Schneller zum Mercedes

Neuartige Rapid Prototyping Maschine wird von Sinumerik 840D gesteuert

Alle Autofabriken dieser Welt versuchen zur Zeit, die Entwicklung neuer Autos zu verkürzen. Ein ¿Rädchen¿, an dem man dabei drehen kann, ist der Prototypenbau. Um den Prototypenbauern  schneller zu ihren Werkzeugen zu verhelfen, hat die Firma Zimmermann eine neuartige Schichtenfräsmaschine entwickelt. DaimlerChrysler machte mit der Maschine, die mit einer Siemens Sinumerik 840D gesteuert wird, die ersten guten Erfahrungen.

DaimlerChrysler ist einer der führenden Automobilbauer der Welt. Neben Mercedes-Benz werden im Konzern die Marken Maybach, Chrysler, Jeep, Dodge und smart sowie eine Reihe von Nutzfahr-zeugmarken produziert. Das Unternehmen hat mehr als 370000 Mitarbeiter und hat im Geschäfts-jahr 2001 einen Umsatz von 152,9 Mrd. Euro er- zielt. Der Absatz betrug knapp 4 Mio. Personenwagen und rund 500000 Nutzfahrzeuge. Rund 28000 Mitarbeiter/-innen arbeiten im Daimler-Chrysler Konzern in Bereich Forschung und Ent-wicklung, zu dem auch der Prototypenbau gehört.
 Trotz CAD und CAM, trotz Berechnung und Simulation, trotz aller virtuellen Methoden, ohne reale Prototypen geht es nicht im Automobilbau. Um wirklich sicher zu sein, dass später in der Serie alles passt, werden zu jedem neuen Auto diverse Prototypen gebaut, welche die Realität innen und außen zeigen. Im Bemühen, die Entwicklungszeit von Automobilen weiter zu verkürzen, schauen die Automobilbauer natürlich auch auf diesen Bereich. Geht es noch schneller? Um diese Frage positiv zu beantworten, wird alles an modernen Tools eingesetzt was möglich ist: Rapid Prototyping, Rapid Tooling, Reverse Engineering usw.

Die Maschine
Seit Oktober 2001 kommt nun eine ganz neue Maschine für den Bereich Rapid Prototyping/ Rapid Tooling zum Einsatz, die die Herstellungszeit für Prototypenwerkzeuge deutlich senken soll. Spezielle Anforderungen im Rapid Prototyping bzw. Rapid Tooling, wie zum Beispiel komplexe Geometrien mit schlanken Kavi-täten, extremen Vertiefungen und Verrippungen, sind mit konventionellen Fräsmaschinen oft nur mit hohem Aufwand realisierbar. Die
Entwicklung von Frässtrategien und die Programmierung von Bauteilen mit extremen Vertiefungen führen oftmals zu Schwierigkeiten. Die Fachleute berichten beispielsweise von erhöhter Nacharbeit, zusätzlich nötigen Schwenkachsen an den Fräsmaschinen, erhöhtem Kollisions-risiko, mangelhafter Oberflächenqualität durch lange schlanke Werkzeuge.
 Bei den schon bestehenden Rapid-x-Verfahren wie Stereolitho-grafie, Lasersintern oder LOM (Laminated Object Manufacturing) wird bemängelt, dass Genauigkeit und Oberflächengüte mit dem Fräsen nicht vergleichbar seien.
 Diese Situation hat die Firma F. Zimmermann in Denkendorf nahe Stuttgart beflügelt, eine Fräsmaschine zu entwickeln, welche den schichtweisen Aufbau eines Prototypen oder Werkzeugs erlaubt. Grund-idee: Alles wird aus Platten gefertigt, die man dann aufeinander klebt, ähnlich wie bei LOM, nur eben aus Frästeilen. Weitere Eingangspara-meter für die Maschinenentwickler waren:
³ Vollautomatischer Prozess
³ Wirtschaftliche Realisierung komplexer Formen
³ Höchste Oberflächengüte in Serienqualität
³ HSC-Bearbeitung mit Standardwerkzeugen
³ Nur geringe Nacharbeit nötig
³ Automatische Aufteilung des CAD-Modells durch Software
³ Verarbeitung von Alu, Blockmaterialien und Graphit
 Das Ergebnis ist nun eine Schichtfräsmaschine, LMC (Layer Milling Center) genannt. Das LMC ist eine integrierte Fertigungseinheit, deren Bestandteile innerhalb der geschlossenen Umhausung auf engstem Raum angeordnet sind: Handling- und Klebestation, ¿über Kopf¿
angeordnete Fräseinrichtung und Entnahmestation. Die Anlage  Ø
×  arbeitet vollautomatisch und mannlos. Die wichtigsten Konstruk-tionsmerkmale sind:
³ Tragende Maschinenteile sind struktursteife Schweißkonstruktionen
³ Höchste Präzision und Oberflächenqualität bei hochdynamischer Bearbeitung durch stabile Ausführung aller tragenden Teile
³ Alle Achsen mit digitalen Antrieben Siemens Simodrive 611D
³ Kraftübertragung durch spielfreie Kugelgewindetriebe
³ Linearführungen mit vorgespannten Rollenumlaufführungen
³ Frästisch mit 4-fach Säulenführung mit ø 100 mm
³ Fräsachsen W, X, Y, und Z mit direkten Längenmesssystemen
³ HF-Spindel mit 9 kW für wirtschaftliche HSC-Bearbeitung mit bis zu 40 000 min¿1
³ 12fach Werkzeugwechsler und Laser-Werkzeugvermessung.
³ Vorbereitung für Absauganlage.

