Luftfahrtkomponenten auf Nakamura-Tome WT-250II gefertigt Nakamura-Tome: Punktlandung für Luftfahrtkomponenten

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Eine Nakamura-Tome WT-250II ist die jüngste Investition der Helfenstein Mechanik AG. Ein Dreh-Fräszentrum der Spitzenklasse, das sich perfekt in den hochwertigen Maschinenpark des fünf MitarbeiterInnen starken Fertigungsunternehmens integriert. Das Bauteilspektrum kommt zu einem beachtlichen Teil aus der Luftfahrtindustrie. Die Anforderungen an den Maschinenpark und das neue Drehzentrum sind entsprechend hoch.

Mit fünf MitarbeiterInnen und sechs CNC-Werkzeugmaschinen hat sich die Helfenstein Mechanik AG auf die Fertigung von Luftfahrtkomponenten fokussiert. Bereits der erste Blick in die Produktionshalle lässt das Know-how erahnen. Der jüngsten Investition – einer Nakamura-Tome WT-250II – gegenüber stehen vier Fehl­mann-­Werk­zeugmaschinen, die teils hochautomatisiert Komponenten für die Luftfahrtindustrie fertigen. Das Bauteilspektrum ist mitunter hochkomplex.

Die Fehlmann-BAZ spielen in diesem Bericht eine Nebenrolle, sie zeigen lediglich auf, welchen Stellenwert Spitzentechnologie bei den Verantwortlichen der Helfenstein Mechanik AG hat. Und genau diese Einstellung führte letztlich zu der Investition in eine Nakamura-Tome WT-250II.

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Fokus liegt auf High-End-Maschinen

Reto Helfenstein (Inhaber, CEO): «Es ist definitiv so, dass wir konsequent in Werkzeugmaschinen investieren, die technologisch im High-End-Segment liegen. Wir kommen aus der Medizintechnik und haben uns in Richtung Luftfahrtkomponenten weiterentwickelt. Parallel zu unseren Frästeilen bekamen wir zuletzt vermehrt Anfragen zur Fertigung komplexer, hochpräziser Drehteile. Hierfür mussten wir in ein Drehzentrum investieren, um die Nachfrage entsprechend abzudecken. Aber um es vorwegzunehmen, hervorragende Maschinenlösungen sind Grundvoraussetzung, um qualitativ hochwertige und komplexe Teile herzustellen. Der zweite Faktor sind sehr gut ausgebildete Mitarbeitende.»

Da es sich zum grössten Teil um Drehkomponenten für die Luftfahrtindustrie handelte, war klar, dass in eine Werkzeugmaschine aus dem Spitzen-Segment investiert werden musste. Die Wahl fiel im Rahmen einer Evaluationsphase auf eine Nakamura-Tome WT-250II.

Inhaber setzt auf gute Bedienbarkeit

Die WT-250II ist zugeschnitten auf die Bedürfnisse der Helfenstein Mechanik AG. Darüber hinaus hat Reto Helfenstein eine gewisse Vorliebe für High-End-Werkzeugmaschinen, wie er sagt: «Ich arbeite selbst noch gerne auf unseren Maschinen, das ist nach wie vor für mich ein wichtiger Teil meines Berufsalltags. Auf den Fehlmann-Maschinen bin ich gut eingearbeitet, kann einspringen, wenn nötig. Nicht zuletzt aus diesem Grund hat mich Raffael Müller (Polymechaniker) kürzlich auf der Nakamura-Tome eingearbeitet. Auf der Nakamura-Tome WT-250II macht die Arbeit genauso viel Freude wie an den Fräsmaschinen. Und das heisst etwas. Sie ist sehr bedienerfreundlich, das bemerkt man insbesondere dann, wenn man nicht so oft an der Maschine arbeitet und temporär einspringen muss. Das hat Nakamura-Tome vorbildlich gelöst.»

