Im Werkzeug- und Formenbau führt kein Weg am 5-Achsen-Fräsen vorbei. So sieht es jedenfalls die Meissner AG, einer der größten unabhängigen Werkzeugbauer in Deutschland, und fokussiert auf Werkzeuge für die Automobilindustrie. Für den erfolgreichen Einsatz der 5-Achs-Technik müssen jedoch die Unternehmensstruktur passen, die richtigen Maschinen in der Halle stehen und eine Software wie Work NC verwendet werden, die das Programmieren einfach, schnell und sicher macht.
Die Meissner AG in Biedenkopf-Wallau hat eine bewegte Geschichte. Bereits vor 90 Jahren wurde das Werkzeugbau-Unternehmen von Theodor Meissner gegründet. Vor etwa 15 Jahren geriet es in eine finanzielle Schieflage, aus der es sich durch die Umwandlung vom Familienunternehmen in eine Mitarbeiter geführte AG rettete. Seitdem befindet sich die Meissner AG auf Erfolgskurs. Vorstandsvorsitzender Tilman Löffelholz berichtet: „Wir haben die Belegschaft in diesen 15 Jahren ohne Zukäufe anderer Firmen, also durch organisches Wachstum, fast verdoppelt. Den Umsatz konnten wir bei fallenden Preisen sogar verdreifachen. Somit zählen wir heute mit unseren 300 Mitarbeitern zu den größten unabhängigen deutschen Werkzeugbaufirmen.“
Das Produktspektrum besteht im Wesentlichen aus Werkzeugen für die Automobilindustrie. Diese gliedern sich in drei Gruppen: in Werkzeuge zum Gießen von Motorblöcken, Zylinderköpfen und anderen Gussteilen, in Blasformen vornehmlich zur Herstellung von Kraftstoffbehältern und Einfüllrohren sowie in Werkzeuge zur Produktion von Fahrzeugauskleidungsteilen aus verschiedensten Materialien. Nach der Erfolgsformel gefragt, antwortet Löffelholz: „In erster Linie ist das ein Verdienst der Mitarbeiter. Sie besitzen großes Knowhow und setzen dieses hoch motiviert ein. Dafür ist vermutlich auch unser preisgekröntes Modell einer Aktiengesellschaft verantwortlich, die mehrheitlich im Eigentum der Mitarbeiter steht. Dies fördert unternehmerisches und verantwortungsbewusstes Handeln jedes Einzelnen und schlägt sich in der außerordentlichen Qualität der Produkte nieder.“
Neben der leistungsstarken Konstruktions- und Entwicklungsabteilung hebt der Vorstandsvorsitzende die Bedeutung der mechanischen Fertigung hervor. Seiner Aussage nach stecken in diesem Bereich rund 80 Prozent der Investitionen. Denn dort könne man durch Optimierung am meisten Vorteile erzielen.
Wesentlicher Bestandteil dieser Optimierung ist die verstärkte Ausrichtung aufs 5-Achs-Fräsen. Bereits 14 von 26 Fräsmaschinen eignen sich für das simultane fünfachsige Zerspanen. Für Löffelholz hat dies in erster Linie wirtschaftliche Gründe. Er argumentiert: „Wir erreichen in der Gesamtbetrachtung, also vom Programmieren bis zum fertigen Teil, in den meisten Fällen kürzere Durchlaufzeiten und geringere Stückkosten als bei dreiachsiger Bearbeitung.“
Reinhard Hackler, Abteilungsleiter Mechanische Fertigung, geht ins Detail: „Dass sich die Durchlaufzeiten verkürzen, liegt unter anderem daran, dass einige Arbeitsschritte wie zum Beispiel das Umspannen komplett entfallen. Aufs Senkerodieren mit der dazugehörigen Elektrodenherstellung kann man ebenfalls verzichten, was eine enorme Einsparung bedeutet.“
Als weiteren Vorteil nennt er bessere Oberflächen und Maßhaltigkeit. Dies hat seine Ursache darin, dass man beim 5-Achsen-Fräsen durch das Anstellen des Werkzeugs große Auskraglängen vermeiden kann. Kürzere Werkzeuge wirken sich positiv auf Schnittwerte, Spanquerschnitte und Werkzeugabdrängung aus. Auch die Vibrationen an der Werkzeugschneide sind geringer, so dass sich kleinere Fräserdurchmesser einsetzen lassen, bei denen weniger Restmaterial stehen bleibt, das sonst in zusätzlichen Arbeitsschritten entfernt werden müsste.
