Drei Achsen im Kopf

von Harald Klieber Die Zeit der Planung und des Prototypendaseins ist vorbei. Die F. Zimmermann GmbH präsentierte auf der AMB den weltweit ersten 3achsigen Fräskopf. Das Paket komplettiert die neue 840D mit volumetrischer Kompensation VCS in der FZ 100. Rolf Röhm und Gimbal-Chef Rüdiger Schrott verraten exklusiv in special tooling, was Erstanwender Kegelmann Technik nach der EuroMold erwarten darf und warum die VCS-Technologie die Maschinenpräzision um bis zu 50 % erhöht.

Es herrscht wieder einmal Goldgräberstimmung in Rodgau-Jügesheim bei Frankfurt. Wieder einmal, weil Kegelmann Technik (www.ktechnik.de) schon fast berühmt ist für seine Innovationsfreudigkeit, mit der der Chef seine Wettbewerbsfähigkeit und sein Prinzip „immer Erster im Kundenkopf sein“ regelmäßig auf die Spitze treibt. „Dieses Mal ist es aber eine echte Revolution. Oder was würden Sie zu 50 % mehr Maschinengenauigkeit sagen. Diese Präzision hat es bisher noch nicht gegeben“, schildert der mit fast 20 Jahren Prototypenbau-Know-how gezeichnete Stephan Kegelmann seine ersten Erfahrungen mit der volumetrischen Kompensation. Siemens hatte das 840D-Feature VCS-5ax erstmals auf der letzten EMO im Vorjahr vorgestellt. „Jetzt bietet Zimmermann die Technologie in der FZ 100 an – und ich bekomme auch noch die erste Maschine.“ Deshalb fiel Stephan Kegelmann die Entscheidung auf der Suche nach einer Ersatzmaschine für seine zehn Jahre alte Zimmermann-Portalfräsmaschine leicht. „Diese noch nicht da gewesene Genauigkeit ist für unsere Anwendungen im Werkzeug- und Formenbau ideal. In Verbindung mit der neuen 3-Achs-Fräskopf-Technologie bekommen wir eine optimale Flexibilität. Die Bearbeitung unserer Anwendungen erreicht somit eine neue Dimension“, skizziert Stephan Kegelmann die Vorteile. Ab Mitte Februar sollen endlich Späne folgen. Dann übernimmt die erforderliche 6-Achsen-Transformation die CNC-Steuerung Siemens 840D. Das CAM-System für die intelligente 5- und 6-Achsen-Bearbeitung läuft über Sescoi WorkNC. Die ersten NC-Programme liegen schon vor. In der Simulation läuft die Maschine also bereits. Die Portalfräsmaschine mit einem Arbeitsraum von 6 x 3 x 1,5 m soll unmittelbar nach der EuroMold bei Kegelmann installiert werden. Der breiten Öffentlichkeit vorgestellt hatte Zimmermann den begehrten 3-Achs-Fräskopf erst auf der AMB in Halle 9, Stand B74. Dort zeigte die Zimmermann-Tochter Gimbal keine digitalen Planspiele oder wie zuletzt auf der EMO ein Kunststoffmodell, sondern eine bewegliche und funktionierende Stahlausführung. „Es ist derzeit noch ein echtes Unikat. Nummer 2 ist aber schon im Bau. Für nächstes Jahr planen wir eine kleine Serie von fünf M3-Köpfen aufzulegen“, erklärt Gimbal-Geschäftsführer Rüdiger Schrott. Vor der EuroMold in Halle 8.0, Stand K 84, wird der M3 ABC noch auf der Hausmesse in Neuhausen (16. bis 17.10.) auf einer FZ100 für reichlich Späne sorgen. Seit 75 Jahren beschäftigt sich Zimmermann mit der Bearbeitung von Oberflächen. Heute sind die Denkendorfer spezialisierte Hersteller für großvolumige CNC-Portalfräsmaschinen und CNC-Bettfräsmaschinen für den Modell-, Formen- und Werkzeugbau sowie die Flugzeugindustrie. Das Portfolio umfasst die ganze Palette von unten angetriebenen Portal- bis oben