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Foto: Apppex
Das Rüstzeug für 24/7: Mit dem 7fach-Palettenwechsler RCH2 kann das HSC-Fräszentrum an Wochenenden 60 h ohne Unterbrechung durcharbeiten – und somit Prototypformen schneller produzieren.

Werkzeugmaschinen

HSC-Fräszentren beschleunigen Prototypformen 

Prototypformen für Druckgieß- und Spritzgießformen realisiert Apppex in nur wenigen Wochen. Das Spin-Off der TU München setzt auf die HSC-Fräszentren von Röders.

Einen großen Anteil hat auch die Automation, aber mit den HSC-Fräszentren lassen sich tatsächlich Prototypformen viel schneller bearbeiten: „Bei der Entwicklung neuer Produkte ist der Zeitdruck enorm. Die Entwickler benötigen deshalb ihre Vorserien-Prototypbauteile innerhalb weniger Wochen“, berichtet Dr.-Ing. Frank Breitinger, Geschäftsführer der Apppex Product Development Prototypes Parts GmbH in München. Das 1998 als Spin-Off des Instituts für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften der TU München gegründete Unternehmen hat sich konsequent auf diesen Nischenmarkt hin ausgerichtet. Kernkompetenz ist die kurzfristige Fertigung von einsatzfähigen Stahlformen für die Herstellung von Druckguss- oder Spritzgussprototypen.

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Blick in den Arbeitsraum mit einem auf einer Wechselpalette montierten Werkstück. Im internen Werkzeugwechsler ist genügend Platz für Werkzeuge mit Längen bis zu 380 mm. 
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Mit dem zusätzlichen Werkzeugwechsler RCT, der über 254 Plätze verfügt, stehen auch für lange mannlose Jobs stets genügend Werkzeuge bereit. 
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Die Automation RCH2 bewältigt Nutzlasten bis zu 1.500 kg.  
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Die 5-achsige Röders RXP 600 DSH mit ihrer Automation RC4 bewährt sich seit 2011 beim Fräsen von Graphit und Werkzeugstahl.
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Apppex-Geschäftsführer Dr.-Ing. Frank Breitinger (li.) und der Technischer Leiter, Dr.-Ing. Johann-Christoph v. Pieverling, vor der RXU 1201 DSH, die sich inklusive dem 7fach-Palettenwechsler bestens bewährt hat.

Das Hochleistungsfräsen beschleunigt die Produktion der Prototypformen

Im Spannungsfeld zum Sandguss als alternativem Verfahren rechne sich die Investition in eine solche Stahlform von den Kosten und von der Lieferzeit ab Mindeststückzahlen von 50 bis 100 Stück. Die Lieferzeiten bewegten sich zwischen zwei bis sechs Wochen bei einem Bestellvorlauf von ein bis zwei Wochen. Hergestellt werden Werkzeuge für Maschinen mit bis zu 12 MN (1.200 t) Zuhaltekraft. Mit diesen Formen lassen sich dann bis zu einige 1.000 Prototypen im Serienverfahren und mit seriennahen Werkstoffen erzeugen. Bei der Entwicklung steht Apppex seinen Kunden auf Wunsch mit umfassender Engineering-Kompetenz zur Seite und realisiert beispielsweise auch 3D-gedruckte Formkomponenten mit besonderen Merkmalen wie oberflächennahen Kühlkanälen. Zur Erfüllung der teils sehr unterschiedlichen Kundenwünsche stützt sich das Unternehmen auf ein dicht geknüpftes Netzwerk bewährter Zulieferer und Engineering-Spezialisten. Dazu gehören auch Produktionsbetriebe, in denen die Prototypen gegossen bzw. gespritzt werden.

Schnelle Formherstellung als Kernkompetenz

„Unser Geschäftsmodell ist voll und ganz auf die möglichst schnelle Realisierung solcher Prototypformen ausgerichtet“, ergänzt Dr.-Ing. Johann-Christoph v. Pieverling, Technischer Leiter der Apppex GmbH. Deshalb stehe man auch nicht in Konkurrenz zu klassischen Formenbaubetrieben, die Werkzeuge für die spätere Serienherstellung produzieren. Bei diesen hätten Faktoren wie Herstellzeit, Komplexität/ Automatisierungsgrad, Zykluszeit und Kosten eine ganz andere Gewichtung als bei Apppex. Solche klassischen Formenbaubetriebe müssten beispielsweise aus Kostengründen darauf achten, ihre Maschinen möglichst rund um die Uhr auszulasten. Bei Apppex verhalte es sich andersherum: Man halte in erheblichem Umfang freie Maschinenkapazität vor, um im Auftragsfall möglichst sofort ohne Verzögerung loslegen zu können. Deshalb benötige man nur wenige Wochen für Formen, deren Realisierung sonst bis zu sieben Monate in Anspruch nehmen könne. Oft gehe es um regelrechte Feuerwehraktionen wie im Herbst 2020, als für einen Automobilzulieferer acht komplexe Werkzeuge in nur zweieinhalb Monaten zu liefern waren, bei einer Projektvorlaufzeit von lediglich einer Woche.

