Wie ein Chamäleon

Redakteur: Güney Dr.S.

Werkzeugmaschinen von morgen können einfach und schnell an veränderte Fertigungsbedingungen angepasst werden Auf der Suche nach einer speziell auf das Werkstück zugeschnittenen Maschine, die...

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Auf der Suche nach einer speziell auf das Werkstück zugeschnittenen Maschine, die dennoch veränderten Produktionsanforderungen in der Groß- und Mittelserienfertigung angepasst werden kann, scheint eine rekonfigurierbare Werkzeugmaschine die viel versprechendste Lösung. Die bisherige produktorientierte Maschinenauslegung ist der Dynamik des Marktes nicht mehr gewachsen. Eine Befragung zeigt auf, dass die potenziellen Anwender von rekonfigurierbaren Werkzeugmaschinen Vorteile erwarten im Hinblick auf Kostenreduzierung und Time-to-Market. Die Anwender fordern eine Rekonfigurierbarkeit bezüglich:- Kapazität (Prototypenfertigung, Hochlauf, Serienfertigung, Serienauslauf),- Umfang und Art der zu integrierenden Fertigungstechniken,- Umfang der Automatisierung,- innovativen Werkzeugen und Werkstückspannsystemen,- Produktvariationen (Form, Abmessungen, Bearbeitung),- Werkstoffe (beispielsweise Hart- und Weichbearbeitung),- Trocken- und Nassbearbeitung,- Integrationsarten in ein Fertigungssystem (Stand-alone und Integration in ein Fertigungssystem) sowie- Maschinenpräzision in Abhängigkeit von der notwendigen Produktqualität.Der Bedarf für eine rekonfigurierbare Werkzeugmaschine ist in den wichtigsten Abnehmerbranchen deutlich erkennbar, wobei die Vorteile unterschiedlich genutzt werden (Tabelle 1). Die rekonfigurierbare Werkzeugmaschine ist eine universell einsetzbare und gleichzeitig für den jeweiligen Anwendungsfall optimierte Werkzeugmaschine. Diese Maschine kann sowohl als Stand-alone-Maschine als auch als Sondermaschine, ähnlich einem agilen Fertigungssystem, eingesetzt werden. Dabei ist die rekonfigurierbare Werkzeugmaschine deutlich preisgünstiger als die Universalmaschine, weil benötigte Verfahren und Bearbeitungsoptionen nicht prinzipiell in der Maschine vorhanden sind, sondern nur im Bedarfsfall gekauft und eingewechselt werden. Andererseits ergibt sich durch die verschiedenen Varianten im Vergleich zur Sondermaschine eine wesentlich höhere Flexibilität. Im Vergleich zum Fertigungssystem ermöglicht die rekonfigurierbare Werkzeugmaschine eine Komplettbearbeitung bei gleichzeitiger Universalität und Flexibilität auch für kleine und mittlere Stückzahlen oder Versuchsbetrieb.Durch den rekonfigurierbaren Aufbau in allen Teilsystemen der Werkzeugmaschine wird eine drastische Reduktion des Umbauaufwandes (Faktor 10) nach Auslauf eines Produktes bei komplett neuer Nutzung der Werkzeugmaschine erfolgen. Die andersartige Nutzung kann sich dabei sowohl auf ein komplett neues Produkt, eine neuartige Einbindung in das Produktionssystem oder auf das Umrüsten auf neue kundenspezifische Anforderungen beziehen. Eine Funktionsintegration der Haupt- und Nebenfunktionen, die zur Herstellung eines mechanischen Bauteils notwendig sind, wird angestrebt. Das Grundkonzept der Werkzeugmaschine: Alle wichtigen Verfahren wie Drehen, Hartdrehen, Schleifen, Laserhärten, Schweißen, Honen sowie Entgraten, Reinigen, Trocknen, aber auch Qualitätssicherung, können integriert werden. Berücksichtigt werden auch Trockenbearbeitung und die Hochleistungsbearbeitung.Das neuartige Werkzeugmaschinenkonzept muss auch für Werkzeuge und Werkstückspannsysteme flexibel und rekonfigurierbar gestaltet sein. Sowohl die Technikmodule als auch die Werkzeug- und Werkstückspannsysteme werden über sogenannte intelligente Schnittstellen, die einen „Plug and Produce“-Charakter haben, an die Werkzeugmaschine angepasst. Dabei werden diese Schnittstellen modulübergreifend definiert.Betrachtet man eine Wirtschaftlichkeitsberechnung für die Bearbeitung eines Bauteils, die nur die punktgenauen Maschinenanforderungen des aktuellen Prozesses berücksichtigt, ergibt sich, dass es keine wirtschaftlichere Produktionsmethode gibt als die Spezialmaschine, die genau auf dieses Bauteil und den notwendigen Prozess zugeschnitten ist. In der Praxis kollidiert diese produktspezifische Wirtschaftlichkeit allerdings mit der notwendigen Flexibilität, um den immer kürzeren Produktlebenszyklen gerecht zu werden. Deshalb resultiert