Automatisierung stellt neue Anforderungen an Prozesssicherheit Geothermie: Innengewinde wird zu einer echten Herausforderung

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Bohrtechnik für den Spezialtiefbau und die Geothermie ist das Geschäftsfeld der Sysbohr GmbH. Das Unternehmen liess lange Zeit sämtliche Bauteile bei Lohnfertigern herstellen. Als vor drei Jahren eine eigene Produktion hochgezogen wurde, bereitete die automatisierte Fertigung zunächst Probleme wegen der sehr anspruchsvollen Gewindefertigung. Die Ingersoll Werkzeuge GmbH hat daraufhin den Prozess für die Gewindefertigung umgekrempelt und stellte Prozesssicherheit her, womit eine automatisierte Fertigung machbar wurde.

Seit sie 2004 als Konstruktionsbüro gegründet wurde, hat sich die in Fulda (D) ansässige Firma gut entwickelt. Mit dem Aufbau der eigenen Fertigung in Hünfeld sollten die Lohnfertiger nicht abgelöst, sondern die Kapazität der Produktion erhöht werden. Fremdfertiger, die Sysbohr teilweise seit über 20 Jahren beliefern, werden dies auch weiterhin tun. Mit der Fertigung in Hünfeld kann der Hersteller flexibler reagieren und hat seine Lieferzeiten besser im Griff.

Massgeschneiderte Spezialausführungen individuell ausgeführt

«Wenn ein Kunde beispielsweise eine zusätzliche Spülbohrung an seinem Bohrwerkzeug benötigt, wird dieses in Fulda umkonstruiert und bei uns den Anforderungen entsprechend hergestellt», beschreibt Produktionsleiter Sebastian Reith eine der grossen Stärken des Unternehmens: Massgeschneiderte Spezialausführungen können hier individuell und schnell ausgeführt werden. Sysbohr begleitet Projekte von der Konstruktion bis zum fertigen System und passt Bohrsysteme optimal an die jeweils gegebenen Bodenverhältnisse und die Anforderungen der Baustelle an. Der Vertrieb von Werkzeugen und Zubehör erfolgt weltweit.

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Kleine Losgrössen bis maximal 200 Stück

Das Portfolio der überwiegend eigenen Produkte umfasst Bohrkronen, Bohrrohre, Spülköpfe und Antriebseinheiten. Typische Stückzahlen für Sonderwerkzeuge liegen im einstelligen Bereich, bei Bohrkronen für den Grosshandel werden aber auch Losgrössen bis 200 Stück erreicht.

Die Kunden kommen grossteils aus der Bauindustrie, wo die Werkzeuge vor allem zur Baugruben- und Tunnelsicherung eingesetzt werden. Bei manchen Anwendungen verbleibt die Bohrspitze im Bohrloch und gilt als verloren. In den meisten Fällen sind die Bohrkrone und die Bohrstangen aber mit Gewinden anstatt eines leicht zu lösenden Bajonettverschlusses versehen.

Fertigung zügig ausgebaut

Die Fertigung in Hünfeld startete mit einer Maschine von DMG Mori und wurde sehr zügig ausgebaut, um auf die gewünschte Produktionskapazität zu kommen. Inzwischen füllen sechs Dreh-Fräs-Zentren dieses Maschinenherstellers die Halle. Speziell für die Bearbeitung grosser Rohre wurde noch eine Revolver-Drehmaschine von Okuma angeschafft, die über einen grösseren Spindeldurchlass verfügt. An sämtlichen Maschinen stehen Roboter.

Zehn Bauteile – fünf Stunden Laufzeit

Trotz verhältnismässig niedrigen Stückzahlen lohnt sich wegen der langen Laufzeiten die Automatisierung, wie Sebastian Reith erläutert: «Auf den Maschinen können wir unsere Produkte komplett fertig fertigen, also im Idealfall Rohteil rein, Fertigteil raus. Da kommen bei zehn Bauteilen schon mal fünf Stunden Laufzeit zusammen. Das ist dann eine Spätschicht.» Der Arbeitsablauf sieht so aus, dass die zehn Mitarbeiter morgens Einzelteile herstellen und gegen Abend noch ein Teil pro Maschine einfahren. Den Rest besorgen dann Roboter in der mannlosen Spät- und Nachtschicht.

Anfänglich grosse Probleme bei der Gewindefertigung

Was nach einer kostengünstigen Fertigung klingt, hat Sysbohr allerdings zunächst vor grosse Probleme bei der Herstellung der Gewinden gestellt, die für fast alle Bauteile benötigt werden. Es fehlte an der erforderlichen Prozesssicherheit, weil es vor allem bei dünnen Materialstärken immer wieder zu Schwingungen kam, die deutliche Rattermarken an den Innengewinden hinterliessen und schlechte Oberflächenqualitäten erzeugten. Mitunter stoppte die automatische Produktion nach wenigen Teilen oder sie lief trotz einer beschädigten Schneidplatte komplett durch und produzierte Ausschuss. «Wir wussten nie, was uns erwartet, wenn wir morgens in den Betrieb kommen. Die Palette war vielleicht abgearbeitet, vielleicht aber auch nicht», berichtet Reith von seinem Frust.

Erst mit der Automation kamen die Probleme

Die Fertiger haben vieles ausprobiert, experimentierten mit unterschiedlichen Zustellungen und Geschwindigkeiten. Die Widerholgenauigkeit im automatisierten Prozess liess allerdings stets zu wünschen übrig. Ingersoll war zwar als Werkzeuglieferant in Hünfeld von Anfang an vertreten, die Problemplatten kamen aber von einem anderen Hersteller.

