MATEC SCHWEIZ AG, Rapid Technic AG und PRO-CAM CNC AG Rührreibschweissen (FSW) in CNC-Bearbeitungszentrum integriert

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Die SMM-Redaktion durfte den Unternehmen MATEC SCHWEIZ AG, PRO-CAM CNC AG und Rapid Technic AG bei einem hochkarätigen Technologie-Projekt über die Schulter schauen. Um das stetig grösser werdende Auftragssegment im Bereich des Rührreibschweissens (Friction Stir Welding – FSW) wirtschaftlicher zu gestalten, investierte die Rapid Technic AG in eine MATEC 30HV Fräsmaschine mit integriertem FSW-Verfahren. Das Maschinenbett der MATEC wird bei PRO-CAM CNC AG in engsten Toleranzen gefertigt. PRO-CAM CNC AG – Technologiepartner der MATEC GmbH – ist u.a. auf die Komplettbearbeitung von Komponenten in verschiedensten Grössen spezialisiert, von klein bis gross.

Drei Unternehmen – MATEC SCHWEIZ AG, Rapid Technic AG und PRO-CAM CNC AG waren in der Realisierung des Technologieprojekts «Integration des FSW-Verfahrens in eine Fahrständer-Fräsmaschine» beteiligt. Das Projekt zeigt exemplarisch die Kompetenzfelder der drei Unternehmen auf:

MATEC SCHWEIZ AG

Der Werkzeugmaschinenhersteller verfügt über ein breites, modular aufgebautes Werkzeugmaschinenprogramm zur Fertigung von mittleren bis hin zu Grosskomponenten. MATEC versteht sich als System- und Technologieintegrator. Diese Kompetenz kommt speziell bei der Anwendung bei der Rapid Technic AG zum Ausdruck: eine MATEC 30HV mit 5 Meter Verfahrweg in X-Richtung. Den FSW-Prozess haben die MATEC-Spezialisten in engster Kooperation mit den Rapid-Technikern in das Fräszentrum integriert. Darüber hinaus wurden spezifische Anpassungen am Maschinenkonzept entsprechend der Anforderungen der Rapid-Techniker realisiert.

Rapid Technic AG

Hersteller von Landmaschinen – agiert darüber hinaus als Fertigungsunternehmen und Lohnfertiger. Eine technologische Spezialkompetenz liegt im Bereich des FSW-Verfahrens, wo sich die Fertigungsspezialisten in den letzten 15 Jahren ein exzellentes Know-how aufgebaut und kontinuierlich erweitert haben. Um die FSW-Kompetenz zu erweitern, investierte die Rapid Technic AG in ein MATEC-Fräszentrum 30HV mit integrierter FSW-Technologie.

PRO-CAM CNC AG

Das im Kanton Bern ansässige Unternehmen PRO-CAM CNC AG ist auf die Präzisionsbearbeitung von klein bis Grosskomponenten spezialisiert. Sechs der sieben Bearbeitungszentren sind von MATEC SCHWEIZ AG. PRO-CAM CNC AG kooperiert seit Jahren eng mit den MATEC-Verantwortlichen und versteht sich darüber hinaus als Technologie- und Kompetenzzentrum der MATEC GmbH. Weltweit werden MATEC-Kunden zu PRO-CAM CNC AG eingeladen, um das MATEC-Maschinenspektrum unter Span zu begutachten.

PRO-CAM CNC AG spielt in diesem Bericht eine wesentliche Rolle, weil das Maschinenbett der MATEC 30HV bei PRO-CAM CNC AG auf einer MATEC-Portalfräsmaschine gefertigt wurde. Die Basis der MATEC-Maschinen – die Maschinenbetten – sind aus fertigungstechnischer Perspektive «Swissmade». Die SMM-Redaktion besuchte PRO-CAM CNC AG im Frühjahr 2024 gemeinsam mit Berat Mustafa (stellv. Geschäftsführer und Vertriebsleiter, MATEC SCHWEIZ AG) just zu dem Zeitpunkt, als das Maschinenbett für die MATEC 30HV gefräst wurde.

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Rapid Technic AG: Seit 15 Jahren FSW

Der Auftraggeber der MATEC 30HV mit integriertem FSW-Prozess ist die Rapid Technic AG. Das Bauteilspektrum, das in der Produktion von Rapid Technic AG gefertigt wird, ist hoch diversifiziert. Um die Produktion der Rapid Technic AG voll auszulasten, werden parallel zur Inhouse Produktion auch externe Kundenaufträge als Lohnfertigung bearbeitet. Hier spielt auch das Rührreibschweissen eine entscheidende Rolle.

