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Werkzeug- und Formenbau Zykluszeiten um 10 % reduzieren

| Autor / Redakteur: Marcus Lengerer / Mag. Victoria Sonnenberg

Für den Werkzeug- und Formenbauer Commercial Tool & Die hat der Anlagenbauer Zimmermann ein kompaktes 5-Achs-Bearbeitungszentrum modifiziert. So konnte der Hersteller seine Zykluszeiten um 10 % reduzieren.

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Eine typische Spritzgussform, die bei CTD hergestellt wird. Sie besteht meist aus hochgehärtetem Werkzeugstahl P-20.
Eine typische Spritzgussform, die bei CTD hergestellt wird. Sie besteht meist aus hochgehärtetem Werkzeugstahl P-20.
(Bild: Zimmermann)

Die 1953 gegründete Commercial Tool Group hat sich vom kleinen Formenbaubetrieb im Großraum Grand Rapids, der zweitgrößten Stadt im US-Bundesstaat Michigan, zu einem bedeutenden Anbieter von Spritzguss- und Pressformen, Vorrichtungen und Automatisierungen entwickelt. Das Unternehmen befindet sich in Familienbesitz und wird von zwei Enkeln des Gründers, James (JD) und Dan Bouwman, geführt. Heute verfügt die Gruppe über drei Geschäftseinheiten: Commercial Tool & Die (CTD), CG Plastics und CG Automation & Fixture, die sich auf die Entwicklung und Herstellung unter anderem von Qualitätsmessgeräten, automatisierten Schweißanlagen sowie auf Pressen konzentriert. CG Plastics ist ein zertifiziertes Unternehmen, das Spritzgussversuche und die Produktion kleiner Stückzahlen übernimmt. Dazu verfügt es über Spritzgießmaschinen von 85 bis 2500 t.

CTD bietet schlüsselfertige Lösungen für Hersteller von verschiedenen Kunststoff- und Verbundteilen, die überwiegend in der Automobilindustrie zum Einsatz kommen. Um dafür großformatige Werkzeuge herzustellen, setzt der Spezialist seit Kurzen auf eine Portalfräsmaschine FZ40 compact der F. Zimmermann GmbH. Die amerikanische Niederlassung des Maschinenbauers, die Zimmermann Inc., sitzt ebenfalls in Michigan, in der Stadt Wixom in Oakland County.

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„Wir haben die Maschine das erste Mal auf der IMTS in Chicago gesehen.“, erinnert sich Werksleiter Darin Hall. Überzeugen konnte die offene Bauweise, das oben fahrende, dynamisch angetriebene Portal, der extrem solide Grundaufbau und das steife Gesamtkonzept. Das Gewicht der Anlage war etwa doppelt so hoch wie das einer Konkurrenzmaschine, die sich die Verantwortlichen ebenfalls angeschaut hatten. „Wir wussten, dass die Genauigkeit der Zimmermann-Anlage unseren Anforderungen entsprechen würde“, sagt Hall. „Denn die Klemmkräfte der A- und C-Achse des eingesetzten VH60-Fräskopfes würden es ermöglichen, die Vorteile des HSK-A100-Werkzeugdrehmoments und der Leistungsbereiche voll auszuschöpfen.“

Mit dieser platzsparenden Maschine kann der Anwender primär Stahl, Guss und Titan wirtschaftlich bearbeiten. Für die effiziente Schwerzerspanung setzt Zimmermann auf ein massives und struktursteifes Portal. Zudem kommt ein großer Kreuzschlitten zum Einsatz, und auch der Senkrechtschlitten ist speziell für die Bearbeitung von Werkzeugstahl ausgelegt. Diese Features machen die Maschine sehr stabil. Mit der verstärkten Grundplatte lassen sich Werkstücke bis zu 16 t aufnehmen. Acht zusätzliche Aufstellelemente sorgen für noch mehr Standfestigkeit. Die mit Spezialbeton gefüllten Seitenwände stehen auf dem Maschinenbett. Damit lässt sich die Anlage auf einem soliden Industrieboden aufstellen – zumeist ohne ein spezielles Maschinenfundament. Durch ihre besondere Leistungsstärke und Stabilität können Betreiber Bauteile aus Stahl 5-achsig schnell und wirtschaftlich bearbeiten. Dabei erreicht die Maschine kurze Durchlaufzeiten, eine hohe Verfügbarkeit sowie eine hohe Präzision.

Maschinensteifigkeit sichert Oberflächenqualität

Die Steifigkeit der Zimmermann-Maschine ermöglicht dem Werkzeug- und Formenbauer sogar die erforderliche Genauigkeit für die bei CTD hergestellten Spritzgussformen für Optiken und Linsen. Darüber hinaus ergab die Steifigkeit auch über eine lange Laufzeit eine optimale Oberflächenqualität, die für Automobilteile der Klasse A erforderlich ist. Da der Bearbeitungsvorgang im Betrieb zwar überwacht, nicht aber beaufsichtigt ist, waren Faktoren wie Zuverlässigkeit und Wiederholgenauigkeit der Maschine äußerst wichtig.