Die Herausforderung der bedienerarmen Fertigung

Sysbohr hatte den Prozess einschliesslich der Gewindeplatten in Sonderausführung von einem Zulieferer übernommen, der damit nie Schwierigkeiten hatte. Ein entscheidender Unterschied besteht allerdings darin, dass beim Lohnfertiger ständig ein Bediener an jeder Maschine steht, der bei Unregelmässigkeiten gleich eingreifen kann, bevor daraus ein Problem entsteht. Das betrifft aufkommende Vibrationen ebenso wie Spänestau, der bei Sysbohr ebenfalls häufiger vorkam.

Problemlösung: Neues Gewindewerkzeug erzeugt weniger Schnittdruck

Eine Lösung sollte Ingersoll bringen. Daniel Rudolph, technischer Berater beim Werkzeughersteller, analysierte das Problem: «Die verwendete Sonder-Gewindeplatte, mit der das Innengewinde gedreht wurde, führte aufgrund ihrer Eingriffsbreite und der verhältnismässig langen Ausspannung zu Vibrationen, die sich im Prozess aufschaukelten. Anstelle der stark drückenden Vollprofilplatte brachten wir ein Stechwerkzeug ins Spiel, das weniger Druck ausübt.»

Da man bei Sysbohr zuvor bereits gute Erfahrungen mit der Schneidplatte von Ingersoll gemacht hatte, wurde sie kurzerhand ausprobiert. Weil das Gewindeschneiden sich grundsätzlich vom Stechdrehen unterscheidet, konnten allerdings vorhandene Prozessabläufe nicht einfach übernommen werden. Die zunächst erreichte Bearbeitungsgeschwindigkeit erwies sich als viel zu langsam. Mit einem einfachen Wechsel des Werkzeugs war es also nicht getan.

Prozess komplett analysiert

«Die Prozesssicherheit wurde erst durch die komplette Umstellung des Prozesses erreicht», berichtet Daniel Rudolph. «Wir haben nicht nur die Platte getauscht, sondern uns auch den ganzen Prozess angeschaut und beurteilt, vom Zyklus bis hin zur Schneidplatte. Die Bearbeitung wurde dabei geändert und wir machen nun anstelle des Gewindedrehens eher Gewindestechen.»

40 mm Werkzeugschaft sorgt für stabile Rahmenbedingungen

Als sehr effizient zeigte sich dabei der Übergang auf einen 40 mm Werkzeugschaft, wie Anwendungstechniker Christopher Hees schildert: «Ingersoll hat eine grössere Bohrstange gewählt, um ein besseres Längen-Durchmesser-Verhältnis zu bekommen. Damit konnte deutlich mehr Zustellung gefahren werden und höhere Schnittgeschwindigkeiten wurden möglich.

Verglichen mit den ersten Bearbeitungsversuchen im Stechdrehverfahren, konnte die Bearbeitung mit weniger Schnitten in der Hälfte der Zeit ausgeführt werden. Wir sind auf diese präzisionsgesinterte Wendeschneidplatte «TDXU 3E-0.3» gegangen, um die Genauigkeit im Prozess aufrecht erhalten zu können. Von der Passgenauigkeit her kommen die Gewinde nun immer in derselben Qualität von der Maschine.»

Die Multifunktionsstechplatte eignet sich für das Radial-, Axial- und Inneneinstechen. Mit ihrem weichen Schnitt ist sie für mittlere bis hohe Vorschübe geeignet. Sie erzeugt zudem kleine Späne, die nicht mehr am Werkzeugwechsler hängen bleiben oder sich im Futter verfangen können, was zur Prozesssicherheit in der mannlosen Fertigung beiträgt. Im Gegensatz zu den zuvor verwendeten Vollprofilplatten ist sie ein Standardwerkzeug, das Ingersoll bei Bedarf gleich am nächsten Tag liefern kann. Bei den eigens angefertigten Sonder-Gewindeplatten gab es Lieferzeiten von drei bis vier Wochen.

Eine Schneidplatte für alles – WZM-Hersteller passt Gewindezyklus an

Die Fertiger haben noch einen weiteren Vorteil bekommen: Die zu verwendende Platte ist immer identisch und ersetzt gleich mehrere Sonderlösungen, die zuvor für unterschiedliche Gewinde notwendig waren. Sysbohr benötigt die vollflächigen Gewinde für alle Bauteildurchmesser zwischen 50 und 600 mm mit verschiedenen Steigungen. Möglich wurde die universelle Bearbeitung auch durch programmtechnische Optimierungen. DMG Mori hat dazu in enger Absprache mit Ingersoll und Sysbohr einen auf der Maschine vorhandenen Gewindezyklus auf die speziellen Anforderungen angepasst.

Eine normale metrische Gewindeform, wie sie meist für die Gewindefertigung benutzt wird, kam für Sysbohr wegen der oft rauen Einsatzbedingungen seiner Produkte nicht in Frage. «Solche spitzen Gewinde können wir nicht gebrauchen, weil am Bau immer mit Sand und Dreck gerechnet werden muss. Dennoch muss ein Bagger die Teile zuverlässig ein- und ausdrehen können», erläutert Reith. Damit wird auch klar, weshalb für die Fertigung gute Oberflächen der Rundgewinde wichtiger sind als das letzte µ an Genauigkeit.

Fazit: Neue Werkzeugtechnologie ermöglichte automatisierte Fertigung

Mit den erreichten Ergebnissen ist der Anwender sehr zufrieden. Die Bearbeitungszeit ist praktisch identisch geblieben, bei der Standzeit wurden mit dem Werkzeug von Ingersoll leichte Verbesserungen erreicht. Vor allem aber kann jetzt auch in der mannlosen Spät- und Nachtschicht prozesssicher durchgearbeitet werden. Damit wurde gewünschte Fertigungskapazität geschaffen und zugleich die Qualität erhöht.

(böh)

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