Im Werkzeug- und Formenbau führt kein Weg am 5-Achsen-Fräsen vorbei. So sieht es jedenfalls der unabhängige Werkzeugbauer Meissner aus Biedenkopf-Wallau/Lahn. Für den erfolgreichen Einsatz dieser Technologie muss allerdings die Unternehmensstruktur passen, die richtigen Maschinen in der Halle stehen und eine Software verwendet werden, die das Programmieren schnell und sicher macht. Das Unternehmen baut im Wesentlichen Werkzeuge für die Automobilindustrie. Sie gliedern sich in drei Gruppen: in Werkzeuge zum Gießen von Motorblöcken, Zylinderköpfen und anderen Gussteilen, in Werkzeuge zum Blasformen vornehmlich zur Herstellung von Kraftstoffbehältern und Einfüllrohren sowie in Werkzeuge zur Produktion von Fahrzeug-Auskleidungsteilen aus verschiedenen Materialien. Neben der Konstruktions- und Entwicklungsabteilung hebt der Vorstandsvorsitzende Tilman Löffelholz die Bedeutung der mechanischen Fertigung hervor. Seiner Aussage nach stecken hier rund 80 Prozent der Investitionen. Denn dort kann man durch ein Optimieren die meisten Vorteile erzielen.

Wesentlicher Bestandteil dieser Optimierung ist die Ausrichtung aufs 5-Achsen-Fräsen. Bereits 14 von 26 Fräsmaschinen eignen sich für das simultane 5-achsige Zerspanen. Für Löffelholz hat dies vor allem wirtschaftliche Gründe: „Wir erreichen in der Gesamtbetrachtung, das heißt vom Programmieren bis zum fertigen Teil, in den meisten Fällen kürzere Durchlaufzeiten und geringere Stückkosten als bei 3-achsiger Bearbeitung.“

Dass sich die Durchlaufzeiten verkürzen, liegt unter anderem am Wegfall einiger Arbeitsschritte, wie zum Beispiel dem Umspannen. „Auf das Senkerodieren mit der dazugehörigen Elektrodenherstellung kann man ebenfalls verzichten, was eine enorme Einsparung bedeutet“, so Löffelholz. Als weiteren Vorteil nennt er bessere Oberflächen und Maßhaltigkeit. Dies hat seine Ursache darin, dass man beim 5-Achsen-Fräsen durch das Anstellen des Werkzeugs große Auskraglängen vermeiden kann. Kürzere Werkzeuge wirken sich positiv auf Schnittwerte, Spanquerschnitte und Werkzeugabdrängung aus. Auch die Vibrationen an der Werkzeugschneide sind geringer, sodass sich kleinere Fräserdurchmesser einsetzen lassen, bei denen weniger Restmaterial stehen bleibt, das sonst in zusätzlichen Arbeitsschritten entfernt werden müsste.

5-Achsen-Bearbeitung schafft Wettbewerbsvorteile

Die komplexe Geometrie eines Formwerkzeugs für Sandkerne zum Gießen eines PKW-Motorblocks wird zum Beispiel zu großen Teilen durch 5-Achsen-Fräsen gefertigt. Zum Vorschlichten und Schlichten genügen hierbei oft vier bis sechs Werkzeuge, beispielsweise ein Fräser D16 für die ebenen Bereiche und Kugelfräser D8, D6 sowie D4 bis D1 für die Kontur. Dreiachsig gefräst, wäre die Werkzeuganzahl etwa doppelt so hoch. Beeindruckend sind die niedrigeren Werkzeugkosten, die sich folgendermaßen begründen lassen: Durch die geringeren Vibrationen an der Werkzeugschneide erhöhen sich die Standzeiten. Der geringere Werkzeugverschleiß und die reduzierte Zahl der Werkzeuge bewirken, dass die Werkzeugkosten im Vergleich zum früheren 3-Achsen-Fräsen bei dem Formwerkzeug für Sandguss aus dem Beispiel auf etwa die Hälfte gesunken sind.

