Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 01/2015, 16.01.2015

Echte Herausforderungen für die Zukunft

Die zunehmende Vernetzung der Produktion und die kontinuierliche Verbesserung der Effizienz im Zusammenhang mit Ressourcenschonung sind die bestimmenden Trendthemen der Werkzeugmaschinenbranche und ihrer Partner. Ebenfalls im Fokus: die wachsende Bedeutung des Leichtbaus, der Simulation sowie hybrider Maschinenkonzepte.

Autor: Name Autor Firma Ort Bernhard Reichenbach

Die Fertigungstechnikmessen AMB und Prodex machten es deutlich: Die Werkzeugmaschinenbranche sieht sich einer Vielzahl von Entwicklungen ausgesetzt, die die Investitionsentscheidungen ihrer Kunden beeinflussen. Neben den weiterhin dominierenden Trendthemen Industrie 4.0/vernetzte Produktion sowie Effizienzverbesserung/Nachhaltigkeit geht es auch um Themen wie Leichtbau, Hybridisierung der Maschinen sowie die Simulation kompletter Bearbeitungsvorgänge.

Trendthema Vernetzung:

Das Thema Industrie 4.0/vernetzte Produktion ist «vielschichtig und interdisziplinär», zu diesem Schluss kommt das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in seiner Strukturstudie «Industrie 4.0 für Baden-Württemberg». Viele der Aussagen dürften auch für die Schweiz gelten. So seien bereits für die rein technische Umsetzung neben Kompetenzen im Maschinenbau auch Fähigkeiten in den Bereichen Elektrotechnik, Software, Informations- und Kommunikationstechnik erforderlich. Einbezogen werden müssten auch Bereiche wie die Arbeitsorganisation und unternehmensnahe Dienstleistungen, etwa die Instandhaltung und technische Aufrüstung sowie nichttechnische Bereiche wie Schulung und Weiterbildung.

All dies stellt die Unternehmen vor grosse Herausforderungen. Das Positive an der Sache: Betriebe, die auf vernetzte Produktion setzen, könnten sich dadurch Wettbewerbsvorteile erarbeiten, beispielsweise durch eine gesteigerte Produktivität. Dennoch schätzen viele Führungskräfte die Relevanz von Industrie 4.0 derzeit als eher moderat ein. Man sieht die Chancen, befindet sich aber noch in der Orien­tierungsphase. «Deutlich ändern wird sich dies in den kommenden fünf Jahren», ist Holger Langhans, Director Walter Multiply beim Werkzeughersteller Walter, überzeugt. «Nur wer seine Produktion zum Mitdenken bringt, kann künftig die nötige Qualität, Flexibilität und Verfügbarkeit sicherstellen, um global wettbewerbsfähig zu sein.»

Trendthema Material- und Energieeffizienz:

Materialkosten stellen im produzierenden Gewerbe mit über 40 Prozent den mit Abstand grössten Kostenblock dar, während etwa der Anteil der Personalkosten nur rund 18 Prozent ausmacht. Vor dem Hintergrund steigender Rohstoffpreise ist folglich bei vielen Unternehmen im Bereich der Materialkosten ein hohes Einsparpotenzial vorhanden – bis zu 20 Prozent der Materialkosten sollen sich durchschnittlich einsparen lassen.

Es gibt eine Vielzahl an organisatorischen und technischen Massnahmen, um Verschwendung zu vermeiden und die Materialkosten zu senken. Eingriffe sind beispielsweise bei der Produktgestaltung und in der Produktion möglich, etwa durch technische Modernisierung. Weitere Möglichkeiten liegen in verstärktem Einsatz innovativer Verfahren wie Minimalmengenschmierung und Trockenbearbeitung, in verbessertem Recycling sowie in der Substitution klassischer Materialien. Durch den Einsatz vorgeformter Rohteile anstelle von Vollmaterial konnte beispielsweise ein Zerspanbetrieb seinen Material­abfall um 50 Prozent reduzieren.

Energieeffizienz als Wettbewerbsfaktor

Steigende Energiepreise und ein hoher Kostendruck sind zwei Gründe dafür, dass das Thema Energieeffizienz und -einsparung mehr denn je die Diskussionen rund um die Fertigung bestimmt. Ein möglichst geringer Energiebedarf in der Produktion wird zu einem immer wichtigeren Wettbewerbsfaktor. Zwar liegt der Anteil der Energiekosten an den Gesamtkosten bei Unternehmen der Metallbearbeitung in der Regel bei wenigen Prozent, bei kleinen und energieintensiven Betrieben kann er aber bis zu 15 Prozent betragen. Untersuchungen zeigen, dass sich in der Regel 20 bis 30 Prozent an Energie einsparen lassen. Neben der energetischen Verbesserung einzelner Maschinenkomponenten, Produktionsmaschinen und -anlagen spielen dabei auch deren energetische Vernetzung sowie die Einbeziehung von Maschinenperipherie, Haustechnik und Fabrikgebäude eine wichtige Rolle.

Ein aktuelles Beispiel liefert die Firma GF Machining Solutions mit folgender Nachhaltigkeitsmassnahme: Die niedereffizienten Funkengeneratoren der von dem Unternehmen hergestellten Erodiermaschinen werden derzeit auf Resonanzschaltung umgerüstet  – die energieeffizienteste Architektur, die derzeit zur Verfügung steht. Diese trägt zu maximierten Schneidgeschwindigkeiten mit ent­- sprechender Energie-, Zeit- und Kostenersparnis bei.

