11.08.2017

Kosten und Produktionszeiten senken

CNC im großen Stil

Die automatisierte Produktion großer Objekte wie beispielsweise Autokarosserie-Prototypen, Bootsrümpfe oder Surfbretter erfordert CNC-Maschinen, die nicht selten 1Mio.€ kosten. Dabei lassen sich die Kosten leistungsfähiger CNC-Systeme zum Schneiden leichter und mittelfester Werkstoffe wie Holz, Schaum, Beton oder Aluminium um rund 90 Prozent senken, wie ein Beispiel aus dem Silicon Valley zeigt. Ausschlaggebend dafür ist u.a. die Wahl der richtigen Aktorik.


Die CNC-Maschinen von Autoscale können Objekte von nahezu 5m Länge schneiden.
Bild: Thomson Industries

Basierend auf seinen Erfahrungen aus der Produktion maßgeschneiderter Surfbretter hat das im kalifornischen Santa Clara beheimatete Unternehmen Autoscale einen neuartigen CNC-Ansatz entwickelt, mit dem sich Objekte in Längen bis fast 5m fertigen lassen. Für weichere Werkstoffe sitzt am Kopf einer CNC-Maschine ein Fräser, Schmelzdraht oder eine sonstige Schneidvorrichtung, die Material wie Leichtbauholz oder expandiertes Schaumpolystyrol bearbeiten kann. Gesteuert durch komplexe Logarithmen, die Produktkonstrukteure mittels CAD/CAM-Software erstellen, führen Rahmenkomponenten, sogenannte Portale, die Schneidwerkzeuge entlang der X- und Y-Achsen. Um die dritte Dimension am Produkt abzudecken, bewegt ein Arm auf der Z-Achse die Werkzeuge in vertikaler Richtung. Bei den meisten der heute gängigen Systeme sind der Rahmen und sämtliche beweglichen Teile in Stahl ausgeführt. "Als wir anfingen, größere Fräsen zu bauen, war das wie die Suche nach der eierlegenden Wollmilchsau", erzählt Autoscale-Gründer und Besitzer Dan Bolfing. "Wir wollten gleichzeitig Steifigkeit und Geschwindigkeit. Mehr Steifigkeit an den beweglichen Teilen bedeutete aber auch mehr Gewicht, was das System langsamer macht und die Kosten nach oben treibt." Einschließlich Portal, Schlitten, aller Getriebe, Profilschienen, Kugelgewindetriebe und sonstiger Mechanik brachten erste Modelle des Unternehmens rund 1,6t auf die Waage. "Das ist nicht weit von dem entfernt, was andere Vertreter unserer Branche mit Stahl erreichen, aber wir hatten höhere Ansprüche", so Bolfing weiter.

Carbon ersetzt Stahl

Nach umfangreichen Experimenten mit leichteren Werkstoffen kam man bei Autoscale zur Erkenntnis, dass der Austausch von Stahl gegen Carbonfaser eine ganze Reihe Vorteile mit sich bringt. So könnten die Portale beispielsweise deutlich einfacher und schneller produziert werden. Stahl dehnt sich aus und zieht sich zusammen, sodass es bis zu zwei Wochen dauern kann, bis die Stahlportale genau gerade ausgerichtet sind. Nach dem Zusammenschweißen müssen sie gerichtet, montiert und, sofern sie ausreichend gerade sind, wieder auseinander genommen, pulverbeschichtet und erneut montiert werden. Ganz anders Carbon: Es erlaubt die Herstellung von Mustern und Gießformen im Voraus. Und wenn das Design in der Carbonfaser ausgelegt ist, bleibt es immer in seiner Form. Stahl hingegen verdreht, dehnt und verbiegt sich mit jeder Temperaturänderung. Abgesehen von einer fast halbierten Produktionszeit - aus zwei Wochen wurde ungefähr eine - zeigte sich jedoch der markanteste Vorteil im deutlich geringeren Gewicht von Carbon gegenüber Stahl. Hierdurch konnten die beweglichen Teile von bisher 1,6t auf nun 160kg Gesamtgewicht reduziert werden. Das branchenübliche Dilemma zwischen Steifigkeit und Geschwindigkeit wurden somit praktisch überwunden. Wo ein System mit Stahlportalen etwa 7 bis 10m/min schneidet, schafft ein Carbonfaser-System rund 20m/min, und das völlig vibrationsfrei. Damit nicht genug, ergibt sich dieser Geschwindigkeitsvorteil nicht nur bei der Maximalgeschwindigkeit, sondern auch beim Anfahren. "Eine Beschleunigung mit voller Kraft ist grundsätzlich zu vermeiden", erklärt Bolfing. "Bei einem schweren Portal muss die Geschwindigkeit über eine flache Rampe geändert werden - d.h. zu Beginn und Ende jedes Schneidvorgangs langsam beschleunigt bzw. verzögert werden." Je leichter das Portal, desto schneller kann dies geschehen. Mit einem Stahlportal schafft man an einem komplexen keine 7m/min, da immer wieder beschleunigt und abgebremst werden muss. Mit Carbon lässt sich die Rampenstrecke um 90 Prozent verkürzen, was sich besonders bei der Bearbeitung von Teilen aus Schaum, Lehm oder Weichkunststoff positiv auswirkt.