Ein häufig genanntes Argument gegen die fünfachsige Bearbeitungsweise sind die komplexen Bewegungen, die sich mit den Augen kaum nachvollziehen lassen. Sie würden eine äußerst schwierige Programmierung erfordern, so die landläufige Meinung. Doch Thorsten Koch, Gruppenleiter CAM bei Meissner, entgegnet: „Das Programmieren ist nicht aufwändiger als beim 3-Achsen-Fräsen. Zumindest dann nicht, wenn man das richtige Programmiersystem einsetzt.“

Der Werkzeugbauer verwendet seit 1996 das CAD/CAM-System WorkNC von Sescoi. Ihn überzeugen die einfache Handhabung des Systems und die hohe Prozesssicherheit durch kollisionsfreie Fräsbahnen. Mittlerweile sind es 16 Lizenzen, davon neun für die 5-Achsen-Bearbeitung. Zusätzlich nutzt das Werkzeugbau-Unternehmen 16 Lizenzen für den zugehörigen Viewer. Der für den Fertigungsbereich verantwortliche Reinhard Hackler erläutert: „Wir haben an allen Maschinen Laptops aufgestellt, auf denen die Maschinenbediener den Viewer und damit die Bauteilzeichnungen samt Fräsbahnen aufrufen können. So können sie sich ein detailliertes Bild von der anstehenden Bearbeitung machen. Ein Bearbeitungsblatt und den Aufspannplan gibt es zwar noch immer, aber der Papieraufwand hat sich drastisch reduziert.“

Die Basis für die Programmierung wird in der Konstruktion gelegt. Dort setzt Meissner die CAD-Systeme Catia, Siemens NX (früher Unigraphics) und Pro Engineer ein. Die Übernahme der 3D-Daten in das CAD/CAM-System ist so bedienerfreundlich wie das Programmieren selbst. Dabei sind die Neuprogrammierungen laut CAM-Leiter Koch fast ausschließlich 5-achsig. Besonders hervorzuheben ist, dass das CAD/CAM-System aus existierenden 3-Achsen-Programmen automatisch 5-Achsen-Fräsbahnen generiert.

Das Programmieren leicht gemacht

Zur Umwandlung genügt es, die gewünschte Werkzeuglänge und den Halter einzugeben. Dann rechnet die Software automatisch so um, dass eine kollisionsfreie 5-achsige Fräsbahn entsteht. Hierbei wird die Maschinenkinematik berücksichtigt, da alle Maschinen in ihren Dreh- und Schwenkwinkeln begrenzt sind. Auch praxisnahe Funktionen, wie Check & Go, sind hilfreich. Diese dient dazu, die Verfahrbewegung der jeweiligen Maschine unter Berücksichtigung der berechneten Fräsbahnen sowie der Positionierung des Teils auf dem Tisch zu überprüfen und darzustellen. Sowohl die Achsanstellungen der 3+2-achsigen wie 5-achsigen Bearbeitung als auch die Maschinenkinematik werden auf Verlassen des Verfahrbereichs geprüft. Würde eine Endschalterposition erreicht werden, was ein unerwünschtes Umspannen des Werkstücks zur Folge hätte, kann sich der Anwender automatisch eine andere, optimale Positionierung des Werkstücks berechnen lassen.

Neue Soft- und Hardware beschleunigt Rechenprozess

Mit der Visualisierung lassen sich ohne weitere Programme 3-, 3+2 oder 5-Achsen-Fräsbahnen zusammen mit der Kinematik der Maschine sichtbar machen. Die Simulation findet zwischen Fräsbahnberechnung und Postprozessorlauf statt. Zudem kennzeichnet sie mögliche Kollisionen zwischen den verschiedenen beweglichen Elementen. Die Werkstatt-Verantwortlichen sind sich einig: „Gerade bei komplexen Fräsprogrammen gibt uns die Simulation Sicherheit.“ Zu Bedenken ist aber, dass 5-Achsen-Programme mächtig sind und Berechnungen dauern können. Darum ist es unerlässlich, soft- und hardwaretechnisch auf dem aktuellen Stand zu sein.“ Der Werkzeugbauer setzt daher die neueste Version V21 ein, die es auch als 64-Bit-System gibt. Da man die Software, die auch Parallelberechnung beherrscht, auf einem leistungsstarken PC mit vier oder acht Kernen betreibt, ist das Programmieren zeiteffizient.

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Wolfgang Klingauf