Formel 1 unter den Drehfuttern

Um 6 s verkürzte Taktzeiten – möglich macht’s ein Leichtbauspannmittel aus Carbon. Beim Bearbeiten von Fahrradnaben aus Aluminium konnte ein Kunde der Marbacher Hainbuch GmbH diesen Vorteil nutzen. Im Vergleich zu einem TOPlus Kombi Axzug Futter aus Stahl bedeutet das jährlich einen zusätzlichen Produktionsgewinn von 137 h oder 2750 Bauteilen. Die Investitionsentscheidung fiel damit leicht, denn der Aufpreis für die CFK-Variante des Spannmittels amortisierte sich bereits nach zwei Monaten.

Der Startschuss für den Einzug des Werkstoffs Carbon in die Spannmitteltechnik fiel bei Hainbuch 2001. Damals beschäftigten sich die Schwaben erstmalig mit Verbundwerkstoffen in ihren Produkten. Vor etwa neun Jahren wurden dann die ersten Versuche mit Mineralguss durchgeführt. Heute ist der Einsatz dieses Materials bei der Futterbaureihe TOPlus Stand der Technik.

Im Zuge der Energie- und Ressourceneffizienz-Bestrebungen erkannten die Marbacher bereits früh einen Trend und investierten in Forschung und Entwicklung, um auf die Herausforderungen von Leichtbau-Spannmitteln und deren Besonderheiten in der Fertigung zu reagieren. Aus eigener Initiative heraus wurden erste Versuche mit kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) unternommen – zu einer Zeit, als noch niemand den Werkstoff mit Spanntechnik in Verbindung brachte.

Die Hainbuch-Ingenieure erkannten schnell, dass die Fachliteratur bei der Entwicklung und Herstellung dieser Bauteile keine Hilfe leisten konnte. Da es ohnehin zur Unternehmensphilosophie gehört, schwierige Prozesse und spezielles Know-how im eigenen Haus zu halten, entschieden sich die Schwaben frühzeitig, die CFK-Komponenten selbst herzustellen. Die passende Wahl des Verfahrens – etwa der Wickel-, Prepreg- oder Injektionstechnologie – war nur eine der Herausforderungen. Auch dass einzelne CFK-Komponenten in den Spannmitteln bei der Werkstückspannung mit bis zu 170 kN belastet werden, musste berücksichtigt werden. Sogar die Spannmittel selbst stellten ihre Ansprüche. Kohlefasern sind zwar stark auf Zug belastbar, Quer- und Druckkräfte kann der Werkstoff jedoch nicht aufnehmen. Um das Material nicht falsch zu belasten, müssen alle im Spannmittel auftretenden Kräfte genau bekannt sein. Diese wurden durch FEM-Berechnungen ermittelt. Im Bereich F&E wurden die Herstellungsprozesse und die Auswahl der geeigneten Komponenten bis ins kleinste Detail optimiert.

Die Entscheidung zur eigenen Herstellung erwies sich im Nachhinein als vollkommen richtig. Die Marbacher sind heute in der Lage diese Technologie nicht nur für eigene Produkte zu nutzen. Sie bieten inzwischen auch Entwicklungs- und Engineering-Dienstleistung an, bis hin zum Prototyp oder zur Bauteilfertigung. Mittlerweile suchen auch Werkzeug- und Maschinenhersteller die Kooperation.

Der erwähnte Trend zur Energieeffizienz und damit zu Leichtbaukomponenten im Maschinenbau hat mehrere Ursachen. Zum einen sind die Energie- und Rohstoffkosten drastisch gestiegen. Welche Bedeutung dieser Aspekt hat, zeigt sich im Stromverbrauch eines modernen 5-Achsen-Bearbeitungszentrums, der im Jahr zwölfmal höher ist als der eines 4-Personen-Haushalts. Zum anderen fordern immer kürzere Liefer- und Durchlaufzeiten höhere Produktivität und Wirtschaftlichkeit. Kein Wunder also, dass inzwischen fast alle namhaften Werkzeugmaschinenbauer das Thema aufgegriffen haben. Gildemeister, Hardinge, Index oder Weisser präsentierten bereits CFK-Spannmittel auf Messen.

Das bis zu 70 % geringere Gewicht der Leichtbaufutter hilft, die Taktzeiten zu verkürzen und die Dynamik der Maschine zu steigern – ein echter Vorteil für alle Serienfertiger. Das Beispiel an einer Index V200 zeigt, dass sich die Beschleunigung der Maschinenspindel auf Maximaldrehzahl durch den Einsatz eines Carbon-Spannmittels von 1,3 auf 0,9 s senken lässt. Dies führt zu kürzeren Regelzeiten an der Maschine. Bei der beschriebenen Bearbeitung von Fahrradnaben konnte die Regelzeit um 18 % gesenkt werden. Durch die kürzere Taktzeit und den geringeren Energieverbrauch lassen sich somit die Energiekosten je Werkstück deutlich senken. Und nicht zuletzt schont die geringere Masse die einzelnen Maschinekomponenten.

Aber auch bei kleineren Bearbeitungszentren oder Maschinen, die nach dem Pickup-Prinzip funktionieren, spielt das Gewicht von Spannmittel und Werkstück eine große Rolle. Je dynamischer die Maschine, desto geringer müssen die bewegten Massen gehalten werden. So lassen sich schwingungsfrei vernünftige Verfahrgeschwindigkeiten der einzelnen Achsen erreichen. Denkt man zudem an den manuellen Rüstvorgang, so kommt laut Berufsgenossenschaft ein maximales Hebegewicht von etwa 15 kg als Hindernis hinzu. Auch hier bieten Leichtbau-Spannmittel eine Lösung.

Doch im Werkstoff Carbon steckt noch viel mehr Potenzial. In Zusammenarbeit mit Hochschulen wurde eine Verbesserung der Schwingungsdämpfung bei Spannmitteln um teilweise bis zu 40 % beobachtet. In diesem Fall wurden bei Praxisanwendungen die Schwingungen direkt an der Werkzeugschneide gemessen. Obwohl es viele Einflussfaktoren gibt, die eine generelle Aussage nicht zulassen, zeigt auch dieser Aspekt, welches Potenzial im Werkstoff Carbon noch steckt.

Olivier Löbert Leiter Produktmanagement, Hainbuch GmbH, Marbach