Automatisiertes 5-Achs-Fräsen meistern: Vereinfachte Lösungen

Wiedergabegeschwindigkeit in diesem Video wurde erhöht, während der Greifer eine weitere Palette aus dem Maschinenlager abruft.

Challenge Machine nutzt einen Lasertaster an der Seite der schwenkbaren B-Achsen-Gusskonstruktion seiner neuen 5-Achs-Maschine zum Werkzeugvoreinstellen und während unbeaufsichtigter Bearbeitungszyklen zur Werkzeugbruchkontrolle und Werkzeugverschleißverfolgung (für manche Anwendungen).

Challenge Machine in Blaine, Minnesota spezialisiert sich auf die Bearbeitung kleiner, komplexer Teile – manche extrem klein. Dies gelingt mit diverser Ausrüstung, darunter B-Achsen-Schweizer Drehmaschinen, VMCs mit Rundtischen für 4. und teils 5. Achse, sowie hochgeschwindige echte 5-Achs-Bearbeitungszentren.

Obwohl der Betrieb lange unbeaufsichtigte Bearbeitung mit seinen stangengespeisten Schweizer Typen realisieren konnte, erforderte bislang all seine Frästechnik manuelles Teileladen. Die neueste 5-Achs-Maschine verfügt jedoch über einen integrierten Werkstückspannen-Palettenwechsler und Hochkapazitäts-Automatischen Werkzeugwechsler (ATC), um tagsüber unbeaufsichtigt und nachts lichtaus zu laufen. Zudem vereinfachen CNC-Funktionalität kombiniert mit Tastroutinen die Programmierung, da Operationen basierend auf einem kinematischen Punkt erstellt werden, der ein Arbeitskoordinatensystem erzeugt.

Maschinist Brandon Gill ist Micro Pros primärer Programmierer, Einrichter und Bediener. Er schätzt Funktionen wie die Fähigkeit, Operationen basierend auf einem kinematischen Punkt/Arbeitskoordinatensystem mit Micro Pros Heidenhain TNC 640 CNC und Tastroutine zu programmieren, statt mit G54 oder G55 G-Code-Versätzen.

Die automatisierte 5-Achs-Maschine ist eine Micro Pro von Deutschlands Kern Microtechnik (in den USA als Kern Precision in Addison, Illinois bekannt). Aaron Schreiber, Challenge Machines General Manager, sagt, der Betrieb habe diese anspruchsvolle Maschinenplattform 15 Jahre in Betracht gezogen, eine, die er als keine kleine Investition einräumt. Doch man entschied sich Ende 2019 zum Kauf, da man Genauigkeits-, Wiederholbarkeits- und Oberflächenqualitätsprobleme bei einer wachsenden Zahl medizinischer Teile hatte, die der ISO 13485-zertifizierte Betrieb auf einigen 5-Achs-Rundtischmaschinen lief. Zudem erleichtern Funktionen wie Kühlkanäle im gesamten Maschinenkörper, die thermisches Wachstum mindern, zuverlässige Bearbeitung komplexer Teile mit typischerweise langen Zykluszeiten. Dies, zusätzlich zu anderen Maschinenfähigkeiten, gibt dem Betrieb das Vertrauen, sie für Tage oder sogar Wochen allein laufen zu lassen.

Laufen lassen

Jim Betland gründete Challenge Machine 1999 in seinem Keller. Früh war ein großer Teil des Geschäfts Mikrobearbeitung für die Halbleiterindustrie. Der Betrieb, kürzlich von Assurance Manufacturing in Minneapolis übernommen, fokussiert sich weiterhin auf kleine Teile. (Ich rede von Teilgröße und wichtigen Mikrobearbeitungsdetails.) Schreiber sagt, der Umsatz ist dieses Jahr um 15 % gestiegen, da der Betrieb seinen Fokus auf den Medizinmarkt erhöht und auch Luftfahrtarbeit anvisiert.

Laut Kern erreicht die Micro Pro – mit hydrostatischen Führungen, Linearantrieben und einteiligem Gussbett aus ultrahochleistungsfähigem Beton (UHPC) – besser als 2 µm Positioniergenauigkeit und besser als 1 µm Wiederholbarkeit. Sie wurde für Kleinteilebearbeitung konzipiert, bietet XYZ-Verfahrwege von 350 × 220 × 250 mm, während ihre schwenkbare B-Achse 220 Grad rotiert. Schreiber merkt an, dass der kleine Footprint von 4 m² (43 sq ft) geschätzt wird, da Werkstattfläche in der 1.500 m² (16.000 sq ft) großen, klimatisierten Anlage derzeit knapp ist. (Er sagt, das ist ein Grund, warum der Betrieb wahrscheinlich in den kommenden Jahren umzieht.)

Schneidwerkzeuge und Werkstückpaletten werden an der Maschinen Seite gelagert. Diese Maschine fasst 30 Werkstückpaletten und 109 Werkzeuge. Das kleinste Werkzeug, das der Betrieb auf der Micro Pro (mit 43.000 U/min HSK 40 Spindel) nutzte, war 0,003 Zoll (0,076 mm) im Durchmesser.

