Bearbeitungszentren

Annina Schopen,

Große Teile, große Herausforderungen

Es hat die Automobilproduktion revolutioniert: Beim Giga- oder Mega-Casting werden große Strukturbauteile im Automobilbau in einem Stück im Druckguss hergestellt – eine Herausforderung nicht nur für Druckgießer. Auch die Zerspanung von Gigabauteilen erfordert spezielle Lösungen, die das Unternehmen Schwäbische Werkzeugmaschinen aufzeigt.

Um Bearbeitungsgeschwindigkeit auch für größere Werkstücke zu erreichen, hat SW bereits 2021 die BA space3 auf den Markt gebracht. © Schwäbische Werkzeugmaschinen

Nach dem Erfolg von Tesla ziehen Unternehmen wie Volvo nach: Beim Giga- oder Mega-Casting werden Strukturbauteile wie der Unterboden eines Autos nicht mehr aus vielen Einzelteilen zusammengeschweißt, -geklebt oder -geschraubt, sondern in einem Stück gegossen. Dies führt zu einer maximalen Reduzierung der produzierten Bauteile und zu einem Wegfall der meisten Fügeoperationen im Produktionsprozess. Hieraus ergeben sich Einsparungen in der gesamten Produktionskette. Zudem sollen Gigabauteile das Fahrzeuggewicht reduzieren, was vor allem im Bereich der Elektromobilität gefragt ist: Weniger Gewicht bedeutet eine höhere Energieeffizienz und damit eine größere Reichweite der Fahrzeuge.

In der Produktion gibt es allerdings komplexe Anforderungen – angefangen bei den riesigen Gießformen und deren Temperierung über den Gießprozess selbst bis hin zur anschließenden Abkühlung und dem damit verbundenen Bauteilverzug. Auch nach erfolgreichem Druckguss bleiben Gigabauteile anspruchsvolle Komponenten, wie Produktmanager Michael Kreuzberger vom Unternehmen Schwäbische Werkzeugmaschinen (SW) betont: "Bisher konzentrierte sich die Diskussion um das Giga-Casting vor allem auf den Druckgussprozess selbst. Damit ist das Giga-Casting jedoch bei Weitem noch nicht abgeschlossen. Auch die spanende Bearbeitung solcher Großgussbauteile birgt einige Herausforderungen, die es zu berücksichtigen gilt."

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Große Maschinen, hoher Platzbedarf

Während einige Unternehmen für den Druckguss bereits spezielle Großmaschinen wie die Gigapress von Tesla für den Druckguss entwickelt haben, sieht die Realität bei der CNC-Nachbearbeitung anders aus: Sie erfolgt häufig noch auf Portalfräsmaschinen aus dem Großteilebau. "Für herkömmliche CNC-Bearbeitungszentren sind die Bauteile aus dem Bereich der Giga-Castings einfach viel zu groß, der Platz in der Maschine reicht nicht aus", erklärt Kreuzberger. "Die Anlagen aus dem Großteilebau andererseits sind eigentlich zu groß und vor allem zu träge: Eine effiziente Bearbeitung ist auf diesen einspindligen Portalfräsmaschinen kaum möglich, die Bearbeitungszeiten sind zu lang, und die Be- und Entladung ist zu zeitaufwendig."

Die Unternehmen stehen also einerseits vor enormen Platzproblemen: Allein die Druckgussmaschinen, die für das Giga-Casting benötigt werden, haben die Größe eines Hauses. Kommen dann noch riesige Portalfräsmaschinen hinzu, stoßen viele Produktionshallen schnell an ihre Grenzen. Nur wenige Unternehmen haben die Möglichkeit, wie Tesla eine neue Produktionshalle in entsprechender Größe auf die grüne Wiese zu stellen.

Taktzeiten werden Automotive- Ansprüchen nicht gerecht

Selbst wenn genügend Platz für große Portalfräsmaschinen vorhanden ist, werden die Bearbeitungszeiten solcher Maschinen im schnellgetakteten Automobilbau zum Problem, da die Maschinen üblicherweise über Kugelgewindetriebe angetrieben werden. Kreuzberger erklärt: "Grundsätzlich sind bei der Aluminiumbearbeitung die Nebenzeiten deutlich höher als die reinen Bearbeitungszeiten. Je größer die Werkstücke, desto längere Wege müssen auch die Vorschubachsen zurücklegen, und desto mehr Nebenzeiten entstehen zum Beispiel beim Werkzeugwechsel." Kugelgewindetriebe arbeiten mit geringeren Beschleunigungen und Geschwindigkeiten, was zu noch längeren Nebenzeiten führt. Maschinen aus dem Bereich der Großteilefertigung können deshalb üblicherweise nicht die Taktzahlen liefern, die im anspruchsvollen Automobilbereich benötigt werden. Die Aufgabe ist aber, bei der Bearbeitung von Gigabauteilen die gleichen Geschwindigkeiten zu erreichen, wie sie heute in der Automobilindustrie üblich sind.

