Mal locker einen draufsetzen – nur der Nullpunkt muss stimmen

Von unserem Redaktionsmitglied Haider Willrett

Da werden Millionen in moderne Maschinen investiert, um Sekunden bei der Bearbeitung zu gewinnen“, wundert sich Karl-Heinz Gies, „und dann verschleudern viele Betriebe Minuten oder gar Stunden beim Rüsten der Werkstücke.“ Der Diplomkaufmann ist Chef der Unternehmensberatung Gies Consult und seit Jahren im Maschinenbauumfeld tätig. Gerade im Bereich der Werkstückspannung sehen auch Spannmittel-Hersteller wie Schunk, Vischer & Bolli oder Stark häufig ein großes Potenzial brachliegen. Sie versichern: Je nach Teilespektrum, Losgröße und Wiederholintervallen lassen sich die Rüstzeiten um bis zu 90 % verkürzen – wenn Nullpunkt-Systeme und die dazu passenden modular aufgebauten Spannmittel-Baukästen zum Einsatz kommen.

Basis des Nullpunkt-Systems bilden Spannmodule, die entweder als Einbaumodule in den Maschinentisch integriert oder als Aufbauelemente montiert werden. Sind sie einmal ausgerichtet und befestigt, liegt der Referenzpunkt der Maschine fest. Die Module positionieren und fixieren Paletten, Spannelemente oder Werkstücke. Hierfür nehmen sie die in den Modulen montierten Einzugbolzen auf und ziehen sie an. Die Wiederholgenauigkeit beim Rüsten geben die meisten Hersteller solcher Systeme mit Werten unter 5 mm an.

Der Verkaufsleiter und Produktmanager für den Bereich Werkstück-Spannsysteme der Schunk GmbH & Co. KG in Lauffen, Jürgen Haug, rechnet in den kommenden Jahren in seinem Bereich mit zweistelligen Zuwachsraten beim Umsatz, „denn diese Systeme bieten erstmals die Möglichkeit, das Rüsten des Werkstücks zu rationalisieren und zu automatisieren“.

Im Rahmen der Stuttgarter Maschinenbau-Fachmesse AMB stellten die Lauffener 1998 ihr Nullpunkt-System Unilock der Öffentlichkeit vor. „Um unsere Spannmodule zu öffnen, genügt der normale Systemdruck von 6 bar, wie er in jeder Druckluft-Anlage anliegt”, beschreibt der Verkaufsleiter ein wesentliches Merkmal seines Produkts. „Der Schließvorgang erfolgt mechanisch über ein Federpaket und ist selbsthemmend. Dadurch erreichen wir Anzugskräfte von bis zu 50 000 N.” Und die Werkstücke bleiben auch sicher gespannt, wenn der Druck im Luftsystem einmal abfallen sollte.

Haug weiß aus Erfahrung, dass viele Interessenten eine pneumatische Betätigung bevorzugen. So auch die Roku Mechanik GmbH in Unterschneidheim. Der Lohnfertiger bearbeitet Präzisionsteile für die Optische Industrie, die Medizintechnik oder die Raumfahrt. „Mit der Pneumatik benötigen wir kein zusätzliches Hydraulikaggregat. Und bei einem Leck tritt kein Öl aus“, sagt Norbert Sandmeyer, der bei Roku für die Produktionsplanung verantwortlich ist. Zudem seien die Anforderungen an die Fachkenntnis des Bedieners weniger hoch. Einen weiteren, wesentlichen Vorteil solcher Systeme sieht er darin, dass auch weniger qualifiziertes Personal Werkstücke und Vorrichtungen sicher und präzise rüsten kann: „Auch das hilft uns, Kosten zu senken und die Produktivität zu steigern.“

Das Rüsten von Vorrichtungen oder Rohteilen auf dem Bearbeitungstisch vereinfacht sich durch den festliegenden Referenzpunkt erheblich. Während die Maschine arbeitet, kann der Bediener weitere Spannelemente außerhalb des Arbeitsbereichs mit Rohteilen bestücken. Vorrichtungen müssen nicht mehr vor jedem Einsatz ausgerichtet werden – was bisher zu allem Überfluss direkt auf dem Bearbeitungstisch geschehen musste. Sind die Einzugsbolzen einmal montiert, setzt der Werker die Module lediglich auf das Nullpunkt-System und spannt sie. Damit reduzieren sich die Stillstandzeiten der Maschine deutlich.