aus einer langfristigen Wirtschaftlichkeitsrechnung meist die flexible Maschine als die beste Alternative. Die rekonfigurierbare Werkzeugmaschine beschreitet zur Lösung einen komplett anderen Weg: Es wird immer nur die Maschinenkonfiguration angeschafft, die für das aktuelle Produkt notwendig ist. Dabei werden keine täglichen Produktionswechsel berücksichtigt, sondern der Produktwechsel nach mehreren Einsatzjahren einer Maschine.Schnittstellen für Module sind vorgesehenAufgrund des Konzeptes der Maschine ergibt sich ein Maschinengrundaufbau und eine große Anzahl an möglichen Rekonfigurationsmodulen. In dem Maschinengrundaufbau sind die Schnittstellen und die Flexibilität so gestaltet, dass jederzeit eine Neuanpassung an das Produkt vorgenommen werden kann, in kürzester Zeit, direkt vor Ort mit Hilfe der Rekonfigurationsmodule. Somit wird sichergestellt, dass heute kein Geld in die Flexibilität von morgen investiert werden muss, sondern in Flexibilität dann investiert wird, wenn sie gebraucht wird. Wichtig ist, dass sowohl Maschinen als auch Prozesse und Technologien flexibel sind. Dies bedeutet, dass selbst Änderungen in der Technik, beispielsweise die Substitution eines Herstellverfahrens durch ein anderes, möglich sind. Weiterhin können zusätzliche Operationen in diese Maschine verlagert werden, wenn das für eine Prozesskettenverkürzung erwünscht ist. Unter der Leitung der Ex-Cell-O GmbH werden in einem Projektteam von zehn Partnern die Möglichkeiten und Bedingungen für die Rekonfigurierbarkeit im Rahmen des staatlich geförderten Forschungsprojekts „Mehrtechnologieorientierte rekonfigurierbare Werkzeugmaschine“ (Meteor) untersucht. Wichtigster Punkt dabei ist der wirtschaftliche Aspekt. Vom heutigen Stand der Technik ist eine Standardisierung und flexible Maschinengestaltung durchaus möglich, stößt allerdings in vielen Fällen sehr schnell an wirtschaftliche Grenzen. So erhöht beispielsweise eine derzeit mögliche Schnittstelle, um Motorspindeln einfach rekonfigurierbar zu gestalten, die Kosten des Motorspindelsystems um etwa 45%. Daraus lässt sich die Konsequenz ableiten, dass der gesamte Gedanke der rekonfigurierbaren „Mehrtechnologiemaschine“ nur Erfolg haben kann, wenn damit auch ein wirtschaftliches Optimum erzielt wird. Erste Untersuchungen zeigen die Potenziale des rekonfigurierbaren Mehrtechnologieansatzes. Eine Beispielmaschine wurde für ein vom Projektteam ausgewähltes Referenzbauteil zusammengestellt und mit dem bisherigen Stand der Technik verglichen. Einige der Vorteile der Neuerungen lassen sich dabei noch gar nicht monetär erfassen, weil sie erst über die Lebensdauer der Maschine auftreten (Rekonfigurationskosten, Raumkosten und anderes). Sehr augenscheinlich ist der um rund 30% reduzierte Anschaffungspreis. Dies basiert auf einer optimalen Ausnutzung der in der Maschine vorhandenen Ressourcen und der sehr hohen Technikflexibilität. Das ermöglicht es, die Maschine optimal an das Referenzwerkstück anzupassen. Dazu steht ein sehr breiter Baukasten aus möglichen Modulen zur Verfügung, von denen einige beispielhaft am Ex-Cell-O-Multitechnologiezentrum XG dargestellt sind.Weiterhin braucht man kein Geld in Änderungen für künftige Bauteile zu investieren, weil Änderungen im Bauteil durch eine sehr schnelle Rekonfigurierung der Maschine abgefangen werden können. Damit entsteht eine Maschine, die das Optimum für das aktuelle Produkt bildet, sowohl wirtschaftlich als auch technisch, und die bei einem Produktwandel sehr einfach optimal rekonfiguriert werden kann. Eine Rekonfigurationsmöglichkeit bezüglich der Stückzahlen ergibt sich aus dem Doppelspindelansatz mit voneinander unabhängig verfahrbaren Werkstückspindeln. Für den Serienstart kann Spindel 1 Aufspannung 1 bearbeiten und Spindel 2 Aufspannung 2. Bei Steigerung der Produktion muss eine Maschine zusätzlich erworben werden, um die Mehrkapazität zu realisieren. Dann kann auf Maschine 1 Aufspannung 1 zweispindlig bearbeitet werden und in Maschine 2 Aufspannung 2.Kundenspezifisch anpassbarSomit lässt sich ein sehr großes Band an Stückzahlen wirtschaftlich herstellen. Das so gestaltete Maschinenkonzept lässt sich an die Anforderungen des Kunden anpassen und bildet somit eine sehr gute Grundlage für die Rekonfigurierung.

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