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Präzision und Wirtschaftlichkeit Schneller schruppen und präziser schlichten

| Autor / Redakteur: Peter Klingauf / Anne Richter

Mit der Micro HD bietet Kern ein neues 5-Achs-​Bearbeitungszentrum. Es wird seit 2018 in der unternehmenseigenen Auftragsfertigung eingesetzt und zusätzliche Optimierungen wurden umgesetzt. Ein Beispiel: Die Schruppbearbeitung ermöglicht bis zu 50-prozentige Produktivitätsgewinne.

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Die in der Kern Micro HD eingesetzten Linearmotore bringen gegenüber Kugelgewindeantrieben deutliche Vorteile in Dynamik und Regelgenauigkeit.
Die in der Kern Micro HD eingesetzten Linearmotore bringen gegenüber Kugelgewindeantrieben deutliche Vorteile in Dynamik und Regelgenauigkeit.
(Bild: Kern Microtechnik)

Wer als Fertigungsbetrieb in Hochlohnländern erfolgreich sein will, muss hochautomatisiert sein und/oder besonders komplexe und präzise Teile herstellen. In beiden Fällen ist viel Know-how sowie prozessstabile Maschinentechnik gefragt. Felder, in denen die Kern Microtechnik GmbH, Eschenlohe, seit jeher zuhause ist. Denn neben höchstpräzisen Bearbeitungszentren bietet das Unternehmen auch intensive Beratung in punc­to Prozessintegration – von der Idee bis zum fertigen Teil. Nehmen die Prozessberater neue Bedürfnisse wahr, fliessen diese in die ständigen Weiterentwicklungen ein, werden in der eigenen Auftragsfertigung ausgiebig getestet und kommen aktuell in der neuen Kern Micro HD deutlich zum Vorschein.

In dieses Fünfachs-Bearbeitungszentrum haben die Entwickler von Kern mehrere Innovationen integriert, die eine einzigartige, prozessstabile Leistung und Präzision hervorbringen. Das bestätigt unter anderem Thomas Engel, Abteilungsleiter Präzisionszerspanung, in der Murnauer Kern Auftragsfertigung. Dort werden aktuell viele komplexe Bauteile für die Hochfrequenztechnologie, Medizintechnik und zunehmend für die Halbleiterindustrie hergestellt. Mal als Einzelteil, mal in Serien mit bis zu 5000 Stück.

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Oberflächen im niedrigen zweistelligen Nanometerbereich in Serie

Die Anforderungen dieser Branchen an reproduzierbaren Oberflächengüten und Positioniergenauigkeiten sind – mit unterschiedlicher Gewichtung – extrem hoch. Ausserdem ist die Wirtschaftlichkeit immer wichtig. Gründe, sich mit der neuen Kern Micro HD intensiv zu beschäftigen, denn sie soll all diese Kundenwünsche auf höchstem Niveau erfüllen. Thomas Engel stimmt dem zu und erklärt: «Bevor wir Bauteile höchstpräzise schlichten, muss meist durch Schruppen etwas mehr Span abgetragen werden. Mit der HD erledigen wir dies um bis zu 50 Prozent schneller, als das mit der Vario möglich ist.» Doch auch auf andere Weise erhöht der gelernte Zerspanungsmechaniker und studierte Wirtschaftsingenieur in seinem Verantwortungsbereich die Produktivität. Hintergrund dazu: In der Hochfrequenztechnologie werden oft Hartmetallbauteile mit einer reproduzierbaren Oberflächengüte von Ra = 0,1 µm benötigt.

Um dies zu erreichen, spannen viele Produktionsbetriebe die Werkstücke nach dem Fräsen noch in einer Schleifmaschine auf. Bei Thomas Engel entfällt dieser zusätzliche Arbeitsschritt. «Wir erreichen mit der Micro HD bei Bedarf Ra-Werte im niedrigen Nanometerbereich. Das heisst, für Ra = 0,05 Mikrometer in Serie brauchen wir definitiv keinen Schleifvorgang. So reduzieren wir nicht nur die Fertigungszeit deutlich, sondern vermeiden auch etwaige Liegezeiten und gestalten den Gesamtprozess viel produktiver», sagt der Leiter der Präzisionszerspanung.

Drei Innovationen sorgen für Produktivitätssprünge

Solche Produktivitätssprünge zu ermöglichen, war letztlich ein wichtiges Ziel des Kern-Projektteams «Micro HD», das vor gut fünf Jahren mit der Entwicklung begann und von Maschinenbauingenieur Christian Maier geleitet wird. Die modulare Basis des neuen BAZ bildet die Plattform Kern Micro. Gegenüber der am Markt bekannten Kern Micro «Vario» gibt es drei entscheidende Veränderungen: Mikrospalt-Hydrostatik, lineare Direktantriebe und Temperaturmanagement. Für Entwickler Maier steht fest: «Aus diesen Neuerungen resultieren letztlich die wesentlichen Vorteile der dauerhaft prozessstabilen Präzision, Oberflächengüte und Dynamik.»