Die Steuerung
Das LMC wurde mit der Steuerung Sinumerik 840D ausgestattet, welche optimal mit den Antrieben Simodrive 611D harmoniert. Die Steuerung enthält zwei Intel-Pentium-Prozessoren und benutzt das Betriebssystem Microsoft Windows NT, woraus sich eine weitgehend freie Programmierbarkeit ableitet sowie die Kommunikationsfähigkeit in einem computergeprägten Fertigungsumfeld. Die Steuerung bietet alles, was man bei hochproduktiven Werkzeugmaschinen braucht, wie z. B.:
³ Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mit Look-Ahead
³ schleppfehlerfreies Fahren mit Vorsteuerung
³ NURBS-Interpolation
³ leistungsfähige Fünf-Achs-Funktionen
³ Technologien wie Bohren, Fräsen, Drehen, Nibbeln, Stanzen,
Schleifen, Lasern
³ Einbeziehung von internen Messsystemen
³ viele Sicherheitsroutinen
 Der heutige Stand der Steuerungsfunktionalität ist so hoch, dass ohne Spezialprogrammierung ein Einsatz in der Serie erfolgen kann. Dennoch besteht auch die Flexibilität, für einzelne Projekte Erweiterungen vorzunehmen. Etwa die nötigen Koordinatentransformationen für Tripoden- oder Hexapodenantriebe. Ein anderes Beispiel wäre die Erweiterung der Werkzeugdatenbank um Parameter für die Minimalmengenschmierung etc.
 Ein besonders wichtiger Aspekt bei Sinumerik-Steuerungen ist das von Siemens entwickelte Sicherheitspaket ¿Safety Integrated¿. Es ist, in den Stufen 1 und 2, der ganzheit-liche Ansatz für eine integrierte Sicherheitstechnik mit intelligentem Systemdurchgriff bis hin zu den elektrischen Antrieben und Mess-systemen. Safety Integrated schützt nicht nur Personal und Maschinen optimal, es lässt oft auch eine vereinfachte Maschinenkonstruktion zu, eben weil viele Funktionen schon integ-riert sind und nicht durch Extraschalter etc. realisiert werden müssen.
 Mit den Softwareständen 5.3 und 6.0 wur-de die Sinumerik 840D wesentlich erweitert. Die Performance-Fortschritte sind so groß, dass Siemens der Top-Steuerung nun den Zusatz ¿Powerline¿ anfügt. Neben den jeweils schnells-ten NCU-Baugruppen wurden viele Verbesserungen in der Software realisiert. Einen wesent-lichen Vorteil für den Anwender bietet die Erweiterung der generischen 5-Achs-Transformation auf die 3- und/oder 4-Achs-Transforma-tion. Mit der Funktion ¿Generische Transformation¿ ist die Orientierung des Werkzeuges im Raum bei Grundstellung der Achsen beliebig vor-gebbar und wird nicht allein durch die Z-Richtung bestimmt. Mit dieser Er-weiterung lassen sich jetzt z. B. auch Maschinenkinematiken von der CNC steuern, bei denen die Orientierung der Rundachsen nicht exakt parallel zu den Linearachsen steht. Die generische Transforma-tion ist mit dieser Erweiterung auch für Maschi-nen mit nur einer Rundachse (drehbares Werkzeug oder drehbares Werkstück) einsetzbar.

