Mit 5 Achsen zu maximaler Produktivität und Effizienz

Mitte der 1980er-Jahre gelang DECKEL MAHO in Pfronten mit dem Fräs- und Bohrzentrum MH 700 S der Durchbruch im Bereich gesteuerter fünfachsiger Operationen auf Fräsmaschinen. „Für die damalige Zeit bahnbrechende Entwicklungen waren die kontinuierlich geregelten Achsen in der Kopf- und Tischtechnik sowie adäquate Entwicklungen in der CNC-und CAM-Technik”, erinnert sich Alfred Geißler, Geschäftsführer der DECKEL MAHO Pfronten GmbH.

Schwenkkopf mit gesteuerter B-Achse war maßgebliche Entwicklung

Die Besonderheit der Maschine war die Kombination aus NC-Schwenkrundtisch, programmgesteuertem Wechsel von horizontaler zu vertikaler Spindelposition sowie einem Werkzeugwechsler mitsamt Magazin für bis zu 36 Werkzeuge. Damit war es möglich geworden, selbst komplexe Werkstücke mannlos durch Pausen hindurch und in die Nacht hinein komplett in einer Aufspannung fertig zu bearbeiten. „Voraussetzung für die verfahrenstechnische Umsetzung der 5-Achs-Technik war die Verfügbarkeit einer spielfreien Antriebstechnik in den Rundachsen sowie der Einsatz direkter Messsysteme sowohl in den Rund- als auch in den Linearachsen”, urteilt Geißler. Außerdem habe die 5-Achs-Bearbeitung hohe Anforderungen an die Rechenleistung von CNC-Steuerungen gestellt, die zuvor nicht erfüllt werden konnten.

Ein entscheidender Schritt auf dem weiteren Erfolgsweg der 5-Achs-Bearbeitung war die Entwicklung des Schwenkkopfs mit gesteuerter B-Achse. Er wurde Mitte der 1990er-Jahre in der P-Baureihe eingeführt und manifestierte die Vorreiterrolle des Unternehmens. „Die B-Achse mit unter 45° angeordneter Schwenkebene ermöglichte das simultane Fräsen in fünf Achsen mit hoher Stabilität durch die Bearbeitung im Achsendrehpunkt”, hebt Geißler die Bedeutung hervor. Unabhängig von der Richtung der einwirkenden Bearbeitungskräfte war somit jederzeit ein sehr gutes Fräsverhalten gegeben. Erst mit diesem Schwenkkopf ließ sich das gleichzeitige Fahren aller fünf Achsen realisieren, so dass nun auch Freiformflächen und zylindrisch oder sphärisch gewölbte Flächen ohne Rasterung zeitsparend gefräst werden konnten.

Allerdings schränkt der DMG-MORI-Manager durchaus ein, dass es beim überwiegenden Teil der 5-Achs-Aufgabenstellungen weniger um die 5-Achsen-Simultanbearbeitung von Freiformflächen geht, als vielmehr um das Positionieren im Raum. „Dies bedeutet, sobald ein Bohrer oder Fräser im geforderten Winkel zum Werkstück positioniert ist, erfolgt die eigentliche Bearbeitung mit maximal drei Achsen.”

Fertigen in einer Aufspannung mit erhöhter Genauigkeit

Den Trend zur Reduzierung der Bauteileanzahl, der zu einer wachsenden Komplexität der einzelnen Werkstücke geführt habe, nennt Geißler anschließend als Hauptmotiv für den Einsatz der 5-Achs-Technologie. „Und mit der Verfügbarkeit der 5-Achs-Bearbeitung und nachfolgend der 5-Achs- Simultanbearbeitung hat sich dieser Trend immens verstärkt. Es war also eine Wechselbeziehung von Markt und Technologie“, so Geißler. In der Folge führte dies dazu, dass mehrachsige Fräsoperationen, ausgehend vom Prototypenbau über Einsätze im Werkzeug- und Formenbau und speziell im Flugzeugbau, dann immer stärker auch in der Serienfertigung Einzug gehalten haben.

