Langfristig erfolgreich zerspanen bedeutet das konsequente Verbessern der Prozesse und die schnelle Umsetzung innovativer Technologien und Trends. Wer frühzeitig den richtigen Trend erkennt und in der Produktion bzw. in den Produkten umsetzt kann sich dadurch einen technologischen Vorsprung verschaffen und Know-how ansammeln, noch bevor sich der Trend als Basistechnologie am Markt etabliert hat.
Ein technologischer Vorsprung verschafft Luft zum Atmen in einem enger werdenden globalen Wettbewerb. Doch gerade die Unsicherheit bei einer frühen und richtigen Entscheidung bedarf Fingerspitzengefühl: Handelt es sich bei dem Trend um einen langfristigen Trend oder um einen aufgeblasenen Hype.
Um die modernen und zukunftsorientierten Trends in der Zerspanung einordnen zu können, lohnt sich ein Blick in die Vergangenheit. Hierbei stellt sich die Frage, welche Trends in den letzten 15 Jahren die Zerspanung dominierten. Konnten sich die damals ausgerufenen Trends etablieren? Wurden sie vielleicht sogar zum Stand der Technik? Eine Beurteilung der Trends hinsichtlich der Marktdurchdringung, der Marktbedeutung und des Zukunftspotenzials macht deutlich: nicht alles, was vor 15 Jahren als Zukunftstechnologie bewertet wurde, konnte die damaligen Erwartungen erfüllen. Beispielsweise konnten sich Stab- und Parallelkinematiken nicht am Markt etablieren und können heute als forschungsgetriebener Flop bezeichnet werden. Demgegenüber hat sich der Trend der simultanen 5-Achsbearbeitung fest am Markt etabliert.
5-Achs-Simultanbearbeitung vs. Mikrobearbeitung
Maschinenhersteller können es sich heutzutage nicht mehr leisten, keine Produkte in diesem Segment anzubieten, womit die Marktbedeutung als hoch zu bewerten ist. Betrachtet man die Fertigungsmöglichkeiten, die durch diese Technologie entstanden sind, so findet man Produkte wie beispielsweise Impeller, welche heutzutage nicht mehr wegzudenken sind und deren Fertigung maßgeblich mit der 5-Achs-Simultanbearbeitung verknüpft sind. Diese Marktdurchdringung verspricht zusätzlich auch zukünftig erhebliches Entwicklungspotenzial.
Ähnliches gilt für die Mikrosystemtechnik bzw. die Mikrobearbeitung. Dieser Forschungstrend der späten 90er Jahre ist mit Sicherheit als nicht so gewichtig zu betrachten wie die 5-Achstechnologie und ist am Markt auch nicht derart präsent. Jedoch bei genauerer Betrachtung ist es durchaus bemerkenswert, welche Potenziale sich aus der Mikrobearbeitung bzgl. neuartiger Produkte ergeben haben. Insbesondere in der Medizintechnik können nun für minimalinvasive Verfahren Komponenten aus hochfesten Materialien gefertigt werden aber auch im Automobilbau gerade im Bereich der Kraftstoffzuführung und im Bereich Sensortechnik gilt vieles heute als selbstverständlich, was durch die grundlegende Forschung in den 90er Jahren geschaffen wurde.
Evolutionsbasierte Dauerbrenner zur Effizienzsteigerung
Eine hochwertige Übersicht zu den aktuellen Trends in der Zerspanung liefert der VDW in seinem jährlichen Marktbericht [1]. Als Dauerbrenner können dabei die Trends ausgemacht werden, welche die Effizienz und Wirtschaftlichkeit von Zerspanprozessen deutlich steigern. Diese Trends sind zum einen schrittweise und schnell realisierbar, wodurch erste Erfolge sofort eintreten und sich die Umsetzung direkt auszahlt. Zum anderen verbergen diese Trends langfristiges Optimierungspotenzial.
Zusammengefasst unter dem wichtigen Thema Hochleistungsprozesse befindet sich der Trend HSC-Bearbeitung. Dieser Trend zur deutlichen Erhöhung der Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten kann durch moderne Maschinenkonzepte sowie leistungsstarke Komponenten umgesetzt werden. Wobei die HSC Bearbeitung einhergeht mit der Prozesskettenverkürzung und Komplettbearbeitung. Anzustreben ist dabei die Fertigbearbeitung in einer Maschine. Integrierte und hybride Prozesse wie beispielsweise der Einsatz von Zusatzenergie durch Ultraschall oder Laser sowie die Hartfeinbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide bilden dafür eine wichtige Basis.
Besonderes Augenmerk gilt weiterhin der Trockenbearbeitung bzw. der Minimalmengenschmierung. Auch hier kann das vollständige Potenzial nur bei einer ganzheitlichen Betrachtung im Zusammenhang mit der Prozesskette und der eigentlichen Maschine geschöpft werden. Dabei erfordert die Minimalmengenschmierung eine differenzierte Betrachtung ob es etwa ein langfristiger Trend bereits ist bzw. noch wird. Denn um die MMS Zerspanung in der Breite zu etablieren bedarf es eine noch breitere Informationsdichte hinsichtlich der Potenziale und Einsatzbereiche aber auch eine zielgerichtete Forschung um die offenen technologischen Punkte Schritt für Schritt anzugehen. Durch eine enge Zusammenarbeit aller System- und Prozessbeteiligten kann die MMS-Technologie aus dem vermeintlichen Status des ewigen Talents in den Status einer zukunftsfähigen Basistechnologie überführt werden.