Auch in Sachen Flexibilität eröffnen modulare Spannsysteme neue Möglichkeiten. Ohne auf einen Bezugspunkt achten zu müssen, kann der Bediener das Bearbeitungsprogramm jederzeit unterbrechen, die Module ausspannen und auf einer anderen Maschine weiterbearbeiten, sie auf einer Prüfanlage einsetzen oder nach Abarbeiten eines Eilauftrags wieder auf der ursprünglichen Maschine rüsten. Falls es der Produktionsablauf erfordert, ist sogar der Austausch vorgerüsteter Bauteile zwischen Partnerunternehmen denkbar.

Der Trend zu immer kleineren Losgrößen und einer großen Variantenvielfalt benachteiligt Spezialvorrichtungen für bestimmte Bauteile zusätzlich. Für kleine Serien rechnen sich die hohen Herstellungskosten oft nicht. Zudem sind diese Vorrichtungen in vielen Fällen bereits nach kleineren Änderungen des Werkstücks – etwa auf Grund eines Modellwechsels – unbrauchbar. Modulare Spannmittel lassen sich dagegen meist ohne großen Aufwand den neuen Anforderungen anpassen. Mit ihrer Hilfe ist der Produktionsablauf einfach auf den Bedarf des Marktes auszurichten.

Da die einzelnen Module vielfältig einsetzbar sind, benötigt der Maschinenbetreiber weniger Elemente und Einzelvorrichtungen. Das wiederum kommt seinem Streben nach einer schlanken Lagerhaltung entgegen.

Passend zu ihren Nullpunkt-Systemen bieten die führenden Hersteller modular aufgebaute Baukästen von Spannmitteln an. So hat Schunk für das Unilock-System die Produktgruppe Kontec entwickelt, die neben unterschiedlichen Spannern auch Drei-Backen-Futter, Mehrfach-Spannmodule und -türme sowie Aufsatzbacken oder Zubehör enthält. Die Auswahl des Spannmittels richtet sich nach der Aufgabenstellung und dem zu bearbeitenden Bauteil.

Auch für die Schweizer Erowa AG endet das Streben, die Maschinenkapazitäten vollständig auszunutzen, nicht beim Spannmittel. Automatisierungslösungen oder Handlinggeräte gehören ebenso zum Angebot, das die Büroner in vier Stufen unterteilt haben:

– Schaffen einer standardisierten Schnittstelle zwischen Werkstück und Bearbeitungstisch (Nullpunkt-System mit den zugehörigen Spannmodulen),

– Organisieren des Produktionsablaufs (Rüsten der Werkstücke, während die Maschine läuft),

– Automatisieren der Produktion (die Anlage soll auch in der unbemannten Zeit laufen) und

– Integrieren aller Bereiche (Übernahme der Daten in die Betriebsdatenerfassung und Vorplanen der Produktion).

Mit der Software JMS (Job Management System) bieten die Schweizer ein Werkzeug an, mit dessen Hilfe die Integration von Systemen und Kommunikationsmitteln schnell und sicher gelingen soll.

