Thyssenkrupp Materials modernisiert Produktion «Heavy metals» – automatisierte Schwerzerspanung bis 5 Tonnen

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Reimmann AG - Werkzeugmaschinen

thyssenkrupp Materials Suisse AG

Walter Meier (Fertigungslösungen) AG

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Das neue CNC-Fräszentrum DN Solutions «HM 1250» sorgt bei Thyssenkrupp Materials Schweiz AG in Bronschhofen für die auto­matisierte, palettisierte Schwerzerspanung von kubischen Bauteilen bis 5 Tonnen.

Konkret werden auf der neuen DN Solutions «HM 1250» die Seitenflächen und Kanten von Werkzeugstahl-Platten bis D = 2 300 mm und H = 1 475 mm fertig bearbeitet. Das koreanische Bearbeitungszentrum (BAZ) bietet höchste Spindeldrehmomente bei gleichzeitig hoher Präzision von 0,02 mm auf zwei Meter Länge.

Hochwertige Stahlhalbzeuge, die durch die Fertigungsverfahren Sägen, Schrupp- und Schlichtfräsen, Umfangsfräsen, Flachschleifen bis hin zum Tieflochbohren kundengerecht konfiguriert werden, gehören zur Kernkompetenz der 115 MitarbeiterInnen starken Thyssenkrupp Materials Schweiz AG in Bronschhofen. In der kubischen Fertigung sorgen 62 MitarbeiterInnen für die pünktliche Auslieferung sowohl von kleinsten, zündholzschachtelgrossen Bauteilen als auch von tonnenschweren Werkstücken. Thyssenkrupp Materials Schweiz kann Blöcke bis max. 12 Tonnen bearbeiten. Das Rohmaterial bezieht Thyssenkrupp dabei vorzugsweise von westeuro­päischen Partnerstahlwerken.

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In diesem Bericht liegt der Schwerpunkt auf der Fertigung von grossen Platten und kubischen Bauteilen, deren Dicken in einem ersten Fertigungsschritt auf einem vertikalen Fahrständer-BAZ bearbeitet werden. Anschliessend müssen die vier Stirnseiten sowie die Fasen bearbeitet werden.

Vier Wochen: Von der Anlieferung bis zur Produktion

Um die Stirnseiten der Platten prozesssicher, produktiver und vor allem wirtschaftlicher fräsen zu können, hat Thyssenkrupp in eine südkoreanische DN Solutions «HM 1250» investiert, die als 4-Achsen-Horizontal-BAZ konzipiert ist. Die vierte Achse (Drehtisch) wird benötigt, um die 4-seitige Stirnbearbeitung in einer Aufspannung zu ermöglichen.

Die Reimmann AG hat die «HM 1250» Anfang 2023 in Südkorea abgenommen und im Mai 2023 mit insgesamt fünf Lastwagen in Bronschhofen angeliefert. Im Juni 2023 ging die 35-Tonnen-­Maschine in Produktion.

Claudio Roth (CEO, Thyssenkrupp Materials Schweiz AG): «Die Bearbeitung von drei Tonnen schweren Platten und kubischen Bauteilen ist unser Tagesgeschäft. Unsere Halbzeuge werden vor allem für den Bau von Spritzgussformen im Werkzeug- und Formenbau und im Bereich von Hochleistungspumpen sowie Grosskompressoren eingesetzt.»

Andreas Sutter (Betriebsleiter, Thyssenkrupp Materials Schweiz AG): «Hohe Drehmomente und Steifigkeiten waren schon immer Grundvoraussetzung für unsere Anwendungen. In den letzten Jahren ist in diesem Segment das laufzeitparallele Rüsten und das automatisierte Handling immer wichtiger geworden, um eine wirtschaftliche Produktion zu gewährleisten.»

Anforderungen an das BAZ

Eine Besonderheit der zu bearbeitenden Rohblöcke ist deren Zunderschicht, wie C. Roth betont: «Je nach Material sind in der Randschicht Eigenspannungen vorhanden, die sich entsprechend auf die Formtoleranz der Blöcke auswirken können. Diese Randschicht muss vollständig entfernt werden, denn sie ist nicht nur sehr abrasiv, sondern auch von Mikrorissen durchzogen, die beim Walzen und Schmieden der Rohblöcke und Walzplatten entstehen.»