Hackler untermauert dies an einem Beispiel, wie es für die Meissner AG typisch ist: „Die komplexe Geometrie eines Formwerkzeugs für Sandkerne zum Gießen eines Pkw-Motorblocks stellen wir zu einem großen Teil durch 5-Achsen-Fräsen her. Zum Vorschlichten und Schlichten genügen hierbei oft vier bis sechs Werkzeuge, beispielsweise ein Fräser D16 für die ebenen Bereiche und Kugelfräser vom Durchmesser D8, D6 sowie D4 bis D1 für die Kontur. Dreiachsig gefräst, wäre die Werkzeuganzahl etwa doppelt so hoch.“
Beeindruckend sind die gesunkenen Werkzeugkosten, die Hackler folgendermaßen begründet: „Durch die geringeren Vibrationen an der Werkzeugschneide erhöhen sich die Standzeiten. Der geringere Werkzeugverschleiß und die reduzierte Zahl der Werkzeuge bewirken, dass die Werkzeugkosten bei dem beispielhaften Formwerkzeug für Sandguss auf etwa die Hälfte gesunken sind – im Vergleich zum früheren 3-Achsen-Fräsen.“
5-Achs-Programmierung leicht gemacht
Ein häufig genanntes Argument gegen die fünfachsige Bearbeitungsweise sind ihre komplexen Bewegungen, die sich mit den Augen kaum nachvollziehen lassen. Sie würden eine äußerst schwierige Programmierung erfordern, so die landläufige Meinung. Doch Thorsten Koch, Gruppenleiter CAM bei der Meissner AG, schmettert dies ohne Zögern ab: „Das Programmieren ist nicht aufwändiger als beim 3-Achsen-Fräsen. Zumindest dann nicht, wenn man das richtige Programmiersystem einsetzt.“
Meissner verwendet seit 1996 das CAD/CAM-System Work NC von Sescoi. Schon damals konnten die einfache Handhabung des Systems und die hohe Prozesssicherheit durch kollisionsfreie Fräsbahnen überzeugen. „In den letzten 15 Jahren hat sich in der Konstruktion und Zerspanung viel verändert“, bemerkt Koch. „Aber Work NC hat mit allen Innovationen Schritt gehalten.“
Mittlerweile besitzt Meissner 16 Lizenzen, davon neun für die 5-Achsen-Bearbeitung. Zusätzlich nutzt das Werkzeugbau-Unternehmen 16 Lizenzen für den Work NC-Viewer. Hackler erläutert: „Wir haben an allen Maschinen Laptops aufgestellt, auf denen die Maschinenbediener den Viewer und damit die Bauteilzeichnungen samt Fräsbahnen aufrufen können. So können sie sich ein detailliertes Bild von der anstehenden Bearbeitung machen. Ein Bearbeitungsblatt und den Aufspannplan gibt es zwar noch immer, aber der Papieraufwand hat sich gewaltig reduziert. Bei unseren Mitarbeitern sind die Viewer sehr gut angekommen.“
Die Basis für die Programmierarbeit wird in der Konstruktion gelegt. Dort arbeitet Meissner mit den drei führenden CAD-Systemen Catia, Siemens NX (früher Unigraphics) und Pro Engineer. Die Übernahme der 3D-Daten in Work NC ist so problemlos und bedienerfreundlich wie das Programmieren selbst. Dabei sind die Neuprogrammierungen laut CAM-Leiter Koch fast ausschließlich fünfachsig: „Work NC bietet dafür mit der 5-Achsen-Software beste Voraussetzungen. Sie besteht im Wesentlichen aus zweierlei Modulen – dem direkten 5-Achsen-Programmieren und dem sogenannten Auto 5.“
Letzteres ist ein Highlight im CAD/CAM-System, das aus existierenden 3-Achsen-Programmen automatisch 5-Achsen-Fräsbahnen generiert. Bei der Umwandlung genügt es, die gewünschte Werkzeuglänge und den Halter einzugeben. Dann rechnet die Software die Fräsbahn automatisch so um, dass eine kollisionsfreie fünfachsige Fräsbahn zustande kommt. Hierbei wird auch die Maschinenkinematik berücksichtigt, da alle Maschinen in ihren Dreh- und Schwenkwinkeln begrenzt sind.
Koch lobt zudem diverse praxisnahe Funktionen wie zum Beispiel Work NC Check & Go. Diese dient dazu, die Verfahrbewegung der jeweiligen Maschine unter Berücksichtigung der berechneten Fräsbahnen sowie der Positionierung des Teils auf dem Tisch zu überprüfen und darzustellen. Sowohl die Achsanstellungen der 3+2-achsigen wie fünfachsigen Bearbeitung als auch die Maschinenkinematik werden auf Verlassen des Verfahrbereichs geprüft. Würde eine Endschalterposition erreicht werden, was ein unerwünschtes Umspannen des Werkstücks zur Folge hätte, kann sich der Anwender von Work NC Check & Go automatisch eine andere, optimale Positionierung des Werkstücks berechnen lassen. In vielen Fällen kann man sich dann das Umspannen ersparen.
Neue Soft- und Hardware beschleunigt den Rechenprozess
„Ein solches Tool haben die wenigsten Programmiersysteme zu bieten“, ergänzt CAM-Fachmann Koch. „Ähnlich verhält es sich mit der Visualisierung.“ Mit Work NC 5-Achs lassen sich ohne zusätzliche Softwareprogramme 3-, 3+2 oder 5-Achsen-Fräsbahnen zusammen mit der Kinematik der gewählten Maschine visualisieren. Die Simulation findet zwischen Fräsbahnberechnung und Postprozessorlauf statt. Zudem erkennt und kennzeichnet sie mögliche Kollisionen zwischen den verschiedenen beweglichen Elementen (Werkstück, Werkzeug, Halter, Maschinenköpfe etc.). Die CAM- und Werkstatt-Verantwortlichen sind sich einig: „Gerade bei neuen, komplexen Fräsprogrammen gibt uns diese Simulation hohe Sicherheit, was den gesamten Fräsprozess anbelangt.“
Koch weist noch auf einen weiteren wesentlichen Faktor hin: „Die 5-Achsen-Programme sind natürlich mächtig, so dass die – mannlosen – Berechnungszeiten entsprechende Zeit dauern können. Darum ist es unerlässlich, soft- und hardwaretechnisch auf dem aktuellen Stand zu sein.“ Meissner setzt daher die neueste Work NC-Version V21 ein, die es auch als 64-Bit-System gibt. Damit beseitigte Sescoi das früher bestehende Problem mit großen Geometrien. Koch bestätigt: „Wir haben solch große Programme mit der 64-Bit-Version getestet und durften feststellen, dass jetzt alles tadellos funktioniert. Wenn man die Software WorkNC V21, die auch Parallelberechnung beherrscht, auf einem leistungsstarken PC mit vier oder acht Kernen betreibt, ist das eine super Sache. So macht Programmieren richtig Spaß.“
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