Stewart-Haas Racing: Performance steigern, Kosten senken mit smarten Werkstattstrategien

KANNAPOLIS, NC – Wie die meisten Autohersteller sind NASCAR-Rennteams motiviert, Fahrzeugteile besser, günstiger und schneller herzustellen. Hunderte führender Fortune-500-Marken sind auf den markanten Fahrzeuglackierungen prominent präsent – Zeichen für anhaltend gesunde Investitionen in den Sport.

Dennoch herrscht Vorsicht bei jedem klugen Unternehmen: Rennteams suchen kreative Wege, Geld zu sparen – auch in ihren Werkstattoperationen. Ein Weg, den Stewart-Haas Racing geht: Einsatz von Dynamic-Motion-Werkzeugbahnen in ihrer Mastercam CAD/CAM-Software (CNC Software Inc., Tolland, CT).

Stewart-Haas Racing ist das titelgewinnende NASCAR-Team, gemeinsam im Besitz von Tony Stewart (dreifacher Monster Energy NASCAR Cup Series Champion) und Gene Haas (Gründer von Haas Automation, größter CNC-Werkzeugmaschinenbauer Nordamerikas).

Das Team stellt vier Fahrzeuge in der Monster Energy NASCAR Cup Series: #4 Ford Fusion (Kevin Harvick), #10 Ford Fusion (Aric Almirola), #14 Ford Fusion (Clint Bowyer), #41 Ford Fusion (Kurt Busch). Dazu ein Vollzeit-Eintrag in der NASCAR XFINITY Series (#00 Ford Mustang, Cole Custer) und ein Teilzeit-Eintrag (#98 Ford Mustang). Sitz in Kannapolis, NC: 200.000 ft² (18.580 m²) Facility, ca. 370 Mitarbeiter.

Ein sehr aktiver Bereich von 4.000 ft² (372 m²) ist der firmeneigene Maschinenbau. Stewart-Haas Racing verlagert zunehmend Teilefertigung, die zuvor outgesourct war, ins eigene Haus – für bessere Qualitätskontrolle, verbesserte Lieferzeiten und Schutz proprietärer Designs. Mehr Eigenfertigung führte zur Straffung des Maschinenparks (überwiegend Haas-Werkzeugmaschinen), der Fertigungsprozesse und -verfahren sowie der CNC-Teileprogrammierung – speziell mit den neuen Dynamic-Motion-Werkzeugbahnen.

Erklärung: Was sind Dynamic-Motion-Werkzeugbahnen?

Diese fortschrittlichen CAM-Werkzeugbahnen sind seit mehreren Mastercam-Versionen enthalten, wurden vor ca. 10 Jahren eingeführt, sind aber vielen in der Fertigung noch neu und werden kontinuierlich verbessert und in mehr Produktfeatures für Fräsen und Drehen integriert.

Kurzerklärt: Konventionelle CNC-Programme basieren auf geometrischen Grenzen. Das Werkzeug fährt in das Material und bewegt sich in eine Richtung, bis es auf eine Wand oder ein Hindernis trifft, dann ändert es die Richtung. Das Werkzeug deckt den gesamten vom Bauteilmodell vorgegebenen Bereich ab, schneidet was im Weg ist – manchmal Material, manchmal ineffizient Luft.

Dynamic-Motion-Werkzeugbahnen verhalten sich unkonventionell. Die Werkzeugbewegung folgt hochentwickelten Regeln, die sowohl den abzutragenden Materialbereich als auch den sich wandelnden Materialzustand während der Bearbeitungsphasen berücksichtigen. Proprietäre Algorithmen antizipieren den nächsten Schritt, wägen Alternativen ab und passen Vorschübe, Schnitttiefen und Bewegungen automatisch an die sich ändernden Materialbedingungen an.

Ziel: Material effizienter abtragen durch Kontrolle lateraler Kräfte zur Vermeidung von Hitzeentwicklung. Oft als „konstanter Spanquerschnitt bearbeiten“ bezeichnet – die gleichmäßigeren, sichereren Bewegungen (stets im Schnitt) entlasten Werkzeuge und Maschinen, erhöhen deren Lebensdauer.