Der Prozess
Der Bearbeitungsprozess mit der neuen Zimmer-mann-Maschine läuft in sechs Phasen ab. In der ersten Phase wird das Rohmaterial, das unterschiedliche Stärken haben kann, zugeführt. Die gestapelten Rohmaterialplatten werden auf einer Palette in der Maschine automatisch zentriert. Von dort werden sie per Vakuumheber zum Transporttisch gebracht. Die erste Rohmaterial-platte wird auf der Grundplatte verschraubt.
 In der zweiten Phase erfolgt die Fräsbearbeitung der ersten Rohmaterialplatte. Danach wird automatisch Kleber aufgetragen. ¿Da es sich um eine 2-Komponentenklebung handelt, wird hier der Binder aufgetragen. Die einzelnen Platten sind zuvor mit der zweiten Komponente, dem Härter, eingestrichen worden¿, erläutert der zuständige DaimlerChrysler-Ingenieur, Edib Kocan.
 In der dritten Phase wird die nächste Roh-materialplatte geholt und auf den Transporttisch gelegt. Jetzt verfährt der Tisch in einer vierten Phase in die Anpressposition und verpresst die Platte. Kocan: ¿Der Klebstoff ist nach ca. 15 Minuten ausgehärtet. Anschließend kann sofort die nächste Fräsbearbeitung beginnen.¿
 Bis zur Fertigstellung des Werkstücks werden nun die Phasen 2 bis 4 wiederholt.
 In der fünften Phase erfolgt das Abdocken der Grundplatte auf dem Transporttisch, der Tisch fährt in die Entnahmeposition, und das fertige Werkstück wird entnommen. Nebenbei: Die Aufteilung des NC-Programms auf die einzelnen Platten erfolgt automatisch durch die Software WorkNC von Sescoi.

Erste Erfahrungen
Für die Maschine sprach laut Edib Kocan auch, tiefe Kavitäten mit kurzen Werkzeugen herstellen zu können, die einfache Programmierung und die Möglichkeit, mannlos zu produzieren. Ferner sind keine Rohlingsaufbauten mehr nötig, und aufwändige Kollisionsbetrachtungen fallen weg. Die Maschine schafft, nach den bisherigen Erfahrungen, Genauigkeiten wie bei konventionellen Fräszentren üblich. Die Oberflächenqualität hängt laut Kocan ¿von den gewählten Frässtrategien, Schnittparametern und dem zu zerspanenden Werkstoff ab¿.
 Die Zeiteinsparung gegenüber dem konventionellen Fräsen beträgt zu 30 %. Das Ergebnis hängt jedoch von einem gewissen, geschickten Vorgehen ab, wie die Schwaben herausgefunden haben. Die optimale Strategie wird gerade erprobt.
 Unter dem Strich hält man das Verfahren für zukunftsträchtig, sieht die zunächst bestehenden Klebeproben als erledigt an und denkt in Zukunft auch an den Einstieg im Spritzguss-bereich. ¿Spritzgusswerkzeuge aus Aluminium zu fertigen, halten wir für möglich¿, meint Edib Kocan abschließend.

Autor: Ulrich Schleider, Siemens AG Erlangen, Automation & Drives
ulrich.schleider@erlf.siemens.de