maschinenständer bewährt. Die Spindellagerungen können über Minimalmengenschmierung versorgt werden. Die Flexibilität wird durch unterschiedliche Abstufung der Automatisierung sowohl für die Serien- als auch für Einzelfertigung ermöglicht. Die Zuverlässigkeit einer solchen Maschine kann durch Konzepte für eine einfache Instandhaltung und durch Bedienerfreundlichkeit erhöht werden. Ein Fernüberwachungssystem unterstützt eine effiziente Fehlerdiagnose (Beispiel: Firma Pama S.P.A, Rovereto, Italien). Die Realisierung der genannten Ziele wurde auf der METAV Düsseldorf 2006 ausgestellt.
Bewährtes Maschinenkonzept für höchste Dynamik
Nach wie vor beherrscht die Dynamisierung der Antriebe die Werkzeugmaschinenentwicklung, um eine hohe Produktivität zu erreichen. Die Ausstattung einer Portalfräsmaschine mit Linearantrieben ist ein Beleg dafür. Eine HSC-Fräsbearbeitung mit kleinen Werkzeugdurchmessern wird durch hohe Vorschübe bis zu 60m/min und eine hohe Spindeldrehzahl von 35 000min-1 gewährleistet. Dies ermöglicht ein Zerspanvolumen bei Aluminium bis zu 6 000cm3/min.
Durch den Einsatz von Torquemotoren für die Rundtisch- und Schwenkachsen wird eine hohe Dynamik für die Rotationsachsen realisiert. Um hohe Beschleunigungswerte in den rotatorischen und translatorischen Achsen zu erreichen, ist eine entsprechende eigensteife Konstruktion der Gestellbauteile eine Voraussetzung. Diese wird durch ein Graugussbett und geschweißte Seitenwände sowie durch eine Schweißkonstruktion des Portals und des Z-Schlittens erreicht. Eine Vibrationsdämpfung und eine Temperaturstabilisierung wird durch das Ausgießen der Gestellbauteile mit Reaktionsharzbeton ermöglicht. Aufgrund seiner thermischen Trägheit und der dämpfenden Wirkung des Reaktionsharzbetons, wirkt sich dies positiv auf das thermische Verhalten und das Eigenschwingungsverhalten der Maschine aus (Beispiel: Firma F. Zimmermann GmbH, Denkendorf).
Neue Anwendungsfelder für die Fertigungstechnik
Über klassische Anwendungsfelder der Fertigungstechnik hinaus können die Maschinenhersteller mit geeigneten Maschinen und Werkzeugen für die Bearbeitung hochfester Werkstoffe neue Märkte erschließen. Ein Beispiel dafür bietet die Medizintechnik. Neben Zahnimplantaten, Verbindungsschrauben für Knochenbrüche und Hüftgelenken gibt es mittlerweile eine Reihe neuer Produkte, die auf Werkzeugmaschinen gefertigt werden können. Die Oberfläche eines Keramik-Hüftgelenk wird mittels eines Diamantwerkzeuges geglättet und die Form genau auf die menschliche Anatomie angepasst. Hochwertige Titannägel, Verbindungszapfen und Teile von Miniaturpumpen für die Herzchirurgie gehören ebenso zum Produktspektrum. Darüber hinaus werden Werkzeuge, aber auch spezielle Bauteile für Verpackungsmaschinen für die Medizintechnik (z. B. für die Fertigung von Ampullen) hergestellt. Weitere Anwendungen sind das Laser- verschweißen der Gehäuse von Herzpumpen sowie die Laserbeschriftung, die schließlich bei der Kennzeichnung der Produkte hilft.
Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Luftfahrtindustrie. Hier besteht die besondere Herausforderung in der Beherrschung großer Bauteilgrößen. Deren µ-genaue Komplettbearbeitung eröffnet neue Perspektiven für die Fertigungstechnik.
Aus prozesstechnischer Sicht kommen neue Verfahren zur Anwendung, wie die kombinierte Ultraschall- und Fräsbearbeitung bzw. die Laser- und Fräsbearbeitung. Die Ultrasonic-Technologie ermöglicht u. a. die präzise Fertigung von Stablinsen aus Glas und Korund. Durch eine hochfrequente Anregung wird eine aktive Vibration am Werkzeug erzeugt, welche das Diamantwerkzeug, je nach verwendeten Spindeltypen bis zu 48 000 Mal pro Sekunde in vertikaler Richtung pulsieren lässt. Infolge dieser Ultraschall-Anregung können Kleinstpartikel aus der Werkstückoberfläche von hartspröden Materialien mit bis zu 5-fach höheren Abtragsraten gegenüber konventionellen Bearbeitungsverfahren abgetragen werden. Die präzise Bearbeitung schwer zerspanbarer Materialien mittels Diamantwerkzeuge gleicht dabei einem Schlichtvorgang und garantiert höchste Oberflächengüte (Beispiel: Firma Gildemeister AG, Bielefeld).