Anders als der schwäbische Wettbewerber Schunk, entriegelt die Vischer & Bolli AG aus Dübendorf in der Schweiz ihr Nullpunkt-System Dock Lock hydraulisch. „Das ermöglicht uns Einzugskräfte, die mit einer Pneumatik nicht zu realisieren sind“, nennt Marcel Haltiner den Grund. Nach Ansicht des Geschäftsführers der deutschen Niederlassung sagt die Haltekraft wenig über die Leistungsfähigkeit eines Nullpunkt-Systems aus, denn für die Vibrationsdämpfung bei großen Zerspanleistungen sei einzig die Kraft maßgebend, mit der das Werkstück an die Auflage gezogen wird. Und das ist die Einzugkraft. Ebenso wichtig ist ein weiterer Aspekt: Beim Entriegeln drückt das Öl mit 65 bar von unten gegen den Kolben, auf dem der Einzugsbolzen aufliegt. Die wirkende Kraft ist so groß, dass vier solcher Zylinder eine 2 t schwere Spannvorrichtung anheben können. „Damit schonen wir nicht nur die Führungen im Spannzylinder; das erlaubt uns auch, Handlinggeräte einzusetzen und den Prozess zu automatisieren“, beschreibt Haltiner weitere Vorteile des Dock-Lock-Prinzips.

Ein System, das sowohl mechanisch als auch hydraulisch zu betätigen ist, hat der schwäbische Tüftler Günter Lang entwickelt. Doch nicht das Nullpunkt-Spannen ist der eigentliche Clou bei Lang, sondern das Präge-Fix-System, für dessen Produktion und Vermarktung eigens die Lang Spanntechnik GmbH in Heroldstatt gegründet wurde. Bevor Lang das Prinzip im Oktober letzten Jahres der Öffentlichkeit vorstellte, musste es seine Tauglichkeit in der Produktion der Lang Werkzeugtechnik GmbH, Neuhausen, unter Beweis stellen.

Mit Hilfe eines Spezialschraubstocks wird in die untere Seitenlinie der Werkstücke eine Kontur geprägt, die sich an den Backen der Spannmodule wiederholt. Durch die Verzahnung entsteht eine formschlüssige Verbindung. Schon bei Spannkräften zwischen 500 bis 2000 N sollen die Haltekräfte ausreichen, um auch Stahlteile aus dem Vollen fertigen zu können. „Durch die geringen Kräfte können wir Bauteile nahezu spannungsfrei fixieren“, erläutert Lang einen Vorteil seines Prinzips. „Damit ist auch die Bearbeitung dünnwandiger und empfindlicher Teile ohne Verzug möglich.“ Zudem sei die Zahnfolge so ausgebildet, dass sich Werkstücke ohne Aufwand auf 0,01 mm genau im Spannmodul fixieren lassen – auch wenn das Teil zwischendurch ausgespannt und wieder gerüstet werden soll.

Wie Lang bieten die meisten Hersteller von Nullpunkt-Systemen neben Aufbaumodulen auch Einbauelenemte an, die direkt in den Maschinentisch integriert werden. Durch ihren Einsatz sollen keine Spann- und Lösekräfte in den Tisch übertragen werden. Zudem fällt kein zusätzliches Gewicht auf dem Maschinentisch an, was wichtig ist, wenn dieser bei der Bearbeitung mitbewegt werden muss. Marcel Haltiner von Vischer & Bolli schätzt, dass eine so ausgestattete Maschine um etwa 5 bis 10 % teurer ist als die Variante mit konventionellem T-Nuten-Tisch. Weil das Einsparpotenzial jedoch sehr hoch sei, „gehört diesen Systemen die Zukunft“. Schon heute bieten einige wichtige Maschinenhersteller optional solche Tische an.

Durch den Einsatz eines Nullpunkt-Systems lassen sich stationäre Spannmittel deutlich schneller rüsten. Das Einsparpotenzial verdeutlicht Jürgen Haug von Schunk in Lauffen anhand einer typischen Anwendung eines Kunden.

Ein Pumpengehäuse wird in zwei Schritten auf einer CNC-Fräsmaschine bearbeitet. Die erste Spannung erfolgt in einem NC-Spanner. Für den zweiten Arbeitsschritt rüstet der Anwender den Spanner ab und montiert ein Drei-Backen-Futter auf den Maschinentisch.