Heinz Weiss (Teamleiter FSW & Schlosserei, Rapid): «Wir haben seit über 15 Jahren Aufträge im Bereich von Kühlsystemen, die im Industrie- und Transportsektor eingesetzt werden. Der FSW-Prozess spielt bei der Herstellung dieser Kühlsysteme eine entscheidende Rolle. Es wird zur stoffschlüssigen Verbindung verschiedener Werkstücke genutzt.»

Bei den Kühlsystemen handelt es sich um hochwertigste Industriekühler in denen Kühlkanäle aus dem Vollen in die Aluminium-Grundplatte gefräst werden. Anschliessend wird die Grundplatte mit einem satt sitzenden Aluminium-Deckel verschlossen. Die Übergänge zwischen Grundplatte und Deckel werden per FSW-Verfahren gasdicht miteinander gefügt.

Florian Fischer (Teamleiter Kubische Bearbeitung & Programmierung, Rapid): «Da das FSW-Verfahren direkt in der Fräsmaschine intergiert ist, können wir die Kühlsysteme komplett auf einer Maschine fertig bearbeiten inklusive des Verschweissens des Deckels. Das Verfahren bietet klare Vorteile in punkto Produktivität und Genauigkeit, nicht zuletzt, weil der Wärmeeintrag sehr begrenzt ist.»

Die MATEC-Spezialisten haben die Maschine in der Art ausgelegt, dass sie sowohl die kompletten Fräsprozesse (5-Achs-Simultan) als auch die FSW-Prozesse (ebenfalls 5-Achs-Simultan) beherrscht.

Daniel Birrer (Fertigungsleiter, Rapid Technic AG): «Ausschlaggebend war für uns, dass wir ohne Einbussen bei der Dynamik die spanenden Prozesse fahren können. Ein solches Maschinenkonzept ist einzigartig.»

Die Maschinenauslegung

Sowohl MATEC als auch Rapid Technic AG verfügen über mehrjährige Erfahrung im FSW-Verfahren. MATEC als Maschinenhersteller, der in diversen Pilotprojekten, u.a. mit Universitäten und im Rahmen von Förderprojekten, FSW-Maschinen entwickelt und erfolgreich umgesetzt hat.

Nach ersten Kick-off-Meetings beim Kunden in Killwangen, Spreitenbach bei Aargau gewann das Projekt schliesslich schnell an Fahrt und eine Vertrauensbasis zwischen den Partnern war geschaffen. «Die kompetente Betreuung, die kurzen Wege und die Lösungsorientierung des Teams der MATEC SCHWEIZ AG haben uns sofort überzeugt», so David Bossert von der Rapid Technic AG.

Ende Juli 2023 bestellte Rapid Technic AG schliesslich die Maschine. Als Lieferzeit wurden 12 Monate vereinbart. Gemeinsam wurde dann jedoch entschieden, die Maschine zunächst im Rahmen der AMB 2024 einem breiteren Publikum vorzustellen. Auf der Messe zeigte sich dann, dass das Interesse an der Maschine gross war.

Es handelt sich dabei um ein CNC-Fahrständer-Bearbeitungszentrum MATEC 30HV mit Steuerung Siemens SINUMERIK ONE. Sie verfährt in X = 5000 mm, Y = 1125 mm und Z = 1100 mm. In X-Richtung ist sie mit einem Linearantrieb mit 80 m/min. ausgerüstet. Die Eilgänge in Y- und Z-Richtung liegen bei 48 m/min. und verleihen der Maschine zusätzlich eine hohe Dynamik. Weitere Merkmale sind ein 1-Achs-Schwenkkopf und eine Sondermotorspindel von KESSLER mit Werkzeugaufnahme HSK63 und variabler Lagerspannung für eine axiale Last bis 10 kN.

Entscheidend für die FSW-Integration: Die Maschine verfügt über eine zusätzliche Z-Achse mit Schlitteneinheit, montiert auf der B-Achse, zur Aufnahme und adaptiven Verstellung der Hauptspindel. Heinz Weiss: «Beim FSW ist eine Kraftregelung über die Zustellung der Z-Achse entscheidend für die Prozesskontrolle.»

Berat Mustafa: «Eine klassische CNC-Steuerung kann das nicht leisten. MATEC hat aus diesem Grund eine zweite Z-Achse integriert, die den FSW-Prozess spezifisch regelt. Während des FSW-Verfahrens wird die klassische Z-Achse geklemmt. Entscheidend ist, dass beim Rührreibschweissen eine definierte Kraftkomponente in Z-Richtung erforderlich ist, die kontinuierlich gemessen wird.» Die Kraftregelung findet über die zusätzlich integrierte zweite Z-Achse statt. Deren Verstellweg beträgt +/- 10 mm, die mechanische Dauerbelastung ist ausgelegt auf 15 kN. Diese zusätzliche Z-Achse wurde speziell für das Verfahren entwickelt. Sie war der entscheidende technologische Pluspunkt, der die Firma Rapid Technic AG zum Kauf der MATEC 30HV bewogen hat. Die von MATEC entwickelte Lösung konnte kein anderer Maschinenhersteller bieten.