Eine weitere Herausforderung ist die Empfindlichkeit der Bauteile: Da beim Druckgießen Spannungen im Werkstück entstehen, sind großvolumige Gussteile anfällig für Verzug. Hinzu kommt, dass gerade bei Elektroautos die Wandstärken der Bauteile möglichst dünn sein müssen, um Gewicht zu sparen. Auch dadurch verziehen sich die Werkstücke leichter. "Die Präzision der Maschine ist nicht das Problem, denn sowohl große Portalfräsmaschinen als auch kleinere Bearbeitungszentren können die geforderten Genauigkeiten problemlos erreichen", erklärt Kreuzberger. "Viel wichtiger ist, dass die Spannvorrichtung im Bearbeitungszentrum und die Greifertechnik der Automation optimal auf das Werkstück abgestimmt sind, um ein Verspannen während der Bearbeitung zu vermeiden."

Höhere Geschwindigkeit dank Linearmotor

Eine Lösung für die Sensibilität der Gigabauteile bei der Bearbeitung: "Die Spannvorrichtung wird speziell für das jeweilige Bauteil passgenau entwickelt. Wichtig ist eine gute Beratung und Zusammenarbeit mit dem jeweiligen Hersteller", sagt Kreuzberger. "Wir haben bei SW eine eigene Abteilung, die sich ausschließlich darum kümmert, in enger Absprache mit unseren Kunden eine optimale Abstimmung zwischen Spannvorrichtung und Werkstück zu gewährleisten."

Schwieriger wird es bei den geforderten Taktzahlen. Hier sind geeignete Maschinen mit hoher Dynamik gefragt, die genügend Platz für die Gigabauteile haben. In jedem Fall sollten Anwender auf Anlagen mit Linearmotoren setzen: Der Direktantrieb eines Linearmotors erzeugt die gewünschten Bewegungen ohne mechanische Übertragungselemente. Dadurch erreicht er maximale Beschleunigungen und höchste Verfahrgeschwindigkeiten. Zudem arbeitet er verschleißfrei. "Die schnellsten CNC-Maschinen auf dem Markt arbeiten alle mit Linearmotoren und Torque-Motoren, auch die meisten unserer eigenen Maschinen", so Kreuzberger. "Außerdem setzen wir auf einen gewichtsoptimierten Aufbau. Damit reduzieren wir die Nebenzeiten und minimieren die Taktzeiten: Unsere Bearbeitungszentren erreichen Beschleunigungswerte von über 2 g und Eilganggeschwindigkeiten von 120 Meter pro Minute." Um genau diese Geschwindigkeit auch für größere Werkstücke nutzbar zu machen, hat SW bereits 2021 die BA space3 auf den Markt gebracht. Diese Maschine verbindet hohe Taktzahlen mit dem Platz für Großgussteile. Noch mehr Geschwindigkeit erreichen die Anwender nur mit Mehrspindlern.

Neue Maschine setzt auf Mehrspindligkeit

SW arbeitet bereits an einer Maschine, die den Zweispindler in die Space-Baureihe einführen soll. Die beiden Spindeln werden völlig unabhängig voneinander arbeiten. Dazu verwendet SW zwei autonome Dreiachseinheiten, um maximale Flexibilität bei unterschiedlichen Bauteilen zu ermöglichen. Bei Bauteilen mittlerer Größe können beide Spindeln wie gewohnt parallel jeweils ein Bauteil bearbeiten. Bei großen Bauteilen hingegen, bei denen nur ein Werkstück in die Maschine passt, können beide Spindeln gleichzeitig an einem Werkstück arbeiten und unabhängig voneinander die Werkzeuge wechseln. Die hauptzeitparallele Beladung über einen Doppelschwenkträger sorgt für eine weitere Taktzeitreduzierung.

Dieser Artikel erschien in der Ausgabe 12/23

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