Revolution in der Zerspanung: Das innovative Multicenter balanciert Präzision und Flexibilität

Wie jeder in der metallverarbeitenden Fertigung weiß, tobt der Kampf zwischen dedizierter und flexibler Zerspanungstechnologie in Werkstätten weltweit. Der Zustrom von High-Mix und niedrigen Volumina ist unverkennbar und wahrscheinlich unaufhaltsam. Er durchdringt alle Bereiche der Zerspanung.

Diese Begriffe – High-Mix, niedrigere Volumina – sind relativ. Für einen Formenbauer kann Losgröße 5 „High-Volume“ sein. Bei einem Tier-2-Zulieferer könnten 500.000 Stück High-Volume bedeuten. Und relativ gesehen hat derselbe Tier-2-Zulieferer vielleicht von vorher 1.000.000 Stück auf 500.000 reduziert, basierend auf Fertigungstrends der letzten Jahrzehnte. Heute könnte dasselbe „High-Volume“ eher 5.000 Stück bedeuten. Es ist relativ.

Bei der Suche nach Kapitalausrüstung, die die Produktion an heutige Fertigungsrealitäten anpasst, gibt es viele Maschinenkonfigurationen. Eine davon stellen wir hier vor: das Multicenter – eine Brücke zwischen High-Mix-flexibler Produktion und High-Volume-dedizierter Zerspanung.

Morphing Rotary Transfer

Um das Konzept hinter dem Multicenter zu verstehen, sprachen wir mit Maurizio Porta, Inhaber zweiter Generation von Porta Solutions, Brescia, Italien. Nordamerika-Zentrale in Newington, Connecticut. 1958 von seinem Vater Oscar gegründet, baute die Firma Spezialmaschinen für diverse Anwendungen und erlebte den Wandel von dedizierter zu flexibler Produktion.

„Ursprünglich fertigten wir Rundtaktmaschinen“, sagt Porta. „Diese Maschinen spiegelten eine Zeit wider, in der eine Maschine für ein Teil gebaut wurde. Das Teil war König, und dedizierte Werkzeuge zur Optimierung seiner Fertigung waren das Ziel.“

Traditionell bekam ein Betrieb einen Auftrag und entwarf ein Fertigungssystem um das Teil. Manche Aufträge liefen jahrelang praktisch unverändert. Da Produktlebenszyklen kürzer wurden, sind dedizierte Produktionsmaschinen in vielen Anwendungen weniger kostengerechtfertigt – Umrüsten für neue Aufträge ist schwierig, teuer und meist nicht lohnenswert.

2005 stellte Porta seine Lösung vor: das Multicenter. Die Idee: Brücke zwischen dedizierter, teilspezifischer Zerspanungstechnologie und einer Bearbeitungszentrum-Plattform, die sich bei wechselndem Teilemix leicht umrüsten lässt.

Zentriert auf einem 4-Stationen-Karussell hat die Maschine in der beliebtesten Konfiguration drei horizontale Bearbeitungszentrum-Module (HMC). Die vierte Station ist ein Be-/Entladestation, manuell oder automatisiert.

Jedes HMC-Modul beherrscht 3- oder echtes 4-Achs-Bearbeiten pro Station. Die Module arbeiten progressiv, sind aber unabhängig gesteuert. Die Maschine fertigt ein Teil, ein Teil in mehreren Operationen oder mehrere verschiedene Teile gleichzeitig. Alle vier verschiedenen Teile würden von allen drei Spindeln bearbeitet, bevor sie fertig zur Be-/Entladestation zurückkehren.

Mit drei Spindeln können Bearbeitungsoperationen bedarfsweise variiert werden – mehr Flexibilität. Eine Umdrehung des 4-Stationen-Palettenträgers kann ein komplettes Teil, vier komplette Teile oder eine Mischung produzieren. Porta sagt, die meisten Anwendungen nutzen progressive Bearbeitungssequenzen.

Porta nennt eine Anwendung, bei der der Kunde drei verschiedene Teile in einem Multicenter-Zyklus fertigte. „Diese Teile gingen in eine Baugruppe, jeder Maschinenzyklus produzierte einen komplette Satz“, sagt Porta. „Nach der Bearbeitung wurden Teile montiert und an den Kunden versandt. Sehr effizient.“

Multicenter im Vergleich zu HMCs

HMCs erfahren steigende Investitionen in Betrieben mit High-Mix/Low-Volume. Sie bieten inhärente Flexibilität und passen leicht zur Automatisierung via Palettenwechselsysteme. Zudem übertrifft die Werkzeugkapazität des Horizontaldesigns den größten Konkurrenten, das VMC.

Umfragen von Production Machinings hauseigener Marktforschung (Gardner Intelligence) zeigen signifikanten Anstieg der HMC-Kaufprognosen: 85 % mehr als 2017.

Porta betont jedoch: Wenn Volumen und Werkstückkomplexität mehr als ein HMC erfordern, findet das Multicenter seine Nische. „Es ist eine Brücke zwischen der sehr hohen Produktion einer Sondermaschine und dem niedrigeren Volumen mit Flexibilität eines HMC“, sagt er. „Das Multicenter liegt dazwischen und ist ein Standardwerkzeug, keine Sondermaschine – Lieferzeiten sind daher viel kürzer.“

Die Maschine ist für 10-Zoll-Werkstückwürfel (ca. 254 mm) ausgelegt, skalierbar für größere Teile. Jedes der drei Bearbeitungszentren hat eigenen Werkzeugwechsler, Standard 12 Werkzeuge pro Modul. Erweitbar auf 40 Werkzeuge je Modul. Jede Maschinenspindel hat drei Achsen an der Werkzeugspitze, eine vierte Drehachse an jedem Werkzeugtisch. Alle Achsen werden von Fanuc- oder Siemens-CNC gesteuert.

