Maschineneinhausung Hochgeschwindigkeitstür verkürzt Taktzeit von Werkzeugmaschinen

Schnelles Öffnen und Schließen von Maschinentüren kann die Taktzeit bei Werkzeugmaschinen verkürzen. Voraussetzung dafür ist eine hohe Dynamik der Türgeschwindigkeit. Aufgrund der Flexibilität in Aufbau und Geometrie ist eine maschinenbezogene Türauslegung möglich, wie die Entwicklung auf Basis eines Leichtbaukonzepts bestätigt. Die Geschwindigkeit beeinträchtigt nicht die Maschinensicherheit.

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Die Produktivität von Werkzeugmaschinen lässt sich auf unterschiedliche Weise steigern. Man beschleunigt entweder die Werkstückbearbeitung oder verkürzt die unproduktiven Nebenzeiten. Zur Senkung der Bearbeitungsdauer wird meist die Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit erhöht.

Im Schadensfall steigt dadurch die Gefahr für den Maschinenbediener, weshalb eine Erhöhung der Bearbeitungsgeschwindigkeit in vielen Fällen nicht wirtschaftlich oder bei vorhandenen Maschinen nicht ohne weiteres möglich ist.

Einen Ausweg dazu bietet die Verkürzung von Nebenzeiten. So ermöglicht ein schnelleres Öffnen und Schließen der Werkzeugmaschinentür, die Taktfrequenz der Maschinen erheblich zu steigern.

Diese Erkenntnis war Ausgangspunkt für die Entwicklung der Maschinentür Safespeed des Konstruktionsbüros Nico GmbH, Berlin (Bild 1). Sie stützt sich auf eine Umfrage des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der Technischen Universität Berlin. Befragt hatte man Hersteller von Werkzeugmaschinen im deutschsprachigen Raum.

Maschinentüren sollen schneller öffnen und schließen

Der Wunsch der Hersteller: die Öffnungs- und Schließzeit der Maschinentüren mindestens um die Hälfte zu verkürzen im Vergleich zum Ist-Stand. In Kooperation mit dem IWF ist Nico diesem Wunsch nachgekommen.

Das Ergebnis ist eine Tür mit hochdynamischer Verfahrcharakteristik. Sie entstand im Rahmen des Projekts „Entwicklung und Konstruktion einer schnellöffnenden Werkzeugmaschinentür“, an dem weitere Partner, zum Beispiel das Ingenieurbüro Langer & Laumann, Nordwalde, beteiligt waren. Die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschung (AIF) hatte das Projekt gefördert.

Auf der vergangenen Fachmesse EMO in Hannover wurde die Maschinentür in Hubausführung vorgestellt (Bild 2). Sie lässt sich doppelt so schnell öffnen wie herkömmliche Varianten. Die Schließdauer wurde um 25% verkürzt. So ergibt sich für die Hubausführung beim Öffnen eine Zeitverkürzung von 3 auf 1,5 s. Das Schließen dauert keine 4, sondern 3 s.

Leichtbau ermöglicht schnellere Maschinentüren

Ein Grund für die erhöhte Verfahrdynamik liegt in der Leichtbaukonstruktion. Man optimierte die Konstruktion mit Verbundaufbauten aus Werkstoffen, die üblicherweise nicht für die Maschineneinhausung verwendet werden.

Dennoch ist ein hoher Schutz gegeben. Das haben vorangegangene Projekte im Bereich Maschinensicherheit gezeigt. Zwischen IWF und Nico besteht insbesondere hinsichtlich der Rückhaltefähigkeit trennender Schutzeinrichtungen in Leichtbauweise eine langjährige Zusammenarbeit.

Die Lösung brachten polymere Verbundwerkstoffe mit hochfesten Polyethylen- oder Aramidfasern. Insbesondere das Polyethylen Dyneema des niederländischen Chemiekonzerns Royal DSM N.V. bietet eine extrem hohe Zugfestigkeit, die bei gleichem Gewicht bis zu fünfzehnmal höher als Stahl (2500 bis 3000 N/mm2) ist. Im Vergleich zu Aramidfasern fällt sie um 40% besser aus.

