Werkzeugmaschinen Rekonfigurierbarkeit macht Werkzeugmaschinen für die Großserienfertigung flexibel

Autor / Redakteur: Markus Stanik / Frank Fladerer

Die moderne Fertigung erfordert immer wandlungsfähigere Maschinenkonzepte. Da Flexibilität Geld kostet, beeinflusst dies auch die Wirtschaftlichkeit. So ergaben gerade für eine hochspezialisierte Serienfertigung die Forderungen nach maximaler Flexibilität und höchster Wirtschaftlichkeit bislang einen nicht lösbaren Zielkonflikt. Dieser lässt sich nun durch Rekonfigurierbarkeit überwinden.

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Große Flexibilität und hohe Wirtschaftlichkeit sind nach wie vor zwei entgegengesetzte Pole bei der Investitionsabschätzung von Werkzeugmaschinen. Rekonfigurierbarkeit kann diesen Konflikt auflösen. Bild: MAG Powertrain
Große Flexibilität und hohe Wirtschaftlichkeit sind nach wie vor zwei entgegengesetzte Pole bei der Investitionsabschätzung von Werkzeugmaschinen. Rekonfigurierbarkeit kann diesen Konflikt auflösen. Bild: MAG Powertrain
( Archiv: Vogel Business Media )

Bisher galt: Ein Serienprodukt mit einem signifikant langen Produktlebenszyklus kann am ökonomischsten auf einer Spezialmaschine gefertigt werden. Sie ist kompromisslos auf dieses eine Werkstück ausgelegt und erfüllt somit optimal alle Anforderungen.

Weil sich aber heutzutage immer häufiger Änderungen am Produktionsspektrum oder zumindest an einigen Features des herzustellenden Werkstücks ergeben, erfordert die Fertigungsplanung zunehmend eine große Flexibilität der Maschinen.

Im Spannungsfeld zwischen den derzeit verfügbaren Universal- und Serienmaschinen kommt zunehmend die rekonfigurierbare Werkzeugmaschine ins Spiel. Sie ist deutlich preisgünstiger als die Universalmaschine, weil die Module und Bearbeitungsoptionen nicht prinzipiell vorhanden sind, sondern erst im Bedarfsfall zugekauft und eingewechselt werden.

Andererseits ergibt sich im Vergleich zur Serien- beziehungsweise Sondermaschine eine wesentlich höhere Flexibilität, die auch eine rentable Komplettbearbeitung von Werkstücken selbst in kleinen und mittleren Stückzahlen ermöglicht.

Module als Basis für die Werkzeugmaschinen-Rekonfigurierung

Das Konzept der Werkzeugmaschinen-Rekonfigurierung basiert darauf, dass die Maschine lediglich mit den benötigten Modulen gekauft wird, sich aber durch Zukauf von Modulen an neue Anforderungen anpassen lässt beispielsweise bei einer Serienänderung nach zwei oder drei Jahren.

Entsprechend rekonfiguriert, stellt sie dann die optimale Fertigung des aktuellen Werkstücks sicher. Weil die Kosten für nicht benötigte Bauteile wegfallen, sind die Maschinenpreise entsprechend niedriger.

Schnittstellen sind Voraussetzung für Rekonfigurierung

Voraussetzung für eine problemlose Rekonfigurierung sind passende Schnittstellen. Diese Schnittstellentechnik erlaubt, dass sich komplette Bearbeitungsmodule oder Achsen austauschen lassen.

Im Gegensatz zu den aktuellen Maschinenkonzepten zieht ein Wechsel des Fertigungsverfahrens – etwa vom Fräsen zum Schleifen – oder der Einbau einer zusätzlichen Schwenk- und Linearachse keinen Maschinenstillstand von mehreren Wochen nach sich. Im Optimalfall lässt sich der Wechsel innerhalb eines Tages direkt beim Anwender durchführen.

Der Werkzeugmaschinenhersteller liefert dazu die entsprechenden Technik- oder Achsmodule vormontiert, voreingestellt und ausgerichtet. Zur Rekonfigurierung werden sie dann nur noch über die in der Maschine befindlichen genauen mechanischen Schnittstellen eingewechselt.

Schnittstelle der Werkzeugmaschine muss steif und standardisiert sein

Die Schnittstelle zur Übertragung von mechanischen Größen muss außer einer guten Steifigkeit die langfristige Austauschbarkeit der Module sowie eine Maschinenstandardisierung ermöglichen. Hier bieten sich zwar übliche Schraubenverbindungen an, die nach einem Ausrichtungsvorgang die nötige Vorspannkraft aufbringen und somit die mechanische Verbindung zwischen den Modulen herstellen können. Diese preisgünstigste Variante verhindert jedoch einen schnellen Modulwechsel, da sie bei einem Tausch immer wieder vermessen und mit Hilfe der Schrauben eingestellt werden muss.

Als Verbindung ist deshalb eine sogenannte statische Schnittstelle am besten geeignet. Dem Prinzip der HSK-Werkzeugaufnahme folgend erhalten Anwender damit eine kompakte, steife Schnittstelle mit hoher Einzugskraft. Die Spannung kann entweder hydraulisch oder manuell erfolgen.

Wird nun ein Bearbeitungsmodul im beengten Bearbeitungsraum in der Maschine eingebaut, muss es nur 4 mm in den Zentrierkegel der Aufnahmen der Schnittstellen eingeführt werden. Bei der manuellen Variante „fahren“ dann mit wenigen Umdrehungen eines Gewindes Zangen aus.