Entscheidende Rolle des HSC-Fräsens

„Seit einigen Jahren werden bei uns verstärkt Formen mit größeren Abmessungen angefragt, die mit den bisher vorhandenen Fräsmaschinen nicht mehr bewältigt werden konnten“, erläutert Dr. Breitinger. Die damals für solche Großteile eingesetzte Prozesskette aus Elektrodenfräsen, Erodieren und Polieren nahm insgesamt drei Wochen in Anspruch, was für die Kunden oft zu lang war. Daher begann die Suche nach einem leistungsfähigen 5-Achs-HSC-Fräsbearbeitungszentrum, das sich nicht nur für das Schruppen und Schlichten, sondern auch für das Bohren von Werkzeugstählen eignete. Gefordert waren insbesondere ein Störkreisdurchmesser von 1.000 bis 1.200 mm, ein automatischer Palettenwechsler mit mindestens 6 bis 8 Plätzen zu je 750 kg Nutzlast, eine Werkzeugbevorratung von mindestens 300 Werkzeugen mit Längen von teils bis zu 380 mm und eine interne Kühlmittelzufuhr mit einem Druck von mindestens 80 bar. Mit dem großen Werkzeugbestand soll sichergestellt sein, dass stets für alle Bearbeitungsaufgaben die nötigen Bohr- und Fräswerkzeuge vorbereitet in der Maschine vorhanden sind und so auch an dieser Stelle der Rüstaufwand minimiert werden kann. Die Spindel sollte sich für Schruppfräser mit bis zu 52 mm Durchmesser ebenso eignen wie für das feinfühliges Schlichten mit 1-mm-Kugelfräsern. Mit der hohen Palettenkapazität sollte sichergestellt werden, dass die Maschine über möglichst lange Zeiträume mannlos durcharbeiten konnte. Weiteres Ziel war die Schaffung von zusätzlichen Kapazitäten, um Aufträge für die Zerspanung von Prototypen aus Aluminium, die „aus dem Vollen“ hergestellt werden, hereinholen zu können. So sollte die Auslastung auf bis zu 5.000 h/a gesteigert werden.

Röders RXU 1201 DSH mit den wenigsten Kompromissen

„Beim Vergleich verschiedener Maschinenkonzepte Ende 2017/Anfang 2018 erwies sich ein Fräsbearbeitungszentrum RXU 1201 DSH von Röders als die Lösung, bei der wir die wenigsten Kompromisse eingehen mussten“, erinnert sich Dr. v. Pieverling. Dank ihrer Z-Achse in robuster Quadroguide-Ausführung und ihrer 102-Nm-(S1)-Spindel mit einer Maximaldrehzahl von 22.000 1/min eignet sie sich sowohl für kräftiges Schruppen und Bohren als auch für Schlichteinsätze mit hohen Präzisionsanforderungen. Die automatische Werkstückzufuhr erfolgt mithilfe eines 7-fach-Palettenwechslers RCH2 mit sieben Plätzen und einem Nullpunktspannsystem von Parotec. Das interne Werkzeugmagazin mit 52 Plätzen kann Werkzeuge mit einer Länge bis zu 380 mm aufnehmen. Hierbei handelt es sich vor allem um Tieflochbohrer.

Dazu kommt ein externer Werkzeugspeicher RCT mit weiteren 254 Plätzen hinzu, der den internen Werkzeugspeicher mit den benötigen Werkzeugen vollautomatisch mit Vorausschau für kommende Wechselaktionen vorlädt. Zusammen reicht dies aus, um alle für die Ausführung der verschiedenen Jobs erforderlichen Zerspanungswerkzeuge vorrätig zu halten. Damit kann die Anlage über die Wochenenden von Freitagabend bis Montagmorgen volle 60 Stunden kontinuierlich durcharbeiten. Einziger Wermutstropfen war die etwas verlängerte Bearbeitungszeit beim Schlichten mit dem 1-mm-Kugelkopffräser aufgrund der mit 22.000 1/min für diese Bearbeitung nicht idealen Drehzahl.

Vertrauen dank guter Zusammenarbeit

„Bei der Entscheidung spielte neben den optimal zu unserem Anforderungsprofil passenden Eigenschaften auch noch unsere langjährige gute Erfahrung mit dem Hersteller eine Rolle“, sagt Dr. Breitinger. Erste Berührungspunkte habe es bereits vor Gründung der Firma mit einer Röders-Anlage beim IWB gegeben. Schon seit 1998 war eine gebrauchte Röders-Dreiachsfräse RFM 760 im Einsatz. Diese wurde 2011 durch eine – selbstverständlich automatisierte – fünfachsige RXP 600 DSH abgelöst, die weiterhin im Einsatz ist. Als 2017 die Suche nach einem größeren 5-Achs-Bearbeitungszentrum begann, war somit ein solider Erfahrungshintergrund mit Röders als Lieferant vorhanden. Auch war die Belegschaft mit der Steuerung gut vertraut und überzeugt vor deren Leistungsfähigkeit. All dies erleichterte natürlich die Entscheidung für die neue Fräsmaschine.