Das Planfräsen der bis zu 2 000 × 2 000 mm gros­sen Platten erfolgt auf einer vorgelagerten Werkzeugmaschine. Typischerweise werden 4–5 mm der gewalzten und/oder geschmiedeten Oberfläche im Stirnfräsverfahren mit Messerköpfen weggefräst. Nach dem Planfräsen kommen die Platten auf die DN Solutions «HM 1250», um den Umfang der Platten ebenfalls im Stirnfräsverfahren mit Wendeplattenfräsern (bis D  = 160 mm) zu fräsen. Die geforderten Toleranzfelder der Bearbeitung liegen im Bereich 0 plus 0,20 mm auf 2 000 mm Länge.

Aufwendig: Teilweise mehrfaches Wenden erforderlich

A. Sutter: «Nicht selten müssen wir die Platten mehrfach wenden und immer wieder Planfräsen, bis die Oberflächenspannungen der Randzonen keinen Einfluss mehr auf die Geometrie haben. Das hängt sowohl vom Material als auch von der Vorbehandlung ab. Wir haben langjährige Erfahrung und wissen, welche Materialien kritisch sind und wie wir fertigungstechnisch vorgehen müssen, um absolut spannungsfreie Werkstoffe zu produzieren. Entscheidend ist, dass unser Kunde eine Platte erhält, die genau seinen Qualitätsanforderungen entspricht.»

Die Ebenheit der Platten bzw. kubischen Bauteile spiele auch bei der Werkstückspannung der DN Solutions eine wesentliche Rolle, wie A. Sutter gegenüber dem SMM erläutert: «Damit wir mit der DN Solutions alle vier Stirnseiten in einem Durchgang fräsen können, setzen wir auf Magnetspannsysteme. Damit sind alle vier Seiten frei zugänglich. Beim Magnetspannen hängt es von der Ebenheit der Planflächen ab, wie gut diese gespannt werden können.»

Bewertung und Entscheidung

Im Rahmen der Evaluierung kamen neben der DN Solutions «HM 1250» weitere koreanische, deutsch-japanische und schweizerische Werkzeugmaschinen-Hersteller in die engere Auswahl. Aufgrund des Fokus auf die Schwerzerspanung des Umfangs schieden 5-Achs-Maschinen und verti­kale BAZ von vornherein aus.

C. Roth: «Wir haben keine alltäglichen Anforderungen an die Maschine. Entscheidend war, dass die Spindel drehmomentstark ist, die Drehzahlen für den Schruppprozess eher niedrig sind und wir einen kompetenten Ansprechpartner vor Ort haben. Moderne Maschinen haben heute oft Motorspindeln, die die Leistung über die Drehzahl auf das Werkzeug übertragen, was für unsere Anwendungen nicht zielführend ist. Eine horizontale Spindellage mit einer Getriebespindel war eine zwingende Voraussetzung.»

Die DN Solutions «HM 1250» verfügt über ein maximales Drehmoment von 3 687 Nm bei n = 500 1/min. Die Getriebespindel ist 3-stufig ausgelegt und leistet maximal 37 kW bei n = 6 000 1/min. Wie fast alle asiatischen WZM verfügt die DN Solutions über eine Big-Plus-Aufnahme mit Plananlage vom Typ BT-50.

C. Roth: «Wir haben zwar eine Big-Plus-Schnittstelle an der Maschine, aber unsere Aufnahmen sind normale Steilkegel. Wir werden prüfen, ob wir auf Big-Plus-Steilkegel umsteigen oder zumindest Versuche fahren werden.»

A. Sutter: «Bei den Fräswerkzeugen, die auf der «HM 1250» laufen, ist höchste Maschinenstabilität gefragt. Eine der Grundvoraussetzungen war, auch grosse Fräsköpfe bis D = 160 mm einsetzen zu können, ohne dass Vibrationen auftreten, die in vielerlei Hinsicht schädlich sind. Sie verkürzen die Lebensdauer der Werkzeuge als auch der Spindellager. Letztendlich leidet auch die Qualität der Bauteile.»