Shogu Nakamura: junger und moderner CEO

Mathias Zavratnik (Verkaufsleiter, Walter Meier Fertigungslösungen AG): «Das ist genau der Aspekt, auf den die jüngste Familien-Generation Wert legt. Shogu Nakamura ist der junge CEO von Nakamura-Tome und bringt eine ganz neue Dynamik in das Unternehmen. Als CEO hat er sich kürzlich an den Maschinen ausbilden lassen, spezifische Teile programmiert und auf einer Nakamura-Tome selbst gefertigt. Warum macht er das? Shogu Nakamura will möglichst nah bei seinen Kunden sein und besser verstehen, was deren Bedürfnisse sind, damit die Entwicklungen im Bereich der Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik perfekt auf die Anwender zugeschnitten sind.»

Gestartet mit Medizintechnik – gelandet in der Luftfahrt

Zurück zur Helfenstein Mechanik AG: Gestartet hat das Unternehmen mit der Herstellung von medizintechnischen Implantaten. R. Helfenstein: «Wir sind in diesem Bereich zertifiziert und haben aus technologischer Sicht ein enormes Fertigungs-Know-how im Bearbeiten medizintechnischer Komponenten aufgebaut. Unser Branchen­spektrum hat sich aber um 180° gedreht. Heute fertigen wir mehrheitlich für die Luftfahrtindustrie. Darüber hinaus fertigen wir einen kleinen, aber beständigen Anteil an Präzisionsteilen für die Maschinen- und Uhrenindustrie. Hier realisieren wir Sonderprojekte, wie kundenspezifische Uhrengehäuse.»

Bauteilspektrum und Losgrössen

Die Bauteilgrössen bewegen sich im 5-Achs-Simultanfräsen bei ca. 300 mm, im 3-Achs-Fräsen bis 500 mm Kantenlänge. Im Drehen werden Bauteile bis Faustgrösse bei einem max. Stangendurchlass von 65 mm bearbeitet. Ab Futter können bis D=250 mm grosse Komponenten gedreht werden.

Die Losgrössen im Drehen liegen bei max. 100, beim Fräsen bei ca. 25 Teilen. Es kommen auch immer wieder Einzelteile auf die Maschinen, selten ‹grössere› Serien bis 2000 Stück. Als Materialien werden zertifizierte Luftfahrtwerkstoffe wie Aluminium, Chrom-Nickel-Legierungen, Titanlegierungen bis hin zu Nickelbasislegierungen zerspant.

Verstärkte Drehteile-Nachfrage

R. Helfenstein: «Wir haben zuletzt unseren Fokus auf das Fräsen gelegt. In den letzten Jahren kamen vermehrt Anfragen in Richtung Dreh-Frästeile. Wir verfügen zwar über ein älteres Drehzentrum, es ist aber erstens nicht mehr effizient genug, zweitens können wir die heute geforderten engen Toleranzfelder nur noch mit sehr hohem Aufwand prozesssicher auf der älteren Maschine produzieren. Um die grössere Nachfrage abzudecken, mussten wir in ein neues Drehzentrum investieren.»

Die Evaluation

In die engere Auswahl kamen drei Drehmaschinen-Hersteller, wie R. Helfenstein sagt: «Neben den technologischen Aspekten war für uns der Service ein sehr wichtiges Entscheidungskriterium. Bei den letzten drei zur Auswahl stehenden Maschinen handelte es sich um rein japanische Hersteller mit Vertretungen in der Schweiz.»

Ausführliches Pflichtenheft

M. Zavratnik: «Das Pflichtenheft war sehr ausführlich. Das Schwierige aus meiner Sicht war das breite Anforderungsspektrum. Sie fertigen auf der Maschine eher hochfeste Stähle, Chromstähle bis hin zu Titanlegierungen. Die Helfenstein Mechanik wollte ein äusserst flexibles, gleichzeitig stabil konfiguriertes Drehzentrum für ein sehr anspruchsvolles Dreh-Frästeilespektrum.»

