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125 Jahre Maschinenmarkt Prognostiziertes Wachstum für die Zerspanung

| Redakteur: Mag. Victoria Sonnenberg

Im Interview verrät Prof. Dirk Biermann, Chef des Instituts für Spanende Fertigung (ISF) Dortmund, warum er für die spanende Fertigung weiterhin sehr gute Wachstumschancen sieht.

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Mapal brachte 2014 mit dem Schneidplattenbohrer QTD für den Durchmesserbereich 8 bis 13 mm das erste additiv gefertigte Produkt zur Serienreife.
Mapal brachte 2014 mit dem Schneidplattenbohrer QTD für den Durchmesserbereich 8 bis 13 mm das erste additiv gefertigte Produkt zur Serienreife.
(Bild: Mapal)

Das Institut für Spanende Fertigung (ISF), derzeit unter der Leitung von Prof. Dirk Biermann, beschäftigt sich seit mehr als vier Jahrzehnten mit allen relevanten Zerspanprozessen ebenso wie mit dem informationstechnischen Umfeld der Zerspanung. Betrachtet werden die Verfahren Drehen, Bohren, Tiefbohren, Fräsen, Schleifen, Honen und Strahlen. Viele der genannten Prozesse werden am ISF im Hochgeschwindigkeits- (HSC) oder im Hochleistungsbereich (HPC) betrieben und innerhalb aktueller Forschungsarbeiten ständig weiter qualifiziert. Grund genug, um sich im Gespräch mit dem Institutsleiter über die Zukunft der Branche zu unterhalten.

Bei etwa zwei Dritteln aller in Deutschland gebauten Maschinen handelt es sich um spanende Maschinen, ein gegenteiliger Trend ist derzeit nicht erkennbar – Zerspanung ist also eine Zukunftsaufgabe ...

Ja, dies lässt sich aus meiner Sicht insbesondere durch steigende Anforderungen hinsichtlich der Präzision der Werkstücke und Flexibilität der Produktion erklären. Diesbezüglich werden Werkzeugmaschinen benötigt, die ein sicheres Einhalten der tendenziell zunehmend engeren Toleranzanforderungen bei hoher Produktivität ermöglichen.

Die vergangenen Jahrzehnte zeigen eine dynamische Wechselwirkung zwischen immer „intelligenteren“ Werkzeugen und der Konstruktion immer flexiblerer Maschinen und Bearbeitungszentren, um die optimierten Werkzeuge hochwirksam einsetzen zu können: Was ist in puncto Maschine konstruktiv noch möglich?

Diesbezüglich sind sehr viele Entwicklungen relevant, zum Beispiel ist für die Hochleistungsbearbeitung von Strukturbauteilen das dynamische Verhalten extrem wichtig. Neben geringen statischen und dynamischen Nachgiebigkeiten müssen auch die Antriebe der Achsen nicht nur über hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen verfügen, sondern auch einen hohen Ruck aufweisen. Der Ruck ist die Ableitung der Beschleunigung nach der Zeit und damit sehr relevant für das dynamische Vermögen eines Antriebssystems. Darüber hinaus bietet die Integration geeigneter Sensorik in Verbindung mit einer Modellierung des Verhaltens des Maschinensystems ein großes Potenzial, durch intelligente Regelung für sichere Prozesse bei maximaler Produktivität zu sorgen.

Gehen wir an dieser Stelle einen Schritt zurück: Was sind aus Ihrer Sicht bahnbrechende Entwicklungen und Meilensteine im Bereich der Zerspanungs-, Dreh- und Fräswerkzeuge, rückblickend auf die vergangenen 100 Jahre beziehungsweise Jahrzehnte?

Vor fast 100 Jahren wurde Hartmetall erfunden. Diese Erfindung ist aus meiner Sicht mit Abstand die wichtigste für die Zerspanungswerkzeuge. Die pulvermetallurgische Herstellung der Hartmetalle ermöglicht eine große Vielfalt an prozessspezifischen Anpassungen. In Kombination mit Beschichtungen lassen sich für die meisten Anwendungsfälle auf der Basis der richtigen Hartmetallsorte geeignete Werkzeuge realisieren. Heutzutage werden zunehmend Detailverbesserungen verfolgt, wobei neben den Hartmetallsubstraten und Beschichtungsprozessen auch die Verbesserung der schleiftechnischen Herstellung der Werkzeuge und Präparationsverfahren vor und nach der Beschichtung immer wichtiger werden.

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Aus dem Bereich Prototyping und Rapidtooling kommt die Idee des 3D-Druck-Werkzeugs, dem eine große Zukunft prophezeit wird. Auf der vergangenen AMB in Stuttgart waren auch einige dieser Werkzeuge ausgestellt. Welche Potenziale sehen Sie in dieser Art der Werkzeugfertigung, wo liegen ihre Grenzen?

Die Additive Fertigung bietet sehr viele Möglichkeiten, Werkzeugsysteme noch besser auszugestalten. Ich sehe hier vor allen Dingen hybride Lösungen, zum Beispiel den additiven Aufbau einer ausgeklügelten hohl strukturierten Werkzeugaufnahme auf einem konventionell hergestellten Hohlschaftkegel als Grundkörper. So werden bereits besonders schlanke Hydro-Dehnspannfutter hergestellt. In Dortmund entwickeln wir gerade additiv hergestellte Werkzeugaufnahmen mit verbesserten Dämpfungseigenschaften.

