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Mineralguss ersetzt zunehmend Grauguss bei Gestellen für Präzisionsmaschinen. Erst belächelt, dann zeitweise bekämpft ist heute das Gestell aus Mineralguss ein wesentliches Verkaufsargument für...

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Mineralguss ersetzt zunehmend Grauguss bei Gestellen für PräzisionsmaschinenErst belächelt, dann zeitweise bekämpft ist heute das Gestell aus Mineralguss ein wesentliches Verkaufsargument für hochdynamische Maschinen. Was sind die Ursachen dafür? Welche technischen und wirtschaftlichen Vorteile bietet Mineralguss? Das dynamische Verhalten von Maschinen mit rotierenden Bauteilen gewinnt aufgrund steigender Drehzahlen und Beschleunigung der Achsen zunehmend an Bedeutung. Schnellere Positionierzeiten und Werkzeugwechsel sowie hohe Vorschubgeschwindigkeit führen zur Verstärkung mechanischer Resonanzen und damit zu einer größeren dynamischen Anregung der Maschinenstruktur. Außer der geometrischen Anordnung der Maschinenkomponenten, ihrer mechanischen Nachgiebigkeit, Fügestellen und Masseverteilung wird die dynamische Steifigkeit maßgeblich von der Schwingungsdämpfung des Werkstoffs beeinflusst. Hierfür bietet sich Mineralguss als der geeignetere Gestellwerkstoff an. Er besitzt eine bis zu zehnmal bessere Schwingungsdämpfung als konventionelle Gestellwerkstoffe. Wesentlich kleinere Amplituden und eine starke Reduzierung der Eigenschwingungen führen bei spanabhebenden Fertigungsverfahren nachweisbar zur Erhöhung der Positioniergenauigkeit, Verbesserung der Werkstückoberfläche und Verlängerung der Werkzeugstandzeiten.Forderungen nach begrenzten und reduzierten Geräuschemissionen bei Produktionseinrichtungen sind aktueller denn je: Die geräuschmindernde Wirkung von Mineralguss ist in vielfältigen, vergleichenden Untersuchungen an Maschinengestellen, Getriebegehäusen und Aufnahmen für Großmotoren und Zentrifugen nachgewiesen worden. Körperschallanalysen zeigten teilweise Reduzierungen des Schalldruckpegels von über 20%. Mineralguss hat ein Drittel des spezifischen Gewichts und des Elastizitätsmoduls vom klassischen Gestellwerkstoff Grauguss. Das heißt: Mit Mineralguss lassen sich im Vergleich zu Grauguss ebenso steife Maschinengestelle herstellen - mit gleichen oder niedrigerem Konstruktionsgewicht. Die hohe spezifische Wärmekapazität und niedrige Wärmeleitfähigkeit bewirken ein träges Verhalten von Mineralguss gegenüber kurzzeitigen Temperatureinflüssen und Raumtemperaturschwankungen. Daraus resultieren kleinere temperaturabhängige Gestellverformungen und damit eine höhere Maßgenauigkeit. Eine bessere Energiebilanz bei der Herstellung gegenüber Grauguss (keine externe Wärmezufuhr, etwa 20% weniger Primärenergie), eine problemlose Entsorgung auf Bauschuttdeponien sowie eine Verwertung als Recyclingbaustoff untermauern die Vorteile von Mineralguss auch ökologisch.Niedrigere Gesamtkosten durch FunktionsintegrationWaren es in der Vergangenheit fast ausschließlich technische Überlegungen, die zur Verwendung von Mineralguss führten, so spielt heute in zunehmendem Maß auch das verbesserte Preis-Leistungs-Verhältnis eine entscheidende Rolle. Hierzu haben im wesentlichen folgende Entwicklungen beigetragen:- Die Mineralgussproduktion ist heutzutage industrialisiert und teilautomatisiert.- Das Fertigungsvolumen ist enorm gestiegen. Großserienfertigung wird erreicht. Bei führenden Herstellern werden bis zu 3500 t Mineralgussprodukte im Jahr gegossen.- Modernes Engineering ist bei den Mineralgussproduzenten eingekehrt und hat die Arbeitseffizienz erhöht.- Die Gießformen erreichen inzwischen hohe Standzeiten.- Der zunehmende Wettbewerb zwischen den Mineralgussproduzenten hat zu einem Entwicklungsschub geführt.- Immer häufiger stehen bei der Produktentwicklung nicht Einzelkomponenten, sondern ganzheitliche Lösungen im Vordergrund.Im Maschinenbau lassen sich mit Mineralgussgestellen erhebliche Kosteneinsparungen bei der Herstellung und dem Betrieb von Maschinen erschließen. Außer den Einsparungseffekten bei der mechanischen Gestellbearbeitung, der Reduzierung von Maschinenverkleidung sowie einer möglichen Verringerung des Aufwands in der eigenen Endmontage (Verkürzung der Durchlaufzeiten) können in zunehmendem Maß auch Logistikkosten (Lager und Transport) gesenkt werden.Im Umfeld aktueller Entwicklungen sowie neuester chemischer Werkstoffe werden Mineralgusslösungen realisiert, die ohne kostenintensive eingegossene Sonderteile und aufwendige mechanische Bearbeitung auskommen (Bild 1). Das ist zum Beispiel beim Einsatz moderner Profilschienenführungen und Linearmotoren der Fall.Für den Preisvergleich zwischen konventionellen und Mineralguss-Gestellen ist die einfache Multiplikation von Gewicht und Kilogrammpreis in der Regel nicht geeignet. Aufgrund der wesentlich höheren Funktionalität eines Gestells sind komplexere Betrachtungen notwendig. Der Kilogrammpreis bei Maschinengestellen aus Mineralguss hängt wesentlich vom Grad der Funktionsintegration und Komplettierung im Sinne einer Systemlösung ab:- Durch Integration zusätzlicher Gestellfunktionen während des Gießens (Erzeugen von Gewindebohrungen und Rohrleitungen für Kühl- und Schmiermittel sowie für die Hydraulik, Pneumatik und Elektrik, von Leerrohren, Behältern und Bleche) schlagen sich Kosten, die bei konventionellen Gestellen erst in späteren Fertigungs- oder Montageschritten anfallen, bereits im Gestellrohling nieder.