2-Paletten-System für laufzeitparalleles Rüsten

C. Roth: «Ausschlaggebend für die Entscheidung in Richtung der DN Solutions «HM 1250» waren die Abmessungen, die Stabilität, die Effizienz, die Automati­sierung, die richtige Auslegung auf unser Teilespektrum und letztlich auch das Preisgefüge.»

Apropos Automatisierung: Die «HM 1250» verfügt über ein 2-Paletten-System: Während auf einer Palette ein Werkstück bearbeitet wird, kann auf der zweiten lauftzeitparallel gerüstet werden. Standardmässig kann die «HM 1250» auf Kundenwunsch auf bis zu 6 Paletten erweitert werden.

Reimmann: Kompetenter Partner

A. Sutter: «Zu guter Letzt brauchen wir einen zuverlässigen und kompetenten Partner vor Ort, der nicht nur über die entsprechenden Lösungen verfügt, sondern auch unsere Fertigungsstrategien versteht. Hier haben wir in den Vorgesprächen mit Adrian Sennhauser (Verkaufsingenieur WZM, Reimmann AG) ein Grundvertrauen gewonnen. Er wusste genau, worauf es bei unseren Bearbeitungssi­tuationen ankommt, und hat uns schliesslich das passende Bearbeitungszentrum empfohlen.»

A. Sennhauser: «Hinsichtlich der maximalen Beladung musste die Maschine leicht modifiziert werden. Drei Tonnen Beladung ist Standard, die Thyssenkrupp-Maschine ist jedoch für fünf Tonnen ausgelegt worden. Eine solche Auslegung ist ein standardisiertes Verfahren bei DN Solutions.»

C. Roth: «Wir haben tatsächlich regelmässig 3,5 Tonnen reines Werkstückgewicht auf der Maschine. Dazu kommt die Aufspannplatte mit knapp einer Tonne, sodass wir bei Bedarf noch 500 kg Puffer haben. Bei der 5-Tonnen-Version sind zwar die B-Achse und die Palettenwechsler etwas langsamer als bei der Standardausführung. Aber das fällt nicht wirklich ins Gewicht.»

A. Sutter: «Von den Abmessungen her ist die DN Solutions perfekt auf das zu fertigende Teilespektrum ausgelegt. Der Störkreis der HM 1250 beträgt 2 300 mm, die Bearbeitungshöhe 1 475 mm (ohne Grundplatte). Damit decken wir nahezu das gesamte Teilespektrum unserer Kunden ab.»

C. Roth: «Wir haben schon bei den ersten Fräsversuchen gemerkt, dass es die richtige Maschine ist. Die Reimmann-Spezialisten haben die Maschine in Korea abgenommen und einen absolut hervorragenden Job gemacht. Das spiegelt unser Vertrauen in Reimmann und in die Kompetenz von Adrian Sennhauser wider. Er hat uns nicht zu viel versprochen.»

Makros für die Plattenherstellung

Ein weiterer Vorteil war, dass Reimmann zusammen mit Thyssenkrupp Materials ein Makro für die Stirnseitenbearbeitung der Platten entwickelte.

A. Sennhauser: «Da auf der DN Solutions fast immer baugleiche kubische Bauteile gefertigt werden, lag es nahe, ein Makro zu entwickeln, das die Bedienung der Maschine extrem vereinfacht. Man gibt die Materialnummer, Länge, Breite, Höhe etc. ein und die Schnittparameter werden automatisch ermittelt. Das Makro kann für jede Platte verwendet werden, sodass kein NC-Programm erstellt werden muss. Die Makroprogrammierung war eine meiner ‹Nebentätigkeiten› im Rahmen der Maschinenauslegung.»

Alexander Reband (Gruppenleiter Fräserei, Thyssenkrupp Materials Schweiz AG): «Das Makro ist hervorragend. Nach Eingabe der Parameter startet das Programm. Die Maschine beginnt mit der Vermessung und Ausrichtung des Bauteils und endet mit der Komplettbearbeitung inkl. Schlusskontrolle und Ausschleusung der Palette.»