Trendthema Leichtbau:

Nicht nur in den Mobilitätsbranchen wie der Luftfahrt- und Automobilindustrie hält der Leichtbau verstärkt Einzug, sondern zunehmend auch in Energietechnik und Maschinenbau. Das Materialspektrum reicht von Aluminium und Titan bis zu modernen Verbundwerkstoffen wie CFK und GFK sowie Werkstoffverbünden. Eingesetzt werden diese Materialien insbesondere dann, wenn es um hochdynamische Prozesse geht, bei denen grosse Massen möglichst schnell beschleunigt und wieder abgebremst werden müssen.

Auf den Einsatz von Verbundwerkstoffen in Werkzeugmaschinen hat sich etwa die Firma Xperion Components spezialisiert. Sie zeigte an der Messe AMB Komponenten aus CFK, die hohen Beschleunigungen ausgesetzt sind. Ein Beispiel ist der X-Girder, ein rechteckiger CFK-Träger mit montierten Führungsschienen in thermostabiler Ausführung. Dieser soll gegenüber Stahl eine 20-fache Geschwindigkeitssteigerung ohne Qualitätsverlust erlauben.

Was die Bearbeitung der genannten Verbundwerkstoffe angeht, so lassen sich die Methoden der Metallbearbeitung nur selten eins zu eins übertragen. Neue Strategien sind erforderlich, die nicht nur die Werkzeugmaschine, die Spann- und Bearbeitungswerkzeuge, das Kühl- und Schmierkonzept sowie die Absaugung betreffen, sondern auch die Simulation und Qualitätskontrolle.

Erwärmung mittels Laser senkt Prozesskräfte

Auf die speziellen Anforderungen der Bearbeitung von Verbundwerkstoffen hat sich etwa die Firma Otto Suhner eingestellt. So bietet das Unternehmen für die Fertigung von Automobilkomponenten aus CFK spezielle Einheiten an, die bei grossen, sperrigen Werkstücken eingesetzt werden, da sie gleichzeitig aus unterschiedlichen Richtungen arbeiten können. So kann eine Sondermaschine mit 33 Spindeln zeitgleich in weniger als 2,5 s 33 Bohroperationen durchführen.

Trendthema Hybridisierung:

Ein weiterer Zukunftstrend ist die Kombination und Überlagerung verschiedener Verfahren in einer Werkzeugmaschine. Entsprechende Kombinationen liefern oft gute Ansätze für die Optimierung von Fertigungsprozessen. Das kombinierte Drehen und Fräsen, beispielsweise, bietet neben seiner klassischen Anwendung als Verfahren mit hoher Produktivität grosse Potenziale zur Erzeugung spezieller Oberflächenstrukturen. Ein weiteres Beispiel ist der Einsatz der ultraschall­unterstützten Bearbeitung zum einfacheren Zerspanen sprödharter Werkstoffe wie Keramik. Für spe­zielle Anwendungen bietet sich auch der Einsatz des Lasers zum Erwärmen des zu bearbeitenden Materials an, um die Prozesskräfte bei der anschliessenden Zerspanung zu minimieren.

Verschiedene Anbieter kombinieren den Laser als Werkzeug zur additiven Fertigung nun auch mit zerspanenden Maschinen. Einen anderen Weg geht die Firma Hermle, die das additive MPA-Verfahren in ein 5-Achsen-Bearbeitungszentrum integriert. Dieses thermische Spritzverfahren für Metallpulver ermöglicht die additive Fertigung grossvolumiger Bauteile mit nahezu beliebiger Innengeometrie in einer Aufspannung.

Trendthema Simulation:

Mit der zunehmenden Hybridisierung steigen auch die Ansprüche an den Werker. Daher muss zunächst eine Antwort gefunden werden, wie die Anwender komplexer Maschinenkonzepte in die Lage versetzt werden können, dieses Mehr an Funktionalität so zu beherrschen, dass es wirtschaftlich und gewinnbringend eingesetzt werden kann. Eberhard Beck, Leiter Steuerungstechnik der Index-Werke, erläutert: «Konventionelle Planungsmethoden und Auftragsabläufe genügen nicht mehr den sprunghaft ansteigenden Anforderungen der neuen Maschinenkonzepte, denn die Planung und Realisierung ‹multitechnologischer› Zerspanprozesse umfasst neben der Bearbeitungsfolge und Werkzeugplanung vor allem umfangreiche und erfahrungsintensive Programmierarbeiten.» Manuell lasse sich das kaum noch konkurrenzfähig leisten.

Eberhard Beck rät zu einer «in Darstellung und zeitlichem Ablaufverhalten absolut wirklichkeitsgetreuen 3D-Bearbeitungssimulation, mit der sämtliche programmbedingten Maschinenaktionen und Auftragsabläufe vor Auftragsstart am PC geprüft und abgesichert werden können.» Das Unternehmen hat daher als einer der ersten Werkzeugmaschinenhersteller ein 1:1-Abbild seiner Maschinen auf dem Rechner geschaffen.



Hybridmaschinen, die verschiedene physikalische Prinzipen verbinden, können die Zerspanung von Verbundwerkstoffen verbessern: Schäftung in CFK-Rotorblattsegment auf einer Ultraschallmaschine des Typs Ultrasonic 85 von DMG Mori. (Bild: DMG Mori)


Der X-Girder, ein rechteckiger CFK-Träger mit montierten Führungsschienen in thermostabiler Ausführung. Dieser soll gegenüber Stahl eine 20-fache Geschwindigkeitssteigerung ohne Qualitätsverlust erlauben. (Bild: Xperion)


Diese Sondermaschine fertigt Faserverbundbauteile für die Automobilindustrie. 33 Spindeln führen zeitgleich in weniger als 2,5 s 33 Bohroperationen aus. (Bild: Suhner)


Additiv aufgebaut und zerspant auf einem Bearbeitungszentrum: Spritzgusswerkzeug aus Stahl 1.2344 mit innen liegendem Kühlkanal. (Bild: Hermle)