„Die größte Transformation, die ich im letzten Jahr in unserer Werkstatt gesehen habe, ist die volle Adoption von Mastercams dynamischen Werkzeugbahnen“, sagt John Simmons, CNC-Werkstattleiter bei Stewart-Haas Racing. „Sie sind extrem leistungsfähig. Wir können komplette Teile direkt aus einem großen Rohling fertigen, statt kleinere Komponenten zu schweißen. Die dynamischen Bahnen geben uns viel mehr Werkzeugeingriff, reduzieren die Optimierung der Schruppbahnen und bringen uns schneller zu den Finish-Operationen.“

Geschwindigkeitszuwächse

Als Beispiel für den Tempozuwachs nennt Simmons eine Lenkzentrums-Verbindungskomponente – eines von vielen Teilen, die von Dynamic Motion profitieren. Das Lenkgestänge verbindet Lenkgetriebe und Räder, ein kritisches Bauteil. Auf einer Haas VF6 TR (Trunnion) 50-Taper-Vertikalfräsmaschine startet der Prozess mit einem massiven 150-lb (68 kg) Legierungsstahl-Rohling ca. 4″ × 5″ × 23,5″ (102 × 127 × 597 mm). Das Schruppen dauerte früher 12 Stunden, jetzt 7 Stunden durch „materialbewusste“ Werkzeugbahnen.

„Ich würde sagen, wir sind 60–75 % effizienter – nicht nur in der Schnittzeit, sondern auch signifikant höhere Werkzeugstandzeiten durch Dynamic Motion“, so Simmons.

Nachfolgende 3D-Konturfräsoperationen feinschleifen die kritischen Dimensionen. Toleranzen, Finish-Geometrie und Teilegewicht bleiben aus Wettbewerbsgründen unveröffentlicht. Simmons nennt die Hauptursachen für den Effizienzsprung im Schruppprozess:

• Minimale Schnitttiefen (Schrittüberdeckungen) zur Vermeidung von Hitzeaufbau und übermäßigen Querkräften
• Glatte Bewegungen, die Werkzeug- und Maschinenstressen mindern
• Hohe Spindeldrehzahlen
• Maximaler Schneideneingriff für maximale Spanabfuhr
• Kontinuierlicher Materialeingriff (Gleichlauffräsen) minimiert Luftschnitte
• Dynamische Anpassung der Schrittüberdeckungen für konstanten Werkzeuglast
• Werkzeugeintrittsstrategien, die das Werkzeug im sichersten Winkel ans Material bringen
• Material-„Bewusstsein“: hält das Werkzeug in konsistenter, sicherer Schneidkondition unabhängig von Konturgeometrie (modifiziert Pfad für gleichmäßige Spangröße)
• Mikro-Anhebungen: Werkzeug hebt sich vom Bauteilboden oder von Wänden ab, damit sich keine Hitze aufbaut bei Drehzahlanpassungen während Repositionierung

„Komplexe Technologie“ meistern

Neben der schwerlastigen Haas VF6 TR VMC umfasst der Haas-Maschinenpark 14 weitere Werkzeugmaschinen. Haas CNC-Drehzentren mit angetriebenen Frässpindeln waren die neuesten Zugänge – hauptsächlich Drehteile, die früher outgesourct waren, werden nun im Haus gefertigt. Neben der Bearbeitung verfügt der Werkstattbereich über eine voll ausgestattete Qualitätskontrolle, die jedes Teil sorgfältig prüft.

„Je mehr komplexe Technologie in unserer Werkstatt allgegenwärtig wird, desto wichtiger ist der Support unserer diversen Lieferanten“, sagt Simmons. „Es geht um mehr als nur Technologie zu haben – wir wollen das Maximum aus unseren Investitionen herausholen, um letztlich Geld zu sparen, Effizienz zu steigern und wettbewerbsfähige Fahrzeuge zu bauen.

Die Evolution zum dynamischen Werkzeugbahn-Denken, obwohl es sich für die Vorteile lohnt, kann tricky zu navigieren sein. Man muss bedenken: Ich war fast 15 Jahre CNC-Programmierer. Der Knoten platzte viel schneller mit Unterstützung von CNC Softwares Applikationsingenieuren und unserem lokalen Händler Barefoot CNC.“

Redaktionell bearbeitet von Motorized Vehicle Yearbook Editor Bill Koenig basierend auf Informationen von CNC Software.