Spanen im Nano-Bereich

„Anfangs waren wir nicht sicher, ob bei einer Maschine dieser Größe die angestrebte Präzision zu erreichen ist“, erzählt Burkhard K. Rother. Doch dann habe das Hochpräzisions-Bearbeitungszentrum Pyramid Nano deutlich bessere Werte geliefert als die kleinere Referenzmaschine Micro, ergänzt der Geschäftsführer der Kern Micro- und Feinwerktechnik GmbH & Co. KG in Eschenlohe. Statt einer Positionsstreubreite von ±1,0 µm erreicht die Nano ±0,3 µm. Auch bezüglich der Oberflächengüte stellt sie die ältere Micro in den Schatten, mit Ra-Werten von 0,05 statt 0,2 µm. Und das trotz eines Arbeitsraums, dessen Hauptabmessungen sich verdoppelten: Die Verfahrwege der Nano in X-, Y- und Z-Richtung messen 500, 500 und 400 mm, die der Micro 250, 220 und 200 mm.

Möglich wurde dieser Sprung durch das geänderte Maschinenkonzept. Der Maschinenständer der Pyramid Nano ist als symmetrisches Portal ausgeführt und besteht aus dem Mineralguss-Werkstoff Armorith. Dessen Kennzeichen sollen eine besonders gute Vibrationsdämpfung und eine minimale Wärmeleitfähigkeit sein. Für konstante Temperaturen sorgen die Wasserkühlung der Frässpindel, in den Achsantrieben und -führungen sowie im Maschinenständer zirkulierende Hydraulikflüssigkeit und ein Temperaturmanagement, das die Schwankungen im zentralen Kühlaggregat innerhalb von 0,25 K hält. Entscheidend fürs präzise und vibrationsfreie Zerspanen sind die hydrostatischen Antriebe und Achsführungen sowie geringe bewegte Massen und die Rundlaufgenauigkeit der Spindel – weniger als 1µm lässt Kern hier als Toleranz zu. Um das zu erreichen, verbauen die Bayern nur speziell ausgesuchte Spindeln. Zudem wird das thermische und mechanische Verhalten jeder einzelnen analysiert und später mit Hilfe eines speziell entwickelten Kompensationsprogramms, das Teil der Steuerungssoftware ist, kontinuierlich korrigiert.

Um eine Präzision im µm-Bereich oder darunter zu erreichen, muss jedoch nicht nur die Maschine alle Voraussetzungen erfüllen. Mehr noch als bei herkömmlichen Jobs kommt es auf die gesamte Prozesskette an. Jedes einzelne Glied – von der Maschine über die Spannmittel und Werkzeuge, bis hin zu den räumlichen Gegebenheiten – muss stimmen und mit den anderen harmonieren. „Zu dieser Prozesskette gehören auch qualifizierte Mitarbeiter, die ein Talent fürs µ haben“, betont Rother.

Die Pyramid Nano gibt´s in unterschiedlichen Ausstattungsvarianten für den 3-, 4- oder 5-achsigen Betrieb mit verschiedenen Werkzeug- und Werkstückwechslern und Frässpindeln mit HSK-25- oder HSK-40-Schnittstelle sowie automatischen Werkzeug- und Werkstückmesssystemen mit einer Genauigkeit von ±1,0 µm. Beim simultanen 5-achsigen Fräsen liefert ein digitaler CNC-Präzisions-Teilapparat mit Torque-Motoren Dynamik. Dass der Anwender nicht nur Klein- und Mikroteile in einer Aufspannung fertig bearbeiten kann und weder zum spanen noch zum vermessen umspannen muss, kommt der Präzision und Effizienz ebenfalls zu Gute. Je nach Ausstattung liegt das Investitionsvolumen zwischen 330 000 und 500 000 Euro. Für Kunden, die die Maschine selbst noch nicht auslasten können, hat Kern auch eine Lösung: Die Bayern produzieren die Teile in der hauseigenen Lohnfertigung so lange, bis der Kunde genügend Aufträge hat. Dann bekommt er mit seinem Zentrum einen erprobten und eingefahrenen Prozess. „Die Erfahrungen aus unserer eigenen Mikrofertigung haben uns auch geholfen, als ein Kunde verlangte, dass seine Maschine bereits am zweiten Tag nach dem Aufstellen rund um die Uhr zuverlässig produziert“, erzählt Rother.

Die kleinsten Tools, mit denen die Eschenloher in Kundenversuchen bislang arbeiteten, hatten einen Durchmesser von 50 µm. „Die nimmt man mit dem bloßen Auge gerade noch wahr“, deutet der Vertriebschef die Schwierigkeit an. Um prozesssicher arbeiten zu können, müssen solche Werkzeuge vor dem Einsatz unter dem Mikroskop genau geprüft, und sowohl vor als auch nach der Bearbeitung von einem in der Maschine integrierten Lasersystem vermessen werden. Nur so lasse sich bei Mini- und Mikrowerkzeugen feststellen, ob sie noch in Ordnung sind und der Job korrekt abgearbeitet wurde. Bohrer und Fräser mit einem Durchmesser von 6 bis 8 mm gelten bei Kern schon als groß. Messerköpfe mit Durchmessern um 30 mm sind nur zum Planen größerer Flächen vorgesehen.

Als wichtigste Anwendungsfelder der Pyramid Nano sieht Rother – neben dem Werkzeug- und Formenbau – die Automobil-, die Luftfahrt- und die Verteidigungsindustrie sowie die Medizintechnik, die Optik oder das Bearbeiten von Nanopräzisionsteilen. Die Maschine bewältigt auch bei kritischen Materialien, etwa gehärtetem Stahl, Grafit oder Keramik, große Zerspanvolumina. „Die Nano schruppt auch bis zu 64 HRC harte Werkstoffe ohne Probleme“, sagt Rother. Er geht davon aus, dass selbst 70 HRC prozesssicher machbar sind. „Die Grenze bilden hier eher die Werkzeuge.“

Haider Willrett haider.willrett@konradin.de

Eigene Lohnfertigung liefert wertvolle Daten