Einsatzerfahrungen mit der neuen Anlage

„Das neue Röders-Bearbeitungszentrum ist inzwischen seit zwei Jahren im Betrieb und hat sich bestens bewährt“, berichtet Dr. Breitinger. In den beiden Werkzeugspeichern würden in der Regel 280 Werkzeuge für die unterschiedlichen Bearbeitungsaufgaben vorgehalten. Die Produktionsplanung werde täglich geprüft bzw. neu erstellt, wobei jederzeit auch kurzfristige Anpassungen „auf Zuruf“ erfolgen können. Der Röders Jobmanager RMS Main unterstützt dabei optimal aufgrund seiner leichten Bedienbarkeit und Übersichtlichkeit. Alle Bauteilbearbeitungen würden mit Blick auf ihren Anteil an überwachter bzw. mannloser Fertigung stundengenau geplant. Entsprechend der stark von kurzfristigen Projekthereinnahmen geprägten Abläufe müssten immer wieder einmal sehr große Fertigungskapazitäten bereitgestellt werden. So habe man von Januar bis März 2020 zehn Druckgießwerkzeuge fertigen müssen. In diesem Zeitraum habe die Auslastung kontinuierlich um 44 % über dem Durchschnittswert gelegen. Eine ähnliche Lage habe es auch in den zweieinhalb Monaten von Mitte September bis Ende November 2020 gegeben, als insgesamt acht Werkzeuge herzustellen waren. In diesem Fall sei die Auslastung sogar um 47 % hochgeschnellt. Ungeachtet dieses enormen Drucks hätten auch alle anderen Kunden ihre bestellten Werkzeuge termingerecht erhalten. Insbesondere beim zweiten Großprojekt habe der Kunde unter extremer Belastung gestanden, da ein großer Auftrag von der termingerechten Lieferung abhing. „Zeitweilig herrschte dort geradezu Verzweiflung. Ohne unsere Röders RXU 1201 DSH mit ihrer Automation und dem großen Werkzeugspeicher wäre es uns nicht möglich gewesen, den Kunden rechtzeitig zu beliefern“, bilanziert Dr. Breitinger zufrieden. Denn diese Ausstattung ermögliche es, selbst bei einschichtiger Personalbelegung quasi rund um die Uhr zu fertigen.

Röders RXU 1201 DSH – das HSC-Fräszentrum im Detail

Die Röders HSC-5-Achs-Fräsmaschine RXU 1201 DSH wurde für höchste Genauigkeitsanforderungen bei zugleich hohen Zerspanungsleistungen bei der Bearbeitung harter Werkstoffe ausgelegt. Die Abmessungen des Arbeitsraums betragen 1.000 x 1.050 x 600 mm, bei einem Störkreisdurchmesser von 1.200 mm und einer maximalen Zuladung von 1.500 kg. Das Quadroguide-Prinzip – vier Führungsschienen mit 16 Führungswagen an den vier Ecken der Z-Achse – gewährleistet eine sehr hohe Steifigkeit. Hinzu kommen eine hohe Dynamik und Genauigkeit. Reibungsfreie Linear-Direktantriebe sowie leistungsstarke Spindeln ermöglichen hohe Schruppleistungen und gute Bohrleistungen in gehärteten oder schwer zerspanbaren Materialien, erlauben aber auch optimale Genauigkeiten und Oberflächengüten. Hochgenaue optische Geber in allen Achsen sowie die hohe Frequenz der Achsregler (32 kHz-Racecut) in Verbindung mit einer äußerst präzisen Bahn- und Geschwindigkeitsplanung führen zu Spitzenergebnissen bei Oberflächengüte und Präzision. Die Z-Achse weist einen patentierten reibungsfreien Vakuum-Gewichtsausgleich auf, um – im Zusammenspiel mit der Regelung – jegliche Umkehrmarkierungen in Z-Richtung zu vermeiden.

Steuerung speziell auf Hochpräzisionsfräsen zugeschnitten

Zur Gewährleistung höchster thermischer Stabilität verfügt die Anlage über ein ausgeklügeltes Temperaturmanagement. Die Temperatur des Mediums, das alle wesentlichen Anlagenkomponenten durchströmt, wird mit einer Genauigkeit von ± 0,1 K geregelt. Weitere Besonderheit ist eine eigene, auf PC-Technologie basierende Steuerung, deren Funktionalitäten genau auf die Aufgabenstellung des Hochpräzisionsfräsens zugeschnitten sind. Die Architektur hat für den Anwender den zusätzlichen Vorteil, dass er jederzeit die Option hat, seine Steuerung ebenso wie auch das Betriebssystem auf den neuesten Stand bringen zu lassen.

Werkzeugmaschinen

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Foto: Knuth

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Foto: Köppern

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Foto: Weerg

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