fahrenden Gantrymaschinen mit High-Speed-Technologien. Die Entwicklung fokussiert sich auf die Portalbauweise: Mittels 5-achsigen Portalfräsmaschinen können große Werkstücke mit komplexen Formen hervorragend von fünf Seiten in kurzer Zeit bearbeitet werden. „Gimbal ist unsere 100prozentige Tochtergesellschaft. Wir sind diesen Weg gegangen, damit Gimbal neutral am Markt auftreten kann“, erklärt Rolf Röhm die Hintergründe der Ausgründung. So könnte ein größerer Kundenkreis angesprochen und die Stückzahlen erhöht werden, was letztlich natürlich nicht nur Zimmermann und Gimbal, sondern auch den Kunden erhebliche Kostenvorteile bescheren würde, so Rolf Röhm. „Allerdings vertreten wir als Gesellschafter auch unsere Interessen. Gimbal fokussiert daher mit seinem 3-Achs-Kopf neue Branchen, wie etwa den allgemeinen Maschinenbau, oder auch Anwender, die den Kopf im Rahmen eines Retrofits in ihre Maschine integrieren wollen.“ Derzeit hat Zimmermann sieben Fräskopftypen im Portfolio. Technologisch hat Zimmermann sich auf den Gabelkopf fokussiert, der nach Erfahrung von Rolf Röhm die ideale Besetzung für HSC- und HPC-Maschinen ist. „Dagegen haben wir nur einen Getriebekopf im Portfolio, der auch immer weniger nachgefragt wird. Die Zukunft gehört ganz klar den Motorspindeln.“ Rolf Röhm bezieht sich dabei unter anderem auch auf eine zwar nicht repräsentative, aber dennoch sehr eindeutige Benchmark, der die Motorspindeln vor allem wegen des geringen Wartungsaufwandes und der ebenso geringen Wärmeentwicklung favorisiert. „Motorkartusche raus und wieder rein sowie die präzisionsförderliche Temperaturkonstanz sind konstruktive Vorteile, die die vergleichsweise niedrigere Drehmomente in den Hintergrund treten lassen“, erklärt Rolf Röhm. Viel Spaß hätte seit Anfang 2006 besonders der VH6-Fräskopf gemacht, von dem Zimmermann samt Maschine bislang über 25 Stück für den Maschinenbau, Lohnfertigung sowie Kraftwerks- und Eisenbahntechnik gebaut hat. Ähnliches Potenzial prophezeit Rolf Röhm dem neuen Fräskopf, der auf der AMB vorgestellten FZ 37: „Wir haben den Antriebsstrang nochmals verstärkt. So lassen sich noch höhere Dynamik und Genauigkeit erzielen. Noch nie haben wir so schnell Abnahmeteile gefräst, wie mit der neuen FZ 37“, berichtet Rolf Röhm. Schon in der Standardausführung seien Zerspanvolumina von 10 l/min in Aluminium machbar. „Das ist für eine Standard-Maschine richtig gut.“ Wer nicht bis zur EuroMold warten will, den lädt Zimmermann und Gimbal auf deren Hausmesse ein: Highlight am 16. und 17.10. von 9 bis 18 Uhr ist natürlich der neue Fräskopf, der an einer FZ 100 erstmals das neue 6achsige Maschinenkonzept mit Spänen überhäufen wird. „Wir betreten mit diesem Konzept eine neue Dimension hinsichtlich Dynamik, Präzision und Simultanbearbeitung“, verspricht Rolf Röhm. Seit November 2007 firmiert die 100prozentige  Tochter der F. Zimmermann GmbH unter eigener Flagge. Insgesamt sechs Mitarbeiter kümmern sich derzeit nur um die Entwicklung und Herstellung der Fräsköpfe. „Früher haben wir über die Hälfte der Fräsköpfe zugekauft und damit natürlich auch die Ideen zum Lieferanten getragen. Das ist jetzt komplett anders. Wir stimmen uns als Tochterfirma zwar mit Zimmermann ab, entwickeln aber eigenverantwortlich – und das Know-how gerade für Entwicklungsprojekte bleibt natürlich im Haus“, unterstreicht Rüdiger Schrott die Strategie. Auslöser für die Ausgründung der ‚Kopf-Abteilung’ war letztlich der jetzt auf der AMB vorgestellte 3-Achs-Kopf. „Zuerst hatten wir die Idee, dann wurde Gimbal daraus, was soviel wie kardanisches, zweiachsiges Gelenk bedeutet. Momentan sind wir voll mit Zimmermann-Projekten ausgelastet. Wir wollen aber schon mittelfristig auch andere Firmen beliefern.