In Kombination mit Stahlblech ermöglichen diese Verbundwerkstoffe einen Sandwich-Aufbau, der für eine hohe Rückhaltefähigkeit sorgt. So hat diese Werkstoffkombination trotz der Gewichtseinsparung die Aufprallprüfung der Widerstandsklasse C3 nach DIN EN 12415 bestanden.

Gewichtsreduzierung wichtig für Antriebsauswahl

Die Gewichtseinsparung beträgt im Vergleich zu herkömmlichen Maschinentüren etwa 11 kg/m2. Somit ist die Leichtbautür in Hubausführung um rund ein Viertel leichter. Weitere Einspareffekte lassen anforderungsgerechte Fenster erwarten.

Die Gewichtseinsparung war eine wesentliche Voraussetzung für die Verwendung eines robusten, verbesserten Türantriebssystems, das großzügig dimensionierte Zahnriemen zur Kraftübertragung, stabile Führungen zum sicheren Verfahren und Hydraulikzylinder zur Endlagendämpfung umfasst. Die Führungen sind für eine Geschwindigkeit bis 2,5 m/s ausgelegt. Die Beschleunigung kann bis zu 20 m/s2 betragen. Aufgrund einer robusten, geräuscharmen Rollenführung halten sich die Anforderungen an die Geradheit der Unterkonstruktion in Grenzen.

Diese Verbesserungen zeigen, dass hinter der Zeiteinsparung ein Gesamtkonzept steckt. Es basiert auf Modulen, die sich je nach Maschine ändern lassen.

Maschinentür auch als Schieb-Hub-Kombination

So ist die Maschinentür bei Ecken als Schieb-Hub-Kombination ausführbar. Das schafft mehr Freiraum und führt zu vorteilhaften Maschinenkonzepten.

Bei nebeneinander angeordneten, unabhängig oder gemeinsam verfahrbaren Hubtüren stehen dem Maschinenbediener die Optionen „wechselseitiges Rüsten und Arbeiten“ sowie „Beschicken mit größeren Werkstücken“ offen. Den größten Nutzen bietet das Konzept aber bei Maschinen, die nicht hauptzeitparallel zu beschicken sind: zum Beispiel bei Fünf-Achs-Maschinen. Vor allem in Kombination mit einer automatischen Beschickung lassen sich wertvolle Sekunden bei jedem Werkstück gewinnen.

Die Modulbauweise ermöglicht ein Sicherheitskonzept, das jeweils dem Prozess in der Maschine angepasst ist. Das lässt sich anhand einer Drehmaschinentür zeigen, die bei einer Einhausung im Prototypstadium umgesetzt wurde (Bild 3).

Sicherheitssystem auf die Maschinentür abgestimmt

Für den Prototypen hat man ein kombiniertes Sicherheitssystem entwickelt, das auf die schnellöffnende Tür abgestimmt ist. So kann der Bediener die Maschine bei Gewährleistung des Schutzes vor Gefährdungen des Bearbeitungsprozesses bei minimaler Beeinträchtigung bestücken.

Die Tür ist so konzipiert, dass sie sich mit maximaler Verfahrgeschwindigkeit ohne Gefährdung durch Stoß, Quetschen, Scheren oder Einziehen öffnen lässt. Befindet sich der Bediener im gefährdeten Bereich, wird die Schließgeschwindigkeit begrenzt.

Für die Überwachung kommt ein in der senkrechten Ebene wirkender Laserscanner zur Anwendung. Eine Lichtschranke schützt gegen sogenanntes Hintertreten.

Sobald keine Person gefährdet ist, erfolgt das Schließen mit hoher Geschwindigkeit. Die Abfrage erfolgt während der gesamten Schließbewegung und führt bei Zustandsänderung zur Anpassung der Geschwindigkeit.

Somit ist eine Geschwindigkeitsmaximierung möglich, die jeweils unter Sicherheitsaspekten erreicht werden kann. Häufig angeführte Gründe, aus Zeiteinsparung die Schutzeinrichtung zu manipulieren existieren nicht mehr. Für die Zukunft ist geplant, die Verfahrgeschwindigkeit der Tür in Abhängigkeit vom Personenabstand zu regulieren: Je weiter die Person im Gefahrenbereich ist, desto niedriger die Geschwindigkeit.

Dipl.-Ing. Ivo Karrasch ist Geschäftsführer der Nico GmbH in 12681 Berlin.

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