Spannmodul wird selbsthemmend mit der Aufnahme verspannt

Anschließend werden diese parallel nach außen und in die Eingriff-Schräge gepresst, und der Einzugsvorgang erfolgt. Das Spannmodul wird auf diese Art und Weise selbsthemmend mit der dafür vorgesehenen Aufnahme verspannt; zusätzlich wird formschlüssig zentriert und eine Plananlage dauerhaft hergestellt.

Speziell für technische Verbesserungen oder Produktänderungen in der Großserienfertigung, die unter immensem Kostendruck steht und immer optimal auf das aktuelle Werkstück ausgelegt sein muss, wurde die XG-Baureihe von MAG Powertrain (Bild 1) konzipiert.

Neue Fertigungstechniken lassen sich hier über die Schnittstelle in die Maschine integrieren, so dass sie sich immer auf dem neuesten Stand befindet. Außerdem gewährleistet sie so eine schnelle Reaktion auf Neuerungen in der Serienproduktion, wo sonst selbst kleine Änderungen am Werkstück oftmals mit größeren Umbauten verbunden sind.

Rekonfigurierung erlaubt Integration von neuen Fertigungstechniken

So können Produktänderungen beispielsweise die Rekonfigurierung zwischen einem Gelenk und einem Differenzialgehäuse (Bild 2) notwendig machen. Dadurch muss stark in die Maschine eingegriffen werden: Die Umbauten reichen von der Maschinenautomation über die Werkstückspannung bis zur Achsanordnung im Arbeitsraum (Bild 3).

Um dies zu ermöglichen, sind die Bearbeitungsmodule mit statischen Schnittstellen versehen und gleichzeitig die Module so definiert, dass sie selbst bei komplett montierter Maschine noch wechselbar sind. Das gestaltet sich bei einigen Modulen sehr aufwändig, insbesondere bei sehr großen und schweren Elementen wie dem B-Achsen-Modul, weil der Arbeitsraum begrenzt ist. Beim Austausch müssen deshalb einige Elemente mit speziellen Öffnungen für den Transport in der Maschine vorgesehen werden.

Maschinenhersteller kann Bearbeitungsmodule mittels Schnittstellen voreinstellen

Mit Hilfe der Schnittstellen können die Bearbeitungsmodule beim Maschinenhersteller voreingestellt werden, was den Umbau vor Ort erleichtert und beschleunigt. Die Spannsysteme für das Werkstück und in der Automation lassen sich ebenfalls über diese Schnittstellen wechseln.

Daraus resultiert eine sehr einfache und schnelle Rekonfigurierung zwischen den zwei Arbeitsräumen der beiden verschiedenen Bauteile. Um eine optimale Steifigkeit sicherzustellen, werden die einzelnen Technikmodule mit der entsprechenden Anzahl von Schnittstellen versehen.

Rekonfigurierung: Schleifen statt Fräsen und Drehen

Das zweite Szenario betrifft eine sehr einfache Rekonfigurierung der XG-Baureihe: die Änderung der Bearbeitung von Hartfräsen und Hartdrehen zu Schleifen. Dies geschieht durch Austausch der Fräs- gegen Schleifspindeln mit einer Drehzahl von 60 000 min-1 sowie der Drehstahlaufnahme gegen Schleifspindeln mit 30 000 min-1.

Weil es sich von den Verbindungselementen bis hin zu den Steckern um standardisierte Schnittstellen handelt, lässt sich diese Maßnahme ohne großen Aufwand durchführen. Erleichternd kommt hinzu, dass die Module auch am Maschinengrundkörper mit Standardschnittstellen befestigt sind (Bild 4).

Dies ist vor allem dann von Bedeutung, wenn ein Wechsel des Bearbeitungsverfahrens größere Auswirkungen auf die Maschine hat. Das kann beispielsweise der Fall sein, wenn vom Hartfräsen und Hartdrehen auf Weichbearbeitung umgestellt wird. In der Folge zieht das den Einsatz von Frässpindeln für die Schrupp- und die Schlichtbearbeitung in der Maschine nach sich. Mit Hilfe der Modulstrategie lassen sich diese Elemente jedoch sehr einfach austauschen.

Weil die beiden Bearbeitungsmodule über identische Schnittstellen verfügen, kann das eine Modul durch Lösen der Spannung aus der Maschine herausgenommen werden. Das Fräsmodul wird grob positioniert und durch die Spannkraft der Schnittstellen an der richtigen Position befestigt. Auf diese Weise lassen sich Umrüstvorgänge sehr stark verkürzen.

Geringere Anschaffungskosten und bessere Wirtschaftlichkeit durch Rekonfigurierung

Die Rekonfigurierung ist eine ideale Möglichkeit, die Wirtschaftlichkeit von Werkzeugmaschinen zu erhöhen und die Einsatzdauer zu verlängern. Darüber hinaus kann die Maschine direkt auf den technischen Fortschritt reagieren, weil sich Neuentwicklungen über die Schnittstellen schnell und einfach integrieren lassen.

In puncto Wirtschaftlichkeit ergab eine Untersuchung, in der eine herkömmliche Maschine mit einer optimierten rekonfigurierbaren Maschine desselben Typs verglichen wurde: Bei einer Einsatzdauer von 15 Jahren und insgesamt drei Rekonfigurierungen (Wechsel des Bearbeitungsverfahrens vom Fräsen zum Schleifen, Wegfall sowie Hinzunahme von verschiedenen Achsen) erwies sich das neue Maschinenkonzept als etwa 20% wirtschaftlicher. Durch die längere Lebensdauer der Maschine machen sich vor allem die geringeren Anschaffungskosten positiv bemerkbar.

Dr. Markus Stanik ist Konstruktionsleiter Spezialmaschinen bei MAG Powertrain in 71636 Ludwigsburg.

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