Um den vielfältigen Anwendungen im Betrieb gerecht zu werden, forderte der Formenbauer einige Modifikationen an der Anlage. So sollten zum Beispiel die Sensoren geändert und die Z-Achse erweitert werden. Zudem galt es, die Werkzeugwechselfähigkeit von 300 auf 400 mm für längerer Werkzeuge zu erhöhen, die C-Achsendrehung für Fünf-Achs-Programme auszuweiten sowie eine Feinabstimmung der Getriebe und Motoren in Zusammenarbeit mit Heidenhain Engineering. Außerdem benötigte der Hersteller ein neues Design für den Werkzeugwechsler. „Normalerweise sind Maschinenbauer vor große Herausforderungen gestellt, wenn wir Konstruktionsänderungen verlangen“, berichtet Hall.

„Die mechanischen und elektrischen Konstruktionsänderungen an der Maschine waren für diesen Anwendungsfall erforderlich, und die Softwareanpassungen der Heidenhain-Steuerung war einfach zu bewerkstelligen“, sagt Cornelius Kiesel, Präsident von Zimmermann Inc. „Dazu verfügen unsere Kollegen in Deutschland über umfangreiche Erfahrungen mit Werkzeugbauern, die die FZ40 compact bereits einsetzen.“ Die Konstruktionsabteilung und die Anwendungsspezialisten entwickelten eine bedarfsgerechte Lösung.

Maschinennutzung während Modifikation

CTD konnte die Maschine bereits nutzen, während die Modifikationen implementiert wurden. Die Ergebnisse wurden dokumentiert und an Zimmermann zurückgemeldet. „Mit dieser Maschinentechnik können wir die Zykluszeiten um mindestens 10 % reduzieren, ohne Kompromisse bei der Oberflächenqualität machen zu müssen“, sagt Hall.

JD Bouwman bestätigt diese Aussage: „Zimmermann hat uns zugehört. Viele Leute sprechen von Partnerschaft und Zusammenarbeit, aber dieses Team hat Ideen in die Tat umgesetzt und ist auf unsere Bedürfnisse eingegangen.“ Damit ließen sich alle Anforderungen erfüllen. Die Formenbauer sind sich sicher, künftig weitere Maschinen der Schwaben zu kaufen.

Während der Produktion überträgt die Steuerung die Daten der FZ40 compact an das kundenseitige ERP-System. Ein ERP-Protokoll verfolgt alle Leistungen wie Planung, Arbeitspläne, vergleichende Schichtanalysen sowie die Gesamtanlageneffektivität.

„Wir konnten die Leistung und das Drehmoment der FZ40 compact nutzen, um die Schnittgeschwindigkeiten zu verbessern“, erläutert Werksleiter Hall. „Durch den Einsatz der HSK-A100-Spindeltechnologie können wir unsere Werkzeuge auch aggressiver bearbeiten, ohne die Oberflächenqualität zu beeinträchtigen.“ Die Kunden profitierten damit von kürzeren Durchlaufzeiten – zudem konnte CTD auch mehr Aufträge gewinnen.

Zum Einsatz kommt die CAM-Software-Lösung Powermill mit CAM-to-Machine-Integration. Damit können die Mitarbeiter die Werkstücke zuverlässig prüfen, bevor sie diese aus der Maschine nehmen. Bei den typischerweise hergestellten großen Formteilen ist diese Eigenschaft ein wesentlicher Vorteil. CTD verwendet auch die Zeiss CMM- und Creaform-Laser-3D-Inspektionstechnologie.

Zimmermann-Projektleiter Yves Klein wurde von Hall für seine Arbeit an diesem Projekt sehr gelobt. „Er hat alle unsere Erwartungen übertroffen. Dadurch haben wir eine Werkzeugmaschine von Weltklasse“, freut sich der CTD-Werksleiter. Alle erforderlichen Modifikationen wurden gründlich diskutiert, auf ihre Machbarkeit hin analysiert und in das endgültige Design der Maschine umgesetzt. Für Hall sei das eine Seltenheit unter den Maschinenbauern, aber Yves hätte ihnen dies ermöglicht.

Cornelius Kiesel von Zimmermann ist sich sogar sicher, dass viele der für diesen Kunden entwickelten Maschinenmodifikationen in Zukunft zum Standard gehören werden. „Als wir die Auswirkungen der fertigen Anlage auf die Produktion sahen, waren wir überzeugt, dass diese Optionen auch für viele andere Zerspaner in der Branche überaus sinnvoll sind.“

Ein letzter, aber wesentlicher Vorteil der Motion-Control-Programmierung, so Darin Hall, sei die Feinabstimmung der einzelnen Bewegungen der Z- und C-Achsen. Denn damit erreiche der Betrieb eine maximale Oberflächenqualität. Der Werksleiter ist zufrieden, lassen sich dadurch doch die meisten Handpolierarbeiten vermeiden, was für das Unternehmen eine erhebliche Kostenersparnis bedeutet. Aktuell befinden sich zwei weitere Zimmermann-Maschinen für den Formenbauer in der Bauphase.

* Marcus Lengerer ist Marketingleiter bei der F. Zimmermann GmbH in 73765 Neuhausen a.d.F., Tel. (0 71 58) 94 89 55-2 14,lengerer.m@f-zimmermann.com

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