Für die Hochvolumen-Aluminiumzerspanung sorgen insgesamt 268 Werkzeugplätze und ein Zusatzmagazin, wobei der Werkzeugwechsel während des Verfahrens in der X- und Y-Achse erfolgt.

Weitere Ausstattungsmerkmale der Maschine sind zwei dynamische CNC-Rundtische mit Torque-Antrieb (Planscheibendurchmesser 500 mm), mit Gegenlager zur Anpassung kundenseitiger Schwenkbrücken sowie ein angepasster Sondermaschinentisch mit 30 Nullpunktspannsystemen und kundenspezifischen Lochbildern. Für eine verbesserte Bedienerfreundlichkeit sorgt ein ergonomisches Maschinenpodest. Bodenlaufende Türen optimieren das Teilehandling. Ein bedienerfreundliches Menü, gemeinsam entwickelt von MATEC und der Rapid Technic AG, unterstützt optimal den FSW-Prozess vom Einfahren der Teile bis zur Aufzeichnung der Kraftregelung über den kompletten Prozess.

Kurz: Eine rundum gelungene, individuelle und innovative Lösung für den speziellen Bedarf der Rapid Technic AG, darin sind sich alle Projektpartner einig.

Auf die Frage, warum Schweizer Kunden auf MATEC-Zentren vertrauen, meint Berat Mustafa: «Unsere Kunden legen Wert auf Qualität, MATEC ist ‹Made in Germany›. Letztlich wollen die MATEC-Kunden sichergehen, dass sie mit ihrer Investition langfristig die richtigen Weichen für die Zukunft ihres Unternehmens setzen. Ihre Entscheidung beeinflussen daher neben der hohen Präzision und langen Lebensdauer der MATEC-Zentren auch Faktoren wie Servicequalität. Sie können sich darauf verlassen, dass wir schnell vor Ort sind, wenn sie uns brauchen. Das schafft Vertrauen vom Erstkontakt bei der Anfrage nach einer neuen Maschine bis zum täglichen Betrieb. Und schliesslich können die Kunden bei MATEC auf 30 Jahre Erfahrung im Maschinenbau bauen.»

PRO-CAM CNC AG bringt «Swissmade» in die MATEC 30HV

Apropos «Made in Germany»: in den MATEC-WZM steckt auch noch ein nicht unbedeutender Anteil «Swissmade». Hierfür zeichnet sich PRO-CAM CNC AG verantwortlich. Der MATEC-Technologiepartner aus Huttwil im Kanton Bern gehört zu einem der europäischen Experten im Bereich der Fertigung von hoch präzisen und gross bauenden Maschinenkomponenten, die bis zu 15,8 Meter lang und 50 Tonnen schwer sein können.

Über 16 Mitarbeitende verfügt das Unternehmen, das durch Heinz Krähenbühl (Inhaber und Geschäftsführer) 1995 gegründet wurde und 2025 sein 30-jähriges Jubiläum feiert. Vor der Gründung hat H. Krähenbühl bereits über 10 Jahre im Bereich der Grossteilebearbeitung gearbeitet und entsprechende Erfahrungen gesammelt: «In einem solchen Segment ist Fertigungs-Knowhow absolut matchentscheidend. Unsere Mitarbeitenden müssen ganz genau wissen, um was es geht und was sie tun. Losgrösse 1 ist die Regel, nicht die Ausnahme. Das heisst, wir müssen jedes Teil von Grund auf neu programmieren, Werkzeuge auslegen und die Maschine einrichten. Wir setzen auf eine Null-Fehler-Toleranz.

Auf sieben Meter Länge: unter drei Hundertstel Präzision

Im März bearbeiteten die PRO-CAM CNC AG Spezialisten das Maschinenbett der MATEC 30HV die seit Oktober 2024 bei der Rapid Technic AG im Einsatz ist. 60 Stunden lief das MATEC-Maschinenbett auf dem MATEC-Portalfräsmaschine. Die Toleranzfelder auf 7 Meter Länge liegen laut H. Krähenbühl bei 3/100 mm, wobei pro Meter der Sprung maximal ein Hundertstel gross sein darf.

Mit welcher Präzision bei PRO-CAM CNC AG gefertigt wird zeigt sich nach der Messung der Führungsbahnen. H. Krähenbühl: «Derzeit liegen wir über die gesamte Länge des Maschinenbettes von 7 Meter Länge bei 6 bis 9 µm. Auf einer Länge von 4 Metern liegen wir bei der Y-Achse bei 5 µm und bei der Z-Achse bei 7 µm. Auch hier spielt Erfahrung eine wesentliche Rolle. Man muss genau wissen, welche Bearbeitungsschritte wann gemacht werden müssen, und wie viel Material wir für den letzten Schnitt zum Schlichten übriglassen.»