Die aktuelle Meldung über Lieferstornierungen bei Airbus führt zu einem Thema, wo es noch ungelöste Zerspanungsaufgaben gibt: In der Luftfahrt und überall da, wo Compositewerkstoffe verbaut sind, ist man anscheinend noch auf der Suche nach geeigneten und vor allem wirtschaftlichen Zerspanungswerkzeugen, hier scheinen ja Diamantwerkzeuge noch oft das Mittel der Wahl ...

Aus meiner Sicht sind für die Luftfahrt auch für den Einsatz von CFK geeignete Werkzeuge entwickelt worden. Sicherlich wird es hier noch Entwicklungen geben, um die Leistungsfähigkeit der Werkzeuge nach Möglichkeit noch weiter zu erhöhen. Spannendere Herausforderungen für die Entwicklung von Zerspanungswerkzeugen erkenne ich zurzeit eher im Bereich der Turbinenfertigung, da für Turbinen der Einsatz neuer Werkstoffe verfolgt wird, um die Effizienz der Triebwerke durch ihren Betrieb bei höheren Temperaturen weiter zu erhöhen. Diese Werkstoffe haben insbesondere extrem hohe Warmfestigkeiten und führen zu sehr hohen Werkzeugbelastungen bei der spanenden Bearbeitung.

Wo stecken im aktuellen Fertigungsablauf werkzeugseitig noch Einsparpotenziale?

An dieser Stelle möchte ich zunächst die Entwicklungen im Bereich der Simulation von Prozessen nennen. Mittlerweile werden nicht mehr nur relativ einfache Kollisionsüberprüfungen bei der Erstellung von NC-Programmen durchgeführt. Zunehmend werden auf Basis von geometrisch-kinematischen Simulationen in Verbindung mit geeigneten Werkstück-, Kraft- und teilweise auch Schwingungsmodellen erfolgreich die Bearbeitungsprogramme optimiert, bevor sie auf die Maschine kommen. Darüber hinaus besteht aus meiner Sicht auch ein großes Potenzial im Bereich der Werkstückspanntechnik. Häufig werden die Vorrichtungen für das Spannen der Werkstücke erst recht spät in der Vorbereitung eines Fertigungsauftrages geplant und realisiert, obwohl sie mit ihrer Schnittstellenfunktion zwischen Werkstück und Maschine einen erheblichen Einfluss auf Produktivität und Prozesssicherheit haben. Aus meiner Erfahrung ist es bei anspruchsvollen Werkstücken wichtig, möglichst früh die Planung der Vorrichtungen vorzunehmen. Idealerweise bereits in einer Phase der Werkstückentwicklung, die noch Anpassungen für eine optimale Werkstück- spannvorrichtung zulassen.

Immer höhere Mobilität war in den letzten 130 Jahren maßgeblicher Innovationstreiber: Automobil-, Eisenbahn-, Flugzeug- oder Schiffbau sind hierfür Beispiele. Mobilitätsanspruch einhergehend mit wachsender Weltbevölkerung, mangelndem Wohnraum und schwindenden Ressourcen treibt im Ingenieurbereich die Trends „Miniaturisierung“ und „Downsizing“ an – ressourcenschonende, smarte, kleine Maschinen und Bauteile sind allerorts gefragt. Wo liegen im Zeitalter der Industrie 4.0 auch zukünftig Felder für die spanende Fertigung?

Die kontinuierlich positive Entwicklung im Bereich der Präzisionswerkzeuge, die dazu geführt hat, dass seit 2009 der Produktionswert der deutschen Hersteller von Präzisionswerkzeugen mittlerweile fast verdoppelt werden konnte, ist für mich ein Beleg dafür, dass die Veränderungen in den genannten Branchen sich bisher insgesamt nicht negativ auf die spanende Fertigung ausgewirkt haben. Prognosen hierzu halte ich aktuell für sehr schwierig, zumal ich davon überzeugt bin, dass der Bedarf der individuellen Mobilität nicht nur durch rein elektrisch betriebene Fahrzeuge gedeckt werden kann. Ich gehe eher davon aus, dass noch weitere Antriebs- und Kraftstoffkonzepte auf den Markt kommen werden und zu einem weiteren Wachstum in der spanenden Fertigung führen können. Relativ sicher bin ich, dass weiterhin gute bis sehr gute Wachstumschancen für die spanende Fertigung in der Luftfahrt und der Medizintechnik vorliegen werden.

Das Interview führte Tilo Michal, Redakteur, Reporter und Workshop-Trainer in seiner Agentur Strichpunkt e. K. in 96052 Bamberg, Tel. (01 71) 7 84 49 60, pressesprecher67@web.de

* Weitere Informationen: Institut für Spanende Fertigung, Technische Universität Dortmund in 44227 Dortmund, Tel. (02 31) 7 55 27 84, info@isf.de

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