Ursprünglich erfolgte die Montage der Spannmodule mittels einer Pratzenlösung. Das Rüsten der Spannelemente, einschließlich Ausrichten auf den Nullpunkt, erforderte je Modul zwischen 30 und 45 min.

Inzwischen setzt der Anwender ein Nullpunkt-System ein. Dadurch reduzierte sich die Zeit für das Auf- und Abrüsten eines Spannmoduls auf rund 7 min. Die einmalige Montage der Spannstation, die rund 1,5 h dauerte, fällt – hochgerechnet auf die Einsatzzeit des Systems – nicht ins Gewicht.

Die gesamte Rüstzeit für beide Spannungen beträgt demnach

– ohne Nullpunkt-System gut 1 h,

– mit Nullpunkt-System rund 14 min.

Daraus ergibt sich eine um mindestens eine dreiviertel Stunde (knapp 80 %) verkürzte Rüstzeit für jeden Wechselzyklus. Für die reine Bearbeitungszeit kalkulierte der Bearbeiter hier 435 min. Je nach Anwendung sei ein Einsparpotenzial von bis zu 90 % realistisch, ist Haug überzeugt.

Prof. Klaus Weinert leitet das Institut für Spanende Fertigung (ISF) an der Universität Dortmund. Er sieht die entscheidenden Vorteile modularer Spannsysteme in ihrer Flexibilität und ihrer Genauigkeit.

? Für welche Anwendungsfälle sind modulare Werkstück-Spannsysteme und Nullpunkt-Systeme prädestiniert?

!Sie sind immer interessant, wenn häufiges Auf- und Abrüsten erforderlich ist. Die richtige Wahl sind sie auch dann, wenn Bauteile in wiederkehrenden Serien – oft in kleinen Losgrößen – produziert werden oder kurze Auftragsdurchlaufzeiten, womöglich unterbrochen von Eilaufträgen, zum Alltag gehören. Steigt die Nachfrage nach einem bestimmten Teil kurzfristig stark an, kann der Anwender ohne großen Aufwand ein oder zwei zusätzliche Maschinen mit Vorrichtungen ausrüsten. Zudem bieten sie eine hohe Genauigkeit und lassen sich sogar an Prüfgeräten einsetzen. Soll jedoch über einen längeren Zeitraum immer das gleiche Teil produziert werden, halte ich eine spezielle Vorrichtung für die bessere Lösung. Modulare Spannsysteme haben durchaus auch technische Nachteile.

?Welche Vorteile sehen Sie bei den Spezialvorrichtungen gegenüber den Baukästen?

!Sie können im Allgemeinen leichter und kompakter ausgeführt werden und sind dennoch steifer. Die vielen Fügestellen modularer Systeme wirken sich ungünstig auf die Steifigkeit der Gesamtvorrichtung aus.

?Wo liegen die Stärken und Schwächen der unterschiedlichen System-Varianten?

!Grundsätzlich bieten hydraulische Spannmittel die größte Energiedichte, also große Kräfte bei relativ kleiner Baugröße. Andererseits ist Druckluft an jeder Maschine vorhanden, es wird also kein zusätzliches Hydraulikaggregat benötigt. Wenn man das System abkoppelt oder Lecks auftreten, kann kein Öl austreten. Dadurch sind pneumatische Systeme eine saubere Lösung. Eine Mechanik ist zwar einfach und sicher zu handhaben, aber nicht so gut für automatisierte Prozesse geeignet.

?Wie sieht das modulare Werkstück-Spannsystem der Zukunft aus?

!Die führenden Systeme sind weit entwickelt. Teilweise sind sie etwas unhandlich und schwer. Das macht sich insbesondere bemerkbar, wenn das Spannmittel bei der Bearbeitung mitbewegt werden muss. Leichtbau-Konstruktionen – etwa mit Metallschaum ausgefüllte Hohlkörper – wären hier von Vorteil. Wir haben jedoch noch nicht untersucht, ob sie steif genug ausgebildet werden können, um die geforderte Präzision zu gewährleisten.