Vortragsreihe praxis+trends bei der METAV Düsseldorf 2006
Gefertigt wie geplant! Potenziale der Simulation von Werkzeugmaschinen, Prozess und Produktion.
„Deutschland hält den Vorsprung durch Know-how und High-Tech-Anwen-dungen“, so lautete eine Schlagzeile in der Vorberichterstattung anlässlich der METAV in Düsseldorf. Innovative Ideen, die schnell in reale Produkte und Prozesse umgesetzt werden, sind die Erfolgsfaktoren für eine Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit. Die Simulation der Produkteigenschaften und ihrer Herstellungsprozesse in einer sehr frühen Entwicklungsphase gewinnt daher zunehmend an Bedeutung und wird der Garant für die Technologieführerschaft und Reaktionsgeschwindigkeit im globalen Markt. Rainer Müller, Leiter Entwicklung bei Siemens Automation & Drives in Erlangen, ist der Meinung: „Wer frühzeitig angefangen hat, der hat heute die Nase vorne.“ Erstmals im Rahmen der METAV-Veranstaltung praxis+trends referierten Experten aus Unternehmen des Werkzeugmaschinenbaus, der Systemlieferanten sowie Vertreter aus der Forschung zum Thema: „Gefertigt wie geplant! Potenziale der Simulation von Werkzeugmaschinen, Prozess und Produktion.“ Es ging vorrangig um den Einsatz von Simulationstechniken für Maschinen und Prozesse in der Entwicklung und um die praktische Anwendung in den Unternehmen.
Gespiegelt am Alltag in der Werkzeugmaschinenindustrie wurden die Potenziale für die Unternehmen sowie die Grenzen der unterschiedlichen Simulationsmethoden aufgezeigt. Am Beispiel der Designoptimierung eines Strukturbauteiles wurde die Effizienz der Simulationstechnik für die Mechanik dargestellt. Darüber hinaus zeigten Industrievertreter, wie die Simulation auf Fabrikebene eine höhere Anlagenproduktivität durch die Anwendung virtueller Werkzeuge ermöglicht.
Für den Bereich der interdisziplinären Simulation wurde am Beispiel eines Systemlieferanten gezeigt, wie die Simulation den gesamten Lebenszyklus einer Werkzeugmaschine begleitet. Ziel ist es dabei, die Produktqualität, die Maschinenzuverlässigkeit und die Produktivität für unterschiedliche Produkte auf hohem Niveau zu halten und fortwährend zu verbessern.
Aus Sicht der Forschung wurden Impulse für die künftige Entwicklung und Simulation vorgestellt. Die integrierte, gekoppelte Simulation von Maschine, Werkstück und Fertigungsprozess sowie die derzeit noch offenen Fragestellungen wurden anhand unterschiedlicher Modellvorstellungen diskutiert und erläutert. Mittels einer beispielhaften Gegenüberstellung gemessener und simulierter Zerspankräfte wurde die Effektivität der eingesetzten Simulationsmethoden dargestellt. Im Weiteren wurden Unsicherheiten und mögliche Entwicklungspotenziale einer integrierten, gekoppelten Simulation erklärt.
Darüber hinaus wurde den Teilnehmern die Thematik durch Prognosen über Stabilitätsgrenzen für das Fräsen sowie den Einfluss der Modellstruktur und Parametrierung vermittelt. Abschließend erfolgte die Vorstellung einer Virtual Reality basierten Entwicklungsplattform für Werkzeugmaschinen (VRAx) und deren Potenziale für die vier Abstraktionsebenen der Simulationstechnik (Fabrik, Anlage, Maschine und Prozess).
Zusammenfassung
Die METAV Düsseldorf 2006 beeindruckte durch innovative Lösungen für die Fertigungs- und Automatisierungstechnik. Die Aussteller konnten ihren Kunden und Interessenten Systeme bis ins kleinste Detail vorstellen, mit denen sich ihre Bearbeitungsprozesse rationeller, effektiver und genauer gestalten lassen. Die METAV Düsseldorf 2006 war eine eindrucksvolle Leistungsschau des nationalen und internationalen Maschinenbaus. Rund 47 500 Besucher der Fachmesse für Fertigungstechnik und Automatisierung trugen maßgeblich zum Erfolg für die Aussteller bei. Den Maschinenherstellern ist es gelungen, durch „Innovation im Detail“ sowie durch neue Maschinenkonzepte, leistungsstarke Präzisionswerkzeuge, durch intelligente Zusatzeinrichtungen aber auch mittels kundenorientierter Dienstleistungen eine höhere Produktivität anzubieten und damit das Interesse ihrer Kunden zu wecken. Der wirtschaftliche Aufwärtstrend ist durch die gestiegene Nachfrage nach High-End-Produkten für höchste Genauigkeitsansprüche und Prozessbeherrschung auf der METAV Düsseldorf 2006 erfolgreich fortgesetzt worden.