Innovationsbasierte Trends verändern Denkweisen
Ergänzt werden die Dauerbrenner durch diejenigen Trends, die völlig neue Denkansätze erfordern und vermutlich nachhaltig Produkt und Produktion verändern werden. Genannt seien an dieser Stelle beispielsweise die additiven Fertigungsverfahren. In einer ersten Überlegung könnte man durch diese neue Technologie eine ernsthafte Konkurrenz zerspanender Fertigungsverfahren befürchten. Die nähere Betrachtung zeigt jedoch ein ganz anderes Bild.
Ergeben sich doch gerade aus dieser Technologie beispielsweise werkzeugseitig ganz neue Möglichkeiten zur geometrischen Gestaltung. Innenliegende Kanäle können plötzlich nahezu ohne Einschränkung gefertigt werden. Konventionell hergestellte Standardelemente können durch additive Verfahren erweitert und kundenindividuell angepasst werden. Als Beispiel werden bereits bei der Firma Gühring Spanleitstufen serienmäßig durch additive Verfahren hergestellt [3]. Weiterhin werden auch in Zukunft sämtliche Funktionsflächen additiv gefertigter Bauteile zerspanend bearbeitet werden, um Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit zu erreichen. Jedoch muss auch hier evtl. neu gedacht werden, da eine Fertigung „von der Stange“ bei diesen Bauteilen nicht gefordert ist.
Innovationen sind zusätzlich gefordert, wenn es um den Trend zur Zerspanung neuartiger Werkstoffe geht. Erfahrung konnte in den letzten 10 Jahren bei der Zerspanung von Faserverbundwerkstoffen gesammelt werden. Waren vor 10 Jahren nur einige ausgewählte Werkzeughersteller in der Lage Werkzeuge für Faserverbundwerkstoffe anzubieten, findet man diese Werkzeuge heutzutage standardmäßig bei nahezu allen Herstellern im Portfolio. So geht es in diesem Bereich nicht mehr unbedingt um die generelle Machbarkeit, sondern vielmehr um die Prozessbetrachtung und die Prozessoptimierung hinsichtlich Qualität, Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit. Zu dieser Kategorie gehören auch die schwerzerspanbaren, beispielsweise Titan basierte Werkstoffe.
Die digitale Schneide, Vernetzung und Industrie 4.0
Der rasende Fortschritt in der IT-Welt bildet sich auch auf der Werkzeugmaschine ab. Industrie 4.0, Vernetzung, Dezentralisierung kennzeichnen die zukünftigen Herausforderungen. Dabei werden CAX Verfahrensketten durchgängiger und durch Simulationstools, Virtual Reality und Augmented Reality unterstützt. Die dadurch mögliche virtuelle und reale Vernetzung der gesamten Produktionskette ermöglicht eine zuverlässige Prozessplanung beispielsweise die adaptive CAM Planung für komplexe Geometrien. Damit trifft das Thema Industrie 4.0 an der Werkzeugmaschine in erster Linie die Steuerung unterstützt durch geeignete Sensoren. [2]
Die Hauptaufgabe der Schneide ist und bleibt auch für die Zukunft eine zuverlässige Spanbildung an sich und das bei geringstem Verschleiß und höchsten Zerspanraten. Allerdings macht auch der Trend der Vernetzung an der Schneide keinen Halt sondern wird sich eher in Form von digitalem Expertenwissen als Assistenzsystem für den Prozess darstellen. Damit sind geeignete Informationen vorhanden, um „Big Data“-Ansätze in der Cloud zu unterstützen und für den Nutzer, sei dieser evtl. sogar die Steuerung selbst als Cyber Physisches System, zur Prozessoptimierung Daten bereitzustellen.
Fazit
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass neben den wirtschaftlichen Aspekten weiterhin ein erheblicher ökologischer Druck besteht, um Anlagen ressourceneffizient betreiben zu können. Ein Zerspaner sollte immer ein Auge auf die aktuell ausgerufenen Trends haben und jeweils die für den eigenen Zweck richtigen herauspicken. Die Bewertung, ob es der Richtige ist oder ob es sich letztendlich um einen Trend bzw. um einen Hype handelt, bleibt – man möge es verzeihen – dem eigenen Erfahrungsschatz geschuldet. ■
Der Autor
Professor Dr.-Ing. Siegfried Schmalzried, Studiendekan Industrial Manufacturing, Hochschulcampus Tuttlingen der Hochschule Furtwangen.
Quellen
[1] Marktbericht 2015; Die deutsche Werkzeugmaschinenindustrie und ihre Stellung im Weltmarkt: Herausgeber Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken; Frankfurt am Main; 2016.
[2] Klocke; F.; Bergs, T.: Digitalisierung und Vernetzung – Bedeutung für die Werkzeugtechnik: Tagungsband 12. Schmalkalder Werkzeugtagung; Schmalkalden; 2016.
[3] Sattel; S.: Innovative Fertigungskonzepte und Prozessstrategien zur ganzheitlichen Optimierung von Hochgeschwindigkeitswerkzeugen. Tagungsband 12. Schmalkalder Werkzeugtagung; Schmalkalden; 2016.
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