Um in solchen Toleranzfeldern zu fertigen ist die Umgebungstemperatur massgebend. Aufgrund der modernen Baukonstruktion des Firmengebäudes der PRO-CAM CNC AG und einer kontrollierten Lüftung ergibt sich ein maximales Temperaturfeld über das Jahr von 3 C°. Innerhalb eines Tages respektive einer Woche ergeben sich keine wesentlichen Schwankungen. H. Krähenbühl: «Wir haben während der Fertigung von unseren Komponenten ein sehr stabiles Temperaturfeld.»

Für Bauteile bis 15,8 Meter Länge und 50 Tonnen Gewicht

Auf der grössten MATEC-Portalfräsmaschine der PRO-CAM CNC AG können bis zu 15,8 Meter lange Komponenten bei 4,4 Meter Breite bearbeitet werden. Die Maschine ist komplett 2-schichtig ausgelastet, wie H. Krähenbühl gegenüber dem SMM sagt: «Wir haben nicht immer so grosse Bauteile zu fertigen, deshalb bearbeiten wir auch kleinere Komponenten in Mehrfachspannungen auf der Maschine und können sie so hervorragend auslasten.»

Zurück zur Maschinenbettfertigung: Bei den MATEC-Maschinenbetten handelt es sich um Schweisskonstruktionen, die vor dem Bearbeiten exakt ausgerichtet werden müssen. Während der Bearbeitung verändern sich die Eigenspannungen, sie spielen beim Bearbeiten solcher Komponenten immer eine wichtige Rolle und haben einen entsprechenden Einfluss auf die Geometrie des Bauteils. H. Krähenbühl: «Wenn man mehrere Maschinenbetten gefertigt hat, erkennt man gewisse Regelmässigkeiten im Verhalten der Komponenten während des Fertigungsprozesses. Unser Team hat sich ein bemerkenswertes Know-how aufgebaut, das die Basis für die Herstellung von Bauteilen in dieser Höchstpräzision bildet.»

Grösste Zeiss Messmaschine der Schweiz

Die gefertigten Maschinenbetten oder Baugruppen werden direkt auf der Maschine per Laser vermessen. Das Vermessen per Laser (Hersteller: Status Pro Maschinenmesstechnik GmbH) bei dem 7 Meter langen MATEC-Maschinenbett, dauert zwischen 2 bis 4 Stunden. Mit dem Laser können Parallelität und Geradheit vermessen werden, was die entscheidenden Parameter eines Maschinenbettes sind.

Müssen die Messungen komplexer werden, geht es in den Messraum. Hier hat PRO-CAM CNC AG im Jahr 2021 in eine ZEISS MMZ G (X: 4000 mm, Y: 9000 mm, Z: 2500 mm) investiert, die nach eigener Aussage von H. Krähenbühl die derzeit grösste Zeiss Messmaschine der Schweiz sei. Auf der ZEISS MMZ G werden sowohl für den Eigenbedarf als auch im Auftrag Komponenten vermessen und entsprechende Prüfprotokolle erstellt.

PRO-CAM CNC AG / MATEC SCHWEIZ AG

Seit 1999 arbeiten die MATEC GmbH und PRO-CAM CNC AGzusammen, als in die erste MATEC Werkzeugmaschine investiert wurde. Die Fertigung von WZM-Betten nahm Struktur an, als die PRO-CAM CNC AG im Jahr 2007 eine Grossinvestition in eine MATEC-Portal-Fräsmaschine tätigte. In diesem Zusammenhang entstand eine enge Partnerschaft.

H. Krähenbühl: «Wenn ich heute eine MATEC-Maschine kaufe, sind die Maschinenbetten und Ständer bereits durch die Fertigung und Qualitätssicherung von PRO-CAM CNC AG gegangen. Somit steckt in unserem Maschinenpark eine gewisse Portion ‘Swissmade’, zumindest was die Basis der MATEC-Maschinen anbelangt, und darauf sind wir auch ein wenig stolz.»

Egal, ob es um die Fertigung von WZM-Betten und -Ständern oder die Komplettbearbeitung von Industrie-Kühlsystemen inklusive FSW-Prozess geht – der WZM-Hersteller MATEC reagiert flexibel und kompetent auf die Anforderungen seiner Kunden. Durch das gemeinsam aufgebaute Kompetenznetzwerk der Partnerunternehmen PRO-CAM CNC AG, Rapid Technic AG und MATEC SCHWEIZ AG profitieren nicht nur die Unternehmen selbst, sondern auch deren Kunden von diesem umfassenden Know-how.

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