Kleinerer Footprint, weniger Energie

Der Designvorteil des Multicenters, so Porta: Ein typischer Kunde, der drei bis vier HMCs für seine Produktionszahlen bräuchte, erhält sie in einer Plattform. Einfacher zu bedienen, weniger Strom, weniger Platz.

Platzbedarf eines HMC mit Be-/Entladebereich ist nicht unerheblich. „Multiplizieren Sie das mal drei, wird es groß“, sagt Porta. „Weil das Multicenter im Wesentlichen drei HMCs auf einer Plattform ist, belegt es nur 87 m². Drei typische HMCs mit Automation benötigen ca. 240 m².“

Das Multicenter verbraucht im Vergleich zu drei eigenständigen HMCs 50 % weniger Energie, so Porta: 51 kWh vs. 120 kWh bei äquivalenter Produktion.

Begründung: Redundante Komponenten entfallen. Drei HMCs treiben drei Automationssysteme, drei Späneförderer, drei Palettenwechsler an. Zudem mehr Wartung bei drei vs. einer Plattform.

Zwei Zielkundengruppen

Laut Porta hat das Multicenter zwei Zielgruppen. Da das Unternehmen auf Hochvolumen-Spezialmaschinen aufbaut, ist das Multicenter als Volumenproduktionszentrum konzipiert.

„Manche Kunden widmen das Multicenter einem einzelnen Teil wie eine Sondermaschine“, sagt Porta. „Diese Betriebe fertigen Automobilstückzahlen von 700.000–1.000.000 Teilen/Jahr. Die Vorteile – Kostensenkung durch weniger Platz, Energie, Personal – gelten auch hier.“

Wo sich das Multicenter von seiner Sondermaschinen-Vergangenheit unterscheidet: Kosteneffizienz bei niedrigeren Volumen. „Manche Kunden nutzen das Multicenter für Aufträge, die nicht High-Volume, sondern High-Mix sind“, sagt Porta.

Für diese zweite Gruppe sind Losgrößen 500–5.000 typisch. Diese Betriebe fertigen nicht für Lager, sondern erfüllen „Spot“-Aufträge.

Sie nutzen die Multicenter-Kapazität, um auf eingehende Aufträge zu reagieren. Maschinen in diesen Jobshops sind für flexible, nicht dedizierte Produktion ausgerüstet.

Schnellwechsel-Spannsystem

Die Multicenter-Struktur unterscheidet sich stark vom HMC. Maschinenbasis ist ein Schweißkonstruktion – geschlossener Kasten. Im Kasten trägt ein 4-Stationen-Rundtisch die Bearbeitungspaletten. Der Kasten hat drei Wände mit je einem HMC-Modul und eigenen Linearführungen. Die vierte Wand ist offen für Be-/Entladestation.

Bei der Entwicklung gestaltete Porta das Spannsystem flexibel. Auf jeder der drei Paletten sitzt ein Aufnahmeelement, das vom Palettentisch positioniert (indexiert) oder kontinuierlich für B-Achsen-Konturieren verfahren wird. Aufnahmen sind standardisiert und verbleiben auf der Palette.

Werkstückspezifische Spannbacken montieren auf der Aufnahme und öffnen/schließen unter CNC; Hydraulik wird ständig von der Steuerung überwacht. Umrüsten erfolgt durch simples Austauschen der Spannbacken auf der Aufnahme – Umrüstzeit: 30 Sekunden.

Für Zugang zur fünften Werkstückseite indexiert die Vorrichtung um 90°, um diese Seite der Spindel zuzuwenden. Meist an Spindel 3, aber an allen Spindeln möglich. Vorrichtungen können auch U-Achsen-Option für Einstechdrehen zur Fertigstellung bieten.

Programmausführung

Programmierung für das 3-Spindel-Multicenter ist relativ einfach. Jedes HMC-Modul hat eine eigene Seite in der Fanuc- oder Siemens-Steuerung – Programmierung ist im Grunde eine 3-Achs-Maschine mit B-Achse pro Modul. Programmierung schreitet von Spindel 1 zu 2 zu 3 fort.

Obwohl effektiv drei separate Programme simultan laufen, braucht es keine separate Synchronisationssteuerung. Beide CNC-Marken synchronisieren die Programme im Steuerungshintergrund.

Da die Maschine drei Spindeln hat und meist sequenzielle Operationen fährt, ist Zykluszeitausgleich zur Eliminierung von Leerlauf wichtig. Porta entwickelte mit Microsoft ein Softwarepaket namens „Energy Characterization“.

Durch Auslesen der Spindelmotor-Leistungsaufnahme reduziert die Software die Leistung bei leichten Schnitten und überträgt sie über regeneratives Bremsen an die stärker belastete Spindel. Nettoergebnis: optimierter Energieverbrauch.

Porta ist Industry-4.0-kompatibel. Einige Entwicklungsprogramme sind weit fortgeschritten. Die verfügbaren Informationen – ob 1.000.000 oder 500 Teile – sind für jeden Hersteller wertvoll. Daten gesellen sich zu Spänen als Währung der metallverarbeitenden Fertigung.