Anzeige

Präzisionsführung

Der Schlüssel zur exakten Arbeitsweise dieses Systems liegt in der effektiven Nutzung von Linearführungen für die X/Y-Achsen und in den Kugelgewindetrieben, in diesem Fall aus dem Hause Thomson. "Thomson hat eine 4,8m lange Profilschiene im Programm", so Bolfing. "Bei anderen Anbietern hätten wir zwei kürzere Teile zusammenfügen müssen, was die Genauigkeit und Langlebigkeit beeinträchtigt hätte." Thomson lieferte zudem vollständig vormontierte Kugelgewindetriebe inklusive Lagerträger, die direkt angeschraubt werden konnten. Für Fräsvorgänge, bei denen höhere Lasten auftreten, hat Thomson Profilschienen-Linearführungen geliefert, die den Fräskopf ruckfrei und exakt führen. Darüber hinaus lieferte Thomson eine Kugelbuchse, die eine 27-mal höhere Laufzeit bietet als herkömmliche Linearlager. Sie ist neben der höheren Tragzahl auch selbstjustierend, leicht, einstellbar und weist einen geringen Reibungskoeffizienten auf. Für Anwendungen mit Schmelzdraht, beispielsweise für extrem weiche Materialien wie Schaumstoff, verwendet Autoscale Kugelgewindetriebe und Rundschienen-Linearführungen von Thomson, die den Maschinenteil mit dem Schmelzdraht präzise führen. Rundschienen eignen sich hier besonders, da sie je nach Anforderungen an den Enden oder abschnittsweise gestützt werden können. Außerdem sind sie weniger anfällig für Blockieren und lassen sich unkomplizierter montieren und ausrichten als Profilschienen. Nicht zuletzt sind die Komponenten kostengünstiger als vergleichbare Profilschienen. Für die präzise Bearbeitung weicher Werkstoffe, einschließlich weicherer Metalle wie Aluminium, zur Fertigung großer Produkte, Modelle und Prototypen bieten Autoscale-Systeme ein gutes Preis/Leistungs-Verhältnis. Nach Angaben des Maschinenbauers ist ein solches System bereits für einen Bruchteil der Kosten eines vergleichbaren herkömmlichen Systems zu haben. Zu den Anwendungsbereichen des neuen Systems zählen:

  • • Flugzeugbau - Prototypenbau von Tragflächen und Rümpfen
  • • Automobilbau - Rennwagen, autonome Kraftfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Innenkonsolen und Karosserien
  • • Architektur - vorgeschnittene Poolformen, Betontreppenmuster, Beton für Freizeitbäder
  • • Maritimes - Surfbretter, Standup-Boards, Ausleger-Kanus und große Bootsrümpfe
  • • Möbel - Verkaufstresen und Servicestationen
  • • Sonderverpackung
Anzeige