Saubere Fase

A. Sutter: «Apropos Endbearbeitung, mit der neuen Maschine können wir darüber hinaus eine saubere Fase fräsen, die sich ebenfalls im Makro definieren lässt. Bisher mussten wir die Fasen von Hand erstellen, was sehr zeitaufwendig war und punkto Qualität und Ausführung Schwankungen ergab. Teilweise mussten unsere Kunden die Fase nachbearbeiten. Das ist mit der neuen ‹HM 1250› Geschichte. Heute ist jede Fase perfekt und makellos.»

Marposs-Maschinenschutzsystem

Für die Bruchkontrolle bzw. Kollisionsüberwachung sorgt ein Marposs-System (GEM CMS). Verschiedene Sensoren am Maschinenständer misst permanent in einer eigenen Zykluszeit von unter einer Millisekunde die Vibrationen. Der Prozess muss im Vorfeld eingelernt werden, um Leitplanken zu setzen. Gibt es einen Peak oder bewegen sich die Schwingungen ausserhalb des definierten Fensters, wird sofort ein automatischer Maschinenstopp ausgelöst. Der Sinn des Systems ist die Verhinderung von Schäden an der Spindel. Ohne ein solches System würde die Maschine bis an ihre Leistungsgrenze weiter Kräfte aufbauen und erst dann gestoppt werden, wenn letztendlich die maximale Stromaufnahme überschritten wird.

Neues Bearbeitungszentrum generiert 50 Prozent Zeitersparnis

C. Roth: «Von der Produktivität sind wir sehr positiv überrascht. Wir hatten geplant, 20 Prozent schneller zu sein als mit unserer bisherigen Plattenfertigung. Jetzt liegen wir bei 40 Prozent Zeitersparnis. Rechnet man die Fasen-Bearbeitung hinzu, sind wir sogar doppelt so schnell wie bisher. Weil die Fertigung jetzt derart schnell ist, ist die Maschine nicht voll ausgelastet. Das heisst, wir können auf dem Markt zusätzliches Potenzial für die 4-Seiten-Bearbeitung generieren.»

Kompetente Beratungsleistung bereits während der Evaluation

Auf die Frage, wie die Zusammenarbeit mit dem südkoreanischen WZM-Hersteller und der Schweizer Vertretung Reimmann funktioniert hat, antwortet A. Sutter: «Reimmann AG hat schon bei der Evaluation einen hervorragenden Eindruck hinterlassen, auch dass Adrian Sennhauser das Makro für uns programmiert hat, war sehr beeindruckend. Da spürt man die Kompetenz von Reimmann AG. Adrian Sennhauser hat aus unserer Sicht genau die richtige Maschine ausgewählt, bei der auch das Preisgefüge stimmt. Reimmann hat absolut korrekt eingeschätzt, welche Bearbeitungslösung für die Herstellung solcher Platten notwendig ist. Das fertig programmierte Makro war dann gewissermas­sen das i-Tüpfelchen auf eine perfekte Lösung.»

Südkoreaner stark in der Stahlherstellung und im massgeschneiderten WZM-Bau

C. Roth hebt abschliessend die WZM-Lösung für diese Anwendung hervor: «Dass wir in diesem Fall in eine südkoreanische Werkzeugmaschine investiert haben, liegt sicher auch an der südkoreanischen Kompetenz in der Stahlherstellung und -verarbeitung. Dementsprechend haben sich die WZM-­Hersteller auf die Herausforderung der primären Stahlzerspanung und Blockherstellung spezialisiert und entsprechend hochsteife und drehmomentstarke WZM entwickelt. Das sind keine Sondermaschinen, sondern Serienmaschinen, die keine Kinderkrankheiten haben und mit denen man praktisch vom ersten Tag an produktiv arbeiten kann. Bereits die dritte Platte, die wir gefertigt haben, war ein Kundenteil. Das war ein hervorragender Start, der nicht besser hätte laufen können.»

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