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Formenbauer fräst tiefe Kammern mit höchster Präzision

Hochgenau mit langem Werkzeug zur industrialisierten Serienfertigung
Formenbauer fräst tiefe Kammern mit höchster Präzision

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Wie bekommt man einen Fräsprozess bei enorm tiefen Kammern und sehr langem Werkzeug in den Griff – und das bei höchster Genauigkeit? Wie schaffe ich den Schritt von der Unikat-Fertigung hin zur industrialisierten Serienfertigung mit ihren automatisierten Abläufen? Fragen, die sich die oberfränkische Werkzeugbau Siegfried Hofmann GmbH bei der Fertigung von Baukammern für 3D-Drucker stellte. Eine Erfolgsgeschichte, die mit Grob-Universalmaschinen geschrieben werden sollte.

Die vor über sechs Jahrzehnten gegründete Werkzeugbau Siegfried Hofmann GmbH ist mit ihrer intensiven Forschungs- und Entwicklungsarbeit stets auf der Suche nach Innovationen und besten Lösungen für ihre Kunden. Und das mit großem Erfolg. Als es aber vor etwa fünf Jahren darum ging, die Fertigung des Kernstücks eines 3D-Druckers zur Industrialisierung weiterzuentwickeln, war guter Rat zunächst teuer. Bereits seit Jahren wurden bei Hofmann jährlich etwa fünf bis zehn 3D-Drucker quasi in Handarbeit gebaut. Das Kernstück dieser Drucker ist die sogenannte Baukammer, also der Raum, in dem der 3D-Druck stattfindet.

In dieser etwa 700 mm tiefen Kammer fährt ein Stempel wie ein Kolben in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors auf und ab. Dies alles muss hoch genau erfolgen, insbesondere die Oberfläche darf keine Absätze oder Unebenheiten aufweisen. So wurden in der Vergangenheit exakt diese Unebenheiten in den Kammern mit sehr viel Aufwand herausgefräst und mit noch mehr Aufwand händisch nachgearbeitet.

Auf dem Weg zur Industrialisierung

Doch irgendwann war man sich bei Hofmann darüber im Klaren, dass durch den wachsenden Markt des 3D-Drucks auch die Drucker-Herstellung industrialisiert werden würde. Somit würden auch die Anforderungen an die Fertigungsabläufe wachsen und müssten dann automatisiert werden, um höhere Stückzahlen zu generieren. Das Ganze sollte natürlich wirtschaftlich sein und idealerweise aufgrund der größeren Stückzahlen auch günstiger und – besonders wichtig – bei gleicher Qualität.

Mit dem Basiswissen für die Herstellung dieser Kammern wie Preis, Dauer und Aufwand beim Finishing hat man sich bei Hofmann auf den Weg gemacht, eine passende Maschine für die Fertigung der tiefen Baukammern zu finden. Dabei wurden unterschiedliche Szenarien durchgespielt. So haben die Hofmann-Techniker nicht ausgeschlossen, diese Kammern eventuell ganz anders herzustellen. Erwogen wurde nicht zu fräsen, sondern zu ziehen oder zu pressen. Das allerdings wäre schon allein deswegen zum Scheitern verurteilt gewesen, weil man sich dann auf eine Geometrie hätte festlegen hätten, die nicht mehr so einfach änderbar gewesen wäre.

Aufgrund des hohen Spanvolumens, das beim Fräsen aus dem Vollen der riesigen Baukammern entstand, ca. 90 % des Materials werden zerspant, hat man sich bei Hofmann nur für Horizontal-Zentren interessiert. „Die Überlegungen gingen sogar so weit, eine Sondermaschine bauen zu lassen“, erklärt Markus Gräf, Leiter der Hofmann-Prozessentwicklung, „da wir zu diesem Zeitpunkt der Meinung waren, dass es keine Maschine auf dem Markt gibt, die unseren hohen Anforderungen gerecht werden könnte.“

Eine Idee, die dann aber wieder verworfen wurde, weil dadurch die Flexibilität verloren gegangen wäre. Schon bei der geringsten Änderung der Kammer hätte eine neue Sondermaschine angeschafft werden müssen.

„Eigentlich waren wir ja immer der Auffassung gewesen, dass die Anforderung für den Universalmaschinenbereich eigentlich eine Nummer zu speziell war. Doch am Ende haben wir uns entschlossen, genau in diesem Marktsegment weiterzusuchen“, beschreibt Gräf die weitere Vorgehensweise.