R. Helfenstein: «Für unsere Bedürfnisse benötigten wir eine ‹eierlegende Wollmilchsau›. Ein schnell anzupassendes Spannsystem und die Flexibilität des Stangenladers spielten eine entscheidende Rolle. Auf der Nakamura können wir ein breites Durchmesserspektrum von D=12 mm bis auf max. D=65 mm fahren. Das sind Aspekte gewesen, die für uns eine hohe Bedeutung hatten. Für unser Bauteilspektrum ist die WT-250II absolut perfekt.»

Raffael Müller: «Wegen der kleinen Losgrössen müssen wir die Maschine an einigen Tagen 2–3 Mal umrichten. Das beinhaltet unter anderem Spannzangenfutter, Stangenführungen und Werkzeuge. Bei einfachen Teilen geht das schnell, bei komplexeren Teilen benötigen wir umfangreiche Werkzeugwechsel. Deshalb ist eine einfach umzurüstende Werkzeugmaschine so wichtig für unsere Anwendungen.»

Zum Thema Automation: Nebst einer Stangenzuführung für das Rohmaterial wird das Teilehandling für die Fertigteile über einen integrierten Greifer realisiert, der flexibel auf die gefertigten Bauteile angepasst werden kann. Er platziert die fertig bearbeiteten Werkstücke auf ein Förderband zum Herausführen aus der Maschine.

Nakamura-Tome sticht aus technologischer Sicht heraus

R. Müller: «Beim Entscheid für die Nakamura-Tome spielte der hervorragende Werkzeugmaschinenbau die entscheidende Rolle. Es ist ein hochsteifes und wärmestabiles WZM-Konzept, das zugeschnitten ist auf enge Toleranzfelder und anspruchsvoll zu zerspanende Werkstoffe. Nakamura hat darüber hinaus eine Steuerung entwickelt – basierend auf einer Fanuc-Steuerung, erweitert mit Nakamura-eigenen Apps – , die eine Symbiose zwischen einem Touchscreen und einer per Tastatur bedienbaren Steuerung ist. Das sind Funktionen, die in der Produktion tagtäglich genutzt werden. 100 Prozent ‹Touch› kam für uns nicht infrage.»

Teuer, aber genial: Handgeschabte ­Flachführungen

M. Zavratnik: «Sie verfügt in allen Achsen über handgeschabte Flachführungen. Die Flachführungen bringen erstens eine sehr hohe Dämpfung und sind zweitens mitverantwortlich für die hohe Steifigkeit der Maschine. Damit kann die Leistung der Haupt- und Gegenspindel voll ausgeschöpft werden, entsprechend hoch ist das Zeitspanvolumen, wenn gefordert. Sowohl beim Schruppen als auch beim Schlichten machen sich die handgeschabten Flachführungen positiv bemerkbar, es treten praktisch keine Schwingungen auf. Die WT-250II läuft ausgesprochen ruhig.»

QM-System optimiert Fertigungsprozesse

Im Rahmen des Qualitätsmanagement-Systems bei der Helfenstein Mechanik AG werden alle Maschinen intern in regelmässigen Abständen validiert und qualifiziert.

R. Müller: «Wir wissen dadurch, wie genau die Maschinen fertigen und kennen den jeweiligen Wärmegang. Wenn ein Kunde uns wegen eines neuen Bauteils anfragt, können wir sehr schnell evaluieren, wie aufwendig die Fertigung des Bauteils sein wird. Das ist insbesondere bei engeren Toleranzfeldern ab IT07 / IT06 wichtig.»

Wärmegang der Nakamura

Die Buchsen, die aktuell auf der Maschine laufen haben ein Toleranzfeld von zwei Hundertstelmillimeter. Das ist recht anspruchsvoll in einer nicht klimatisierten Umgebung. Ist die Maschine eingefahren, dann läuft der Prozess sehr sicher. Bei einem solch engen Toleranzfeld wird jedes Bauteil gleichwohl kontrolliert. Das Vorgehen entspricht den QM-Vorschriften der Helfenstein Mechanik AG.