- Der Komplettierungsgrad beschreibt die weitere Veredelung des Mineralguss-Rohlings in Sinne einer Gestell-Systemlösung. Zwei wesentliche Stufen sind die Herstellung präziser Flächen in Endqualität sowie die Montage weiterer Komponenten wie Führungen, Tische, Schlitten, Antriebe, Maßstäbe und Blechstrukturen.Aus Integrations- und Komplettierungsgrad ergeben sich eine Vielzahl möglicher Kostenbestandteile bei einem Maschinengestell, die je nach Konstruktion unterschiedlich groß sein können. Zählt man die einzelnen Bestandteile zusammen, können durch mineralgussgerechte Maschinengestelle bis zu 30% Kostenvorteile gegenüber konventionellen Gestellwerkstoffen erzielt werden. Frühzeitiger Kontakt zum Mineralgießer und die Nutzung seines Engineering-Know-hows sind oft der Einstieg in technisch und wirtschaftlich optimierte Maschinengestelle.Verbessertes Arbeiten bei rauer ProduktionIm neuesten Produkt der Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH, Oberkochen - der Koordinatenmessmaschine Center-Max, die der höchsten Genauigkeitsklasse entspricht - findet die Mineralgusstechnik erstmals Anwendung. Höchste Genauigkeitsklasse bedeutet bei diesem Gerät, dass damit zum Beispiel 500 mm lange Objekte bis auf zwei Tausendstel Millimeter genau zuverlässig gemessen werden können. Diese Genauigkeit war bis jetzt nur mit Geräten erreichbar, die in klimatisierten Messräumen oder in vergleichbaren Umhausungen standen. Das Koordinatenmessgerät prüft mikrometergenau auch unter rauen Bedingungen: bei starken Temperatur- und Luftfeuchteschwankungen sowie hoher Schwingungs- und Schmutzbelastung.Hierbei wird die Möglichkeit genutzt, in den Mineralguss teilweise umschäumte Inserts zur Schwingungs-, Last- und Temperaturentkopplung einzugießen. Alle Antriebs- und Reaktionskräfte werden direkt in die Mineralgussstruktur geleitet. Die hervorragende Werkstoffdämpfung lässt sich voll nutzen. Die hohe Grundmasse des statischen Geräteteils aus Mineralguss sorgt in Verbindung mit einem dynamischen Luftfeder- und -dämpfungssystem für eine optimale Resistenz gegenüber Bodenschwingungen und für ein hervorragendes dynamisches Verhalten bewegter Maschinenachsen. Untersuchungen bezüglich Messgenauigkeit, Temperatur- und Schwingungsverhalten sowie vielfältige Praxiserfahrungen zeigen, dass es gelungen ist, mit diesem Gerätekonzept ein hochgenau arbeitendes Messgerät in unmittelbarer Produktionsumgebung zu realisieren. Mineralguss ist Lösung für HSC-MaschinenÄhnlich wie bei der Metallbearbeitung steigen auch in der Holzindustrie Drehzahl, Beschleunigung und Vorschubgeschwindigkeit von Werkzeugmaschinen. Um trotz der damit verbundenen höheren dynamischen Maschinenanregung eine hohe Fertigungsgenauigkeit zu erzielen, wird von Herstellern Mineralguss als Gestellwerkstoff eingesetzt (Bild 2), zum Beispiel von der Steinemann AG, St. Gallen/Schweiz.Auch in der HSC-Bearbeitung gibt es im zunehmenden Maß Maschinen, die mit Mineralguss-Gestellen ausgerüstet sind. So wurde für die Maschine HSM 600 der Mikron Comp-Tec AG, Nidau/Schweiz, auf der Basis von Mineralguss ein Portalkonzept entwickelt, das zum Patent angemeldet ist (Bild 1). Dadurch kann bei einem Werkstückgewicht bis zu 800 kg Gewicht jede Antriebsachse mit maximal 10 m/s2 beschleunigt und im Eilgang von 40 m/min ,,gefahren" werden.Die Erfahrungen mit Mineralguss als Gestellwerkstoff sind sowohl für Maschinenbauer als auch für Maschinennutzer äußerst positiv. Daraus lassen sich Weiterentwicklungen ableiten, die drei wesentliche Richtungen beinhalten werden:- Es werden verbesserte Mineralgusswerkstoffe auf den Markt kommen. Aufgrund der Möglichkeit zur Werkstoffkombination lassen sich Maschinengestelle mit speziellen Eigenschaften herstellen.- Aufgrund des Trends zu Systemlösungen wird sich der Komplettierungsgrad von Mineralgussgestellen erhöhen. Dadurch lassen sich zunehmend Führungen, Tische, Schlitten, Antriebe und Maßstäbe in Endqualität an die Gestelle montieren. Teile von Maschinenverkleidungen werden in den Mineralguss integriert oder montiert.- Die Verwendung von Mineralgussgestellen erleichtert die Einbindung von Adaptronik und Mikrotechnik in Maschinen und Geräte. Durch Integration sensorischer und aktuatorischer Funktionalität in die Gestellstruktur werden Voraussetzungen geschaffen, auf die Dynamik des Bearbeitungsprozesses und auf Umgebungseinflüsse ,,intelligent" zu reagieren.