“ Zimmermann, so Rüdiger Schrott, sei vor allem auf Highend-Lösungen fokussiert, was das 6-Achs-Konzept eindrucksvoll belegen würde. Der Gimbal-Chef empfiehlt seinen M3 aber nicht nur für neue Werkzeugmaschinen. „Auch beim Retrofit spielt unser 3-Achs-Kopf seine Vorteile überzeugend aus. Voraussetzung sind natürlich neue Elektrik, Antriebstechnik und eine aktuelle Steuerung. Wenn nicht Highspeed gefordert ist, bekommen Sie mit einer solchen Konfiguration eine schwere, stabile Maschine, die heute fast unbezahlbar ist – der M3 setzt dem Ganzen dabei die Krone in Sachen Präzision auf“, kommentiert Rüdiger Schrott. Kunst ist es bei der Entwicklung von Fräsköpfen, klein, kompakt und steif mit den Attributen kostengünstig und hochpräzise in Einklang zu bringen. „Diesen Widerspruch verbindet der neue 3-Achs-Fräskopf in bester Weise. Der Schlüssel zur Machbarkeit war die Überbogenführung“, verrät Rüdiger Schrott. Erst damit sei ein sehr kompakter 3-Achs-Kopf mit akzeptablen Außenmaßen realisierbar gewesen. Die gängigen Bogenführungen am Markt konnten die Ansprüche von Rüdiger Schrott aber nicht erfüllen. „Wir hatten uns zur Eigenentwicklung entschlossen, weil wir vor allem in punkto Reibung und Verschleiß Maßstäbe setzen wollten. Statt Gleitführungen verwenden wir eine vorgespannte Wälzlagerung, die kaum noch Reibung und damit keinen Verschleiß und insbesondere keinen Anfahrruck verursacht.“ Fast unschlagbar seien nach Einschätzung von Rüdiger Schrott die 3-Achs-Fräsköpfe in der Flugzeugindustrie zum Fräsen von Aluminium-Strukturteilen. „5-Achssimultan-Fräsen kann jetzt mit sechs Achsen erfolgen. Damit erhalten Sie einen großen Qualitätsvorteil beim Fräsen von 3D-Geometrien und Freiformflächen.“ Gegenüber einem klassischen 2-Achs-Fräskopf schließt Zimmermann mit der 6-achsigen Konfiguration das große Problem Spindel in der Senkrechte einfach aus. „Der ‚Eiertanz’ der C-Achse rund um die Polstelle ist damit ein für alle Mal passé. Es gibt kein Kreiseln mehr, das den Vorschub stoppt oder meist sogar Oberflächen beschädigt. Diese Probleme haben wir mit der zusätzlichen 6. Achse, komplett ausgeschaltet“, erklärt Rüdiger Schrott. Um den ‚Polproblemen’ aus dem Weg zu gehen, hatte Rüdiger Schrott die Idee, je nach Bearbeitungsprozess immer eine Achse weglassen zu können. „Das ist mit einer 5-Achsmaschine natürlich nicht machbar. Deshalb haben wir uns den Luxus einer 6ten Achse geleistet“, skizziert Rüdiger Schrott den spirituellen Hintergrund, um das große Manko der Rundachse am Pol zu eliminieren. Da genau dort die C-Achse wirkungslos ist, kompensiert Gimbal deren Funktion mit der Bogenführung in Form einer A- und B-Achse. „Da aber A und B sonst keinen großen Schwenkwinkel bietet, operieren wir abseits des Pols mit dem vergleichsweise großen Schwenkwinkel der A- und C-Achse“, erklärt Rüdiger Schrott. „Das Plus an Technik kostet natürlich auch mehr Geld. Bei einer Portalfräsmaschine fällt die Investition lediglich 10 bis 15 Prozent höher aus.