M. Zavratnik: «Stichwort Wärmegang: Die Nakamura-Tome WT-250II verfügt über 16 Thermosensoren, die ein sehr gutes Wärmebild des Drehzentrums an die Wärme-Kompensationsregelung geben, um den Wärmegang zu kompensieren. Ist die Maschine auf Betriebstemperatur, hält sie das Mass. Es kann bei spezifischen Werkstücken und Werkstoffen zu einem relativ hohen Wärmeeintrag kommen, dann ist es sinnvoll, die Kühlflüssigkeit zusätzlich zu kühlen, was der Präzision am Werkstück zugutekommt.»

Komplett entgratet aus der Maschine

Entscheidend für eine wirtschaftliche und qualitativ hochwertige Fertigung ist, dass die Werkstücke komplett bearbeitet aus der Maschine kommen. Zur Komplettbearbeitung gehört auch das Entgraten der Kanten.

R. Müller: «Die Komplettbearbeitung ist für uns ein ganz wichtiger Faktor. Das Bauteil muss fertig aus der Maschine kommen; gratfrei. Gerade das Entgraten erfordert ein hohes Mass an komplexeren CAM-Strategien. Es gehört seit der Gründung unseres Unternehmens zu unserer Fertigungsphilosophie, dass wir jedes Bauteil im CAM programmieren. Das bringt Systematik in die Prozesse. Der Vorteil ist, dass wir dadurch über eine saubere Datenbasis aller NC-Programme verfügen. An der Steuerung werden nur wenn nötig noch spezifische Korrekturwerte eingegeben.»

QM-System optimiert Fertigungsprozesse

Die fertigen Bauteile werden je nach Genauigkeitsanforderungen einer dem QM entsprechenden Qualitätsprüfung unterzogen.

R. Müller: «In unserem QM-Handbuch wird vorgeschrieben, wie und wann Stichproben oder eine Komplettkontrolle vorzunehmen sind. Die Stichprobenfolgen sind auf die Losgrössen spezifiziert und hängen letztlich von den Toleranzfeldern ab. Eng tolerierte Masse in einem 4-Hundertstel-Feld müssen wir beispielsweise zu 100 % prüfen.»

Apropos Toleranzfelder: Das kleinste Toleranzfeld, das aktuell auf der Nakamura-Tome in Serie gefertigt wird, liegt bei 8 Tausendstel, bei einem schwer zerspanbaren Werkstoff. Das ist dann schon am Limit im Drehbereich. In diesem Toleranzfeld spielen Klimatisierung und Kühlschmierstoff-Kühlung eine Rolle.

R. Müller: «Aktuell haben wir keine KSS-Kühlung, aber wenn die Anforderungen an die Bauteilgenauigkeit höher werden, müssen wir sicher über solche Massnahmen nachdenken.»

Maschine lief ein Jahr durch

Auf einen Service konnten die Verantwortlichen bisher verzichten. R. Helfenstein: «Wir benötigten ihn bisher nicht. Die Maschine lief bis heute - ein ganzes Jahr – absolut ohne Beanstandungen durch. Ich kann mich nur wiederholen, dass wir uns im Rahmen der Evaluation bei Unternehmen über den Service der Walter Meier Fertigungslösungen AG informiert haben. Die Rückmeldungen auf die Nakamura-Tome-Maschinen bezogen, waren sehr positiv. Ich hoffe, dass dies auch bei uns in der Art ablaufen wird. Wenn die Maschine so weiterläuft, sind wir aber auch zufrieden. Rückblickend hat sich die Zusammenarbeit mit WM als sehr professionell herausgestellt. Nicht nur während der Evaluationsphase, sondern auch als es konkret darum ging, die Maschine für uns auszulegen, zu liefern, zu montieren und einzufahren.»

Punktlandung: Perfekte Maschine für ­Flugzeugindustrie

Auf die Frage des SMM-Redaktors, ob sie heute nochmals auf die gleiche Maschine setzen würden, antwortet R. Helfenstein: «Die Erfahrungen mit der Nakamura-Tome waren dermassen positiv, dass wir heute sicher wieder in die gleiche Maschine investieren würden. Also die WT-250II war eine absolute Punktlandung für unser Werkstückspektrum für die Luftfahrtindustrie.» SMM

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