Spanende Fertigung

Verfahrensintegration macht Fräsmaschine zu hybridem Bearbeitungszentrum

21.08.2008 | Autor / Redakteur: Chris-Jörg Rosen, Christian Brecher, Tobias Breitbach, Andreas Karlberger / Frank Fladerer

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Basis für das hybride Produktionssystem ist eine Fräsmaschine in Fahrständerbauweise. Das System ist zusätzlich mit zwei Dreh-Schwenktischen, einem Sechs-Achs-Knickarmroboter sowie zwei Laserbearbeitungseinheiten ausgerüstet. Bilder: Fraunhofer IPT

Im globalen Wettbewerb unterliegen moderne Produktionssysteme – insbesondere in Hochlohnländern – wachsenden Anforderungen hinsichtlich Flexibilität, Leistungsfähigkeit und Produktivität. Um dabei einen Wettbewerbsvorteil zu sichern, müssen zu entwickelnde Maschinensysteme optimal an das Spektrum der Bearbeitungsaufgaben angepasst werden. Ein Weg dazu ist Verfahrensintegration.

Dieser Beitrag zeigt die Potenziale der Funktionsintegration für die Klein- und Mittelserienfertigung an einem Bearbeitungszentrum für Fräsoperationen auf, das um die Lasertechnologien Auftragschweißen, Härten und Abtragen/Strukturieren erweitert wird. Anwendungsbeispiele für dieses Technologieportfolio reichen von individuellen Spritzgießwerkzeugen aus verschleißfesten Werkzeugstählen bis hin zu Kleinserien anspruchsvoller medizinischer Implantatbauteile aus Titanlegierungen oder CrCo-(Chrom-Kobalt-)Stählen.

Die Laserprozesse und das Werkstückhandling werden teilweise über einen Roboter realisiert, der mechanisch und steuerungstechnisch vollständig in die Werkzeugmaschine integriert wird. Auf diese Weise können mit dem Maschinensystem komplette hybride Fertigungsfolgen in einer Aufspannung durchgeführt werden.

Grundlage ist Fräsmaschine in Fahrständerbauweise

Das hybride Maschinensystem basiert auf einem Fräsbearbeitungszentrum in Fahrständerbauweise, ausgerüstet mit zwei Dreh-Schwenktischen, einem Sechs-Achs-Knickarmroboter sowie aus zwei Laserbearbeitungseinheiten, die von einer hauptsächlich kontinuierlich betriebenen Hochleistungslaserquelle zum Härten und Auftragschweißen sowie einer gepulst betriebenen Laserquelle geringerer, mittlerer Leistung zum Strukturieren versorgt werden. Weil Härten und Auftragschweißen nicht die hohe Genauigkeit der Werkzeugmaschine erfordern, kann ein entsprechend bauraumminimaler Knickarmroboter integriert werden, wodurch eine erheblich effizientere Nutzung des Gesamtmaschinensystems gewährleistet wird.

Die Schnittstelle zwischen Bearbeitungseinheiten und Energiekette ist nicht trennbar, weshalb die gesamte Medienversorgung über ein permanent an der jeweiligen Bearbeitungseinheit angeschlossenes Schlauchpaket erfolgen muss. Letzteres dient ferner der mechanischen Entlastung der optischen Faser. Zu der Medienversorgung gehören außer den Lichtleitfasern zwei Drahtzuführsysteme, Kühlwasserversorgung, Prozessgasleitungen und Signalkabel.

Als Schlauchpaket werden diese über schwenkbare Arme oberhalb der Werkzeugmaschine mit vertikaler Anbindung an die Bearbeitungseinheiten zugeführt. Die Zuführungsarme sorgen hierbei einerseits für einen stets senkrechten Verlauf des Schlauchpakets im Arbeitsraum und andererseits für konstante und definierte Verläufe von Lichtleitfaser und Drahtfördersystem. Die mechanischen Wechselwirkungen zwischen Zuführarmen, Maschinenstruktur und Roboter werden durch eine dynamische Strukturoptimierung minimiert.