“ Der Aufpreis liegt also bei 100.000 bis 200.000 Euro, verspricht aber nach ersten Erfahrungen von Rüdiger Schrott allein 30 % Zeiteinsparung bei typischen Bauteilen. „Und weil die mit unserem M3-Kopf ausgerüsteten Maschinen kein Polproblem mehr haben, können neben den Pa-rallelkinematiken nur unsere Maschinen sogar kleinste Spindelfehler mit dem VCS-5ax von Siemens kompensieren“, verspricht Rüdiger Schrott. VCS, das Volumetric Compensation System, steckt in der aktuellen 840D-Generation von Siemens. Damit kann die Genauigkeit einer Werkzeugmaschine binnen Stunden wieder hergestellt werden. Herstellen heißt: Die Genauigkeit des Auslieferzustandes via volumetrischer Laservermessung reproduzieren. Die Vorteile des 3-Achs-Fräskopf mit Bogenführung liegen nach Einschätzung von Rüdiger Schrott besonders im konstant hohen Vorschub in den Ecken bei typischen Bauteilen und daraus resultierend höhere Produktivität. Weitere Pluspunkte sind geringerer Verschleiß der Werkzeuge und bessere Oberflächenqualität durch optimale Bearbeitungsbedingungen mit passendem und hohem Vorschub; große Schwenkbereiche in allen drei Rotationsachsen. Durch die Möglichkeit einer erweiterten Achskompensation ist die Fräsmaschine dauerhaft genauer. Wertvoll ist die Funktion auch, wenn etwa nach einem Crash oder einer Fundamentsetzung die Geometriefehler unzulässig groß sind. „Dann kann mit der Kompensation innerhalb sehr kurzer Zeit geholfen werden“, erklärt Rüdiger Schrott. Wichtig sei jedoch, dass die Genauigkeit nicht nur bei 5-achsig bearbeiteten Teilen besser wird. Wenn beispielsweise eine ebene Platte überfräst werden soll, sind auch bei dieser einfachen, 2-achsigen Bearbeitung mit VCS-5ax und M3ABC durch die Kompensationen automatisch alle Achsen aktiv. Die scheinbar einfache Bearbeitung ist dann automatisch eine Simultanbearbeitung. Hierzu braucht der Anwender keine speziellen NC-Programme. Als Alternative zum 3-Achs-Kopf bieten Wettbewerber parallelkinematische Maschinenkonzepte an, mit denen das Polproblem ebenfalls umgangen werden kann. Diese Lösungen haben jedoch stark eingeschränkte Schwenkwinkel. Der M3 ABC ist somit laut Zimmermann der einzige Fräskopf, der alle Vorteile in sich vereint: keine Polstelle, große Schwenkwinkel und kompakter Aufbau. Die bei der volumetrischen Laservermessung erfassten Kompensationswerte werden in der Steuerung hinterlegt. „Mit unserem M3. sind wir nun die Ersten, die mit einer seriellen Kinematik das VCS voll nutzen können – und damit eine signifikante Verbesserung der Maschinengenauigkeit von 30 bis 50 Prozent erreichen“, betont Rüdiger Schrott. Gängige Praxis ist sonst, dass Werkzeugmaschinen nach rund fünf Jahren neu in punkto Präzision eingestellt werden. „Den Auslieferzustand wieder herstellen, dauert je nach Maschinentyp und Hersteller eigentlich bis zu zwei Wochen – mit unserer Konfiguration jetzt aber nur noch ein paar Stunden“, womit Rüdiger Schrott vor allem auch den Werkzeug- und Formenbauern unschätzbare Präzisionsvorteile quasi über Nacht verspricht.

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