Challenge Machines Micro Pro nutzt ein Erowa Nullpunkt-Spannsystem mit Kraftspannfutter, das wiederholbare Positioniergenauigkeit unter 0,0001 Zoll (0,0025 mm) bietet. Die Maschine kann 30 Paletten und 109 Werkzeughalter in ihren geschlossenen, mehrstufigen Regalen an einer Seite speichern. Der integrierte Werkstückwechsler liefert Paletten mit Rohmaterial (häufig Rundmaterial in Spannzangen bei Challenge Machine) automatisch zum Spannfutter und entfernt und lagert Paletten, sobald Teile fertig sind.

Die Werkstück- und Werkzeugspeicherkapazität bietet dem Betrieb Vielseitigkeit bei den Auftragstypen. Beispielsweise kann redundantes Werkzeug geladen werden, wenn Losgrößen gleicher oder ähnlicher Teile hoch sind. (Schreiber sagt, Losgrößen für diese Maschine liegen typischerweise bei 100 bis 300 Stück.) Umgekehrt können auch diverse verschiedene Werkzeuge (und Paletten mit Rohmaterial) geladen werden, um einen Mix aus Kleinserienaufträgen parallel zu fahren.

Der integrierte Werkstückwechsler liefert Paletten mit Material (häufig Rundmaterial in Spannzangen) automatisch zum Arbeitstisch und entfernt Paletten nach Fertigstellung. Ein Erowa Nullpunkt-Spannsystem mit Kraftspannfutter bietet wiederholbare Positioniergenauigkeit unter 0,003 mm.

Obwohl Losgrößen für diese Maschine scheinbar niedrig sind (viel Arbeit sind Prototypen und Kleinserien), sind Teilezykluszeiten oft hoch. Sie läuft manchmal 3 Wochen am Stück unbeaufsichtigt, und 3-Stunden-Zykluszeiten sind nicht unüblich. Beispielsweise fertigt die Micro Pro eine Titan-Medizinkomponente für Aortenklappenreparatur mit 0,014 Zoll (0,35 mm) Wandstärke aus 1,25 Zoll (31,75 mm) Stangenmaterial, wobei 97 % des Materials entfernt werden.

Für solche Anwendungen und Impeller für Blutpumpen ist volles 5-Achs-Konturieren erforderlich. Der Betrieb profitiert aber auch von 3+2 Positionieroperationen für prismatischere Teile, statt sie über mehrere Maschinen oder Mehrfachaufspannungen zu führen.

Für weiteres Vertrauen in unbeaufsichtigten Betrieb nutzt Challenge Machine den Blum-Novotest Lasertaster, der an der Seite der schwenkbaren B-Achsen-Gusskonstruktion montiert ist, für Werkzeugvoreinstellung und während unbeaufsichtigter Zyklen zur Werkzeugbruchkontrolle und Verschleißverfolgung (für manche Anwendungen).

Maschinist Brandon Gill ist der Micro Pros primäre Programmierer, Einrichter und Bediener. Er sagt, eine kleine Herausforderung war die Vertrautheit mit der Heidenhain TNC 640 CNC (der ersten dieser Marke im Betrieb), was aber nur Frage der Interface-Gewöhnung und des Zugriffs auf spezifische Funktionen war. Er schätzt Funktionen wie die Programmierung basierend auf einem kinematischen Punkt/Arbeitskoordinatensystem mit der TNC 640 CNC, statt mit G54/G55 G-Code-Versätzen. Der Betrieb nutzt GibbsCAM für Teilerprogramme dieser Maschine wie für andere Fräsmaschinen.

Tatsächlich merkt Gill an, dass Fähigkeiten wie diese die Micro Pro zu seiner bevorzugten Maschine für Programmierung und Bedienung machen.

Schweizer Maschine als 5-Achs-Maschine betrachten

Dieses komplexe Medizinteil führte Challenge Machine zur Betrachtung seiner ersten Schweizer Drehmaschine, einer mit programmierbarer, schwenkbarer B-Achse und Lebendwerkzeugstationen. Das gewählte Modell war eine Marubeni Citizen-Cincom L220, gekauft 2015. Der Betrieb lief das implantierbare, medizinische Polyetheretherketon (PEEK) Teil für Knieersatz über zwei CNC-Maschinen. Eine 5-Achs-Maschine fräste den Großteil (Zykluszeit 45 Min), eine 3-Achs-Maschine vollendete es (15 Min). Die L220 vollendete das Teil in 15 Minuten.

Der Betrieb entdeckte, dass Werkzeugstrategien für diese Maschinentypen Erfindungsgeist erfordern. Im Gegensatz zu CNC-Fräsmaschinen mit hochkapazitiven Werkzeugwechslern haben Schweizer Typen begrenzte Werkzeugstationen. Die L220 hat fünf Drehstationen, drei Querarbeitsstationen für die Hauptspindel, sechs Gegenstationen (drei lebend, drei statisch), acht Stationen am Hinterposten (vier lebend, vier statisch) und vier lebende Stationen am B-Achsen-Werkzeugposten. Es gibt schlicht nicht die Kapazität für Sonderwerkzeuge wie kundenspezifische Formwerkzeuge, wie man sie an einer Fräse nutzen könnte. Daher muss Challenge Machine kreativ sein, wie es Kugelfräser, Bohrbügel, Nutwerkzeuge etc. nutzt, um komplexe Merkmale zu erzeugen, wie die glockenförmige Innengeometrie am PEEK-Knieersatzteil.