Vor allem die bei Kern entwickelte und zum Patent angemeldete Mikrospalt-Hydrostatik ist im Maschinenbau ein Novum. Dank einer Spaltdicke von weniger als 10 µm reichen kleinere Pumpen, die den Energieverbrauch für die Hydrostatik um bis zu 80 Prozent senken. Gleichzeitig erhöht der geringe Spalt die Steifigkeit und Dämpfungseigenschaften des Systems. Beides spiegelt sich letztlich in der höchster Oberflächenqualität und Genauigkeit am Werkstück wider, die nicht zuletzt bei Dauereinsätzen in der Murnauer Auftragsfertigung nachgewiesen sind. Als weitere Besonderheit nennt Christian Maier die aktiv temperierten Aluminiumachsen und hydrostatischen Medien: «So garantieren wir maximale Stabilität – auch bei nicht idealen Umgebungsbedingungen. Für den praktischen Einsatz bedeutet das eine gleichbleibend perfekte Qualität der Werkstücke im Serienbetrieb.»

Achsbeschleunigung von 2 g und Präzision von 1 µm

Hochwertige, grossdimensionierte und aktiv temperierte Linearmotoren sind ein weiteres Highlight, der neuen Kern Micro HD. Sie bringen gegenüber Kugelgewindeantrieben deutliche Vorteile in Dynamik und Regelgenauigkeit. Mit Eilgangsgeschwindigkeiten von 60 m/min liegen diese etwa doppelt so hoch, als das konventionell möglich war. «Gleiches gilt in puncto Beschleunigung. Hier erreichen wir jetzt etwa 2 g», macht Kern-Projektleiter Maier deutlich. Abteilungsleiter Thomas Engel ergänzt dazu: «Das spart insbesondere dann enorm Zeit, wenn wir Bauteile bearbeiten, die viele einzelne Bearbeitungsschritte erfordern, wie das etwa in der Halbleiterindustrie häufig der Fall ist. Da müssen oft zigtausende Bohrungen hochgenau gesetzt werden. Mit der HD sind wir da schnell, wirtschaftlich und langfristig extrem zuverlässig unterwegs.» Hilfreich hierfür: In Linearmotoren gibt es keine mecha­nischen Übertragungselemente, die verschleissen könnten. Auch dadurch erreicht die neue Kern-Maschine dauerhaft eine Präzision, die bei kleiner 1 µm liegt. Regelmässige Kreisformmessungen beweisen dies.

Temperaturschwankungen im Bereich von ±50 Milli-Kelvin

Angesprochen auf die in der Regel relativ hohe Wärmeentwicklung von Linearmotoren, stimmt Entwickler Christian Maier der generellen Problematik zu: «Aus diesem Grund waren Linearmotoren bislang nur bedingt für Hochpräzisionsmaschinen geeignet. Doch dies hat sich inzwischen dank neuer Entwicklungen geändert. Denn zum einen sind unsere Linearmotoren aktiv temperiert und in das hydrostatische System integriert, was den Wärmeeintrag minimiert. Zum anderen haben wir bei der HD unser Temperaturmanagement nochmal auf ein neues Niveau gehoben. So können wir das unglaubliche Potenzial dieser Technologie nutzen und die Steigerungen in Leistung und Präzision auch unter schwierigen Prozessbedingungen dauerhaft gewährleisten.»

Sicherheit in diesem Bereich ist letztlich sehr wichtig, denn laut Maier belegen Studien, dass Temperatureinflüsse für rund 70 Prozent aller Genauigkeitsfehler im Hochpräzisionsbereich verantwortlich seien. Dementsprechend beweist der Ingenieur seine Behauptungen auch bei einem thermischen Stresstest. Hierbei werden die Temperaturschwankungen in der HD gemessen, die 35 Minuten lang einem festgelegten Belastungsplan folgen. Heisst: Volle Spindeldrehzahlen von 42 000 min-1 wechseln sich mit Ruhephasen und zusätzlichem Achspendeln unter Volllast ab. Im Ergebnis bleiben bei der Micro HD von Kern die Temperaturunterschiede während der gesamten Zeit bei ±50 Milli-Kelvin. «Das hat keine andere getestete Präzisionsmaschine geschafft», sagt Christian Maier. Entscheidend hierfür ist primär das erweiterte Kern-Temperaturmanagement. Hier werden die Medien sehr genau geregelt und mit einem Gesamt-Volumenstrom von bis zu 200 l/min durch Maschinenständer, Dreh-/Schwenkachsen, Linearachsen und Spindel geschickt. Projektleiter Maier ergänzt dazu: «Der hohe Durchfluss sorgt dafür, dass der Unterschied von Zu- und Rücklauf stets unter einem halben Grad liegt.» SMM

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