Spindel für genaue Oberflächen

So testete man bei Hofmann trotz aller anfänglichen Vorurteile eine Grob 5-Achs-Universalmaschine vom Typ G550 mit der Option für überlanges Werkzeug. Eine Maschine, die mit besseren Rollenführungen arbeitete als Maschinen vergleichbarer Wettbewerber. Da bei Grob die z-Achse nicht aus der Führung „herausfährt“, spielt es keine Rolle, in welcher Achsposition sich die Spindel gerade befindet. Der Abstand von Spindelnase zur Führung bleibt konstant. Der Spindelstock wird mit je drei Führungsschuhen pro Führungsschiene geführt, was ein Durchbiegen des Spindelstockes verhindert und konstante Stabilität über den kompletten Verfahrbereich in Richtung der Werkzeugachse gewährleistet. Diese Eigenschaft, gepaart mit der Grob-eigenen Spindeltechnologie, hat zur Folge, dass die hergestellten Oberflächen eine sehr hohe Güte erreichen. Ein für die Bearbeitung bei Hofmann wichtiger Aspekt, da die Stabilität in den Führungen hohe Priorität hat, weil zum einen sehr tief in die Taschen gefahren wird und zum anderen eine hochgenaue Oberflächenqualität erzeugt werden muss.

Bei den Tests überzeugte die G550 von Grob in erster Linie mit ihrem schlüssigen Maschinenkonzept. Durch die horizontale Spindel und die Möglichkeit, das Werkzeug komplett aus dem Arbeitsraum zurückziehen zu können, gibt es beim Schwenken des Bauteils keinerlei Kollisionsbereiche. Gerade bei tiefen Bauteilen hat die horizontale Spindel einen bedeutenden Vorteil: Die Späne fallen einfach vom Tisch. So hat die Wärme der Späne keinen Einfluss auf die Genauigkeit durch Wärmeeintrag in den Tisch oder das Messsystem. Positiv ist auch, dass sich die Werkzeugstandzeit verlängert, da sich im Bauteil keine Späne-Nester bilden, die vom Werkzeug nochmals „gefräst“ werden müssten. Das Ergebnis sind makellose Oberflächen, die keiner manuellen Nacharbeit bedürfen. Weiter tragen ein sehr eigensteifes Maschinenbett und breite, groß dimensionierte Linearführungen zu einem insgesamt hochwertigen und leistungsstarken Maschinenkonzept bei, das auch bei unterschiedlichsten Bearbeitungen höchste Anforderungen erfüllt. In diesem Punkt überzeugte das Grob Maschinenkonzept mit beeindruckenden Ergebnissen.

Intensive Zusammenarbeit

Doch es blieb zunächst eine Gratwanderung, die G550 und ihre Parameter auf den Bedarf bei Hofmann einzustellen. Bis zu sechs Mann von Grob waren bei Hofmann vor Ort, um die doch sehr speziellen Anforderungen umzusetzen. Um noch mehr Stabilität bei der Bearbeitung der Baukammern zu erzielen, wurde die G550 bereits mit einer leistungsstarken Motorspindel HSK-A100 ausgestattet, mit der allerdings die geforderte Oberflächenqualität zunächst nicht erfüllt werden konnte. Leider wies diese Spindel genau in dem verwendeten Drehzahlbereich eine markante Eigenfrequenz auf, die keine zufriedenstellenden Ergebnisse brachte. Erst nachdem eine neue Grob Motorspindel mit HSK-A100 und 340 Nm Drehmoment installiert worden war, konnten die Oberflächen in der erhofften Qualität hergestellt werden. „Wir waren sehr froh über diese Neuentwicklung bei Grob“, erinnert sich Markus Gräf noch heute gern, „da damit unsere Sorge unberechtigt war, dass die zunächst nicht zufriedenstellende Oberflächenqualität an den Lagern oder Führungen gelegen haben könnte, die wir schon durch Flachführungen ersetzen wollten.“

Als schließlich die Genauigkeit bei einer bestimmten Größe dargestellt werden konnte, forderte der Markt noch größere Kammern mit der Folge, dass noch größer und tiefer gefräst werden musste. Zwei Jahre nach der Erstinstallation einer G550 und der Lieferung von zwei weiteren G550 bestellte die Firma Hofmann daher mit der G750 eine entsprechend größere Maschine mit noch längeren Werkzeugen. Jetzt konnten natürlich die Erfahrungen der G550 gut umgesetzt und die noch größeren Kammern mit neu angepassten Parametern produziert werden. Eine echte 3D-Fertigung, keine 2– oder 2,5-D-Körper, hohe Regelgeschwindigkeiten und schnell umschaltbare Achsen, alles das was die Grob-Maschinen in ihrer Umsetzung bieten konnten. Heute sind bei Hofmann für die Produktion der Baukammern drei G550 und drei G750 im Einsatz.

Grob-Werke GmbH & Co. KG
www.grobgroup.com

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