Der besondere Reiz der 5-Achs-Bearbeitung liegt im Fertigen in einer Aufspannung und in der damit einhergehenden Erhöhung der Genauigkeit. Denn jedes Umspannen von einer Maschine zur nächsten kostet Zeit und Geld und führt unweigerlich zu Genauigkeitsverlusten. Hinzu kommt, dass komplexe Bauteile, zum Beispiel mit Querbohrungen und Hinterschnitten, auf einer Drei-Achs-Maschine überhaupt nicht wirtschaftlich herstellbar sind.

Zudem verbessert die 5-Achsen-Bearbeitung die Oberflächenqualität und verkürzt die Fertigungszeit. Das wird am Beispiel einer schrägen Fläche deutlich: Müsste eine Drei-Achs-Maschine diese Fläche mit vielen kleinen Schnitten zerspanen, bietet das fünfachsige Positionieren die Möglichkeit, das Werkzeug im geforderten Winkel an diese Fläche zu bringen und in einem Durchgang das Material abzutragen. Mit fünf Achsen sind alle Positionen an einem Werkstück erreichbar. Außerdem lassen sich die Werkzeuge so effizienter einsetzen, indem durch ein Schrägstellen bei gleichem Vorschub größere Schneidenlängen realisierbar sind, was die Schnittkräfte reduziert.

Der Trend zur 5-Achs-Bearbeitung ist weiter ungebrochen

Die Vorteile sind also offensichtlich und haben auch die Anwender überzeugt. „Alleine DECKEL MAHO Pfronten hat bis heute gut 15.000
5-Achs-Maschinen im Markt platzieren können und großen Anteil am Status von DMG MORI als Technologie- und Weltmarktführer im 5-Achs-Bereich“, konstatiert Geißler.

Dabei ist der Trend zur 5-Achs-Bearbeitung ungebrochen. Und auch die Innovationsgeschwindigkeit von DMG MORI in diesem Bereich bleibt hoch, wie die diversen Entwicklungen im Bereich der duoBLOCK-Baureihen belegen. Jüngster Vertreter ist die DMC 125 U duoBLOCK^® 4. Generation mit schnellem Drehpalettenwechsler für hauptzeitparalleles Rüsten im Standard. Laut DMG MORI ist die Steifigkeit hier um 30 % erhöht worden. In gleichem Maße sei der Energieverbrauch gesenkt worden. „In der gesamten Peripherie der Maschine liegt enormes Potenzial, Energie zu sparen”, so Geißler. Erhebliche Einsparungen bringe ein effizientes Kühlaggregat mit Kaltwasserbeimischung anstelle eines permanent laufenden Geräts. Die Kühlschmierstoffpumpe werde zukünftig mit einem Drehzahlregler ausgestattet und verbrauche dadurch nur noch die für die Bearbeitung notwendige Energie.

Um die Flexibilität der 5-Achs-Fräsmaschine zu steigern und die Bearbeitungszeiten zu reduzieren, haben die Entwickler auch die B-Achse überarbeitet. Sie sei mit noch größeren Lagern ausgestattet, was die Steifigkeit um 20 % erhöhen soll. Außerdem sorge der innenliegende Kabelschlepp für eine geringere Störkontur.

Nach und nach werden zudem die DMU- und monoBLOCK^®-Maschinen standardmäßig mit der neuen speedMASTER-Spindel ausgestattet, die innerhalb der Kooperation entwickelt worden ist. Als Highlights nennt DMG MORI die hohe Zerspanleistung sowie die lange Lebensdauer und hohe Genauigkeit durch große Spindellager und eine optimierte Abdichtung gegen Kühlschmierstoff.

Und wie sieht der DECKEL MAHO-Geschäftsführer die Zukunft? „An der Wirkstelle zwischen Schneide und Werkstück bietet sich bei der klassischen 5- Achs-Bearbeitung für DMG MORI als Maschinenhersteller nur noch wenig Verbesserungspotenzial. Das Hauptaugenmerk liegt vielmehr auf dem Prozessumfeld.” Stichworte seien die aussagekräftige Simulation und Kollisionskontrolle sowie die Programmierung und Bedienung. Darüber hinaus arbeite das Unternehmen mit den Baureihen ULTRASONIC oder LASERTEC an der Kombination von Verfahren. Aktuelle Themen seien in diesem Zusammenhang das Laserstrukturieren oder die neue Hybridmaschine LASERTEC 65 3D für die additive Fertigung.