Verbundwerkstoffe häufig als Composites bezeichnet sind ein gefragtes Konstruktionsmittel für leichte und zugleich hochfeste, dadurch Energie sparende, ergo Ressourcen schonende Produkte. Zu den Anwendern zählen die Automobil- und Luftfahrtindustrie, die von den speziellen Eigenschaften der Leichtbaumaterialien profitieren. Die Kombination aus mit etablierten Verfahren flexibel formbaren Kunststoffen und Carbon-, Glas- oder anderen Verstärkungsfasern stellt spezifische Anforderungen beim Umformen und Bearbeiten. Diese gilt es mit prozesssicheren, das heißt weitgehend automatisierten Lösungen zu erfüllen. Zu den Technologietreibern auf diesem Gebiet zählt Geiss aus Seßlach in Oberfranken. Seit bald 60 Jahren befasst sich das 1948 gegründete Unternehmen mit dem Vakuumformen von Kunststoffen.

Das Unternehmen hat schon mehrere technologische Meilensteine gesetzt: Unter anderem mit Maschinen für das sogenannte Twin-Sheet-Verfahren, einem speziellen Heizsystem mit einzeln ansteuerbaren Heizstrahlern und schnell reagierenden Halogenstrahlern. Daneben hat man ein Komplettprogramm für die Kunststoffverarbeitung aufgebaut, mit maßgeschneiderten Lösungen für die CNC-gesteuerte (5-Achs-)Bearbeitung, je nach Material und Anwendung mit Fräsern, Ultraschall- oder Lasersystemen. Vervollständigt wird das Spektrum durch einen Modell- und Werkzeugbau – nicht nur für das Vakuumformen.

Nahtloser Übergang beim Umformen

Ein Faktor für die anerkannte Kompetenz des Unternehmens ist der Erfahrungsschatz aus der Ver- und Bearbeitung unterschiedlichster Materialien für Endkunden aus allen Branchen. So vergeht kaum eine Woche, in der Geiss nicht mindestens Materialtests für Kunden oder für die eigene Weiterentwicklung durchführt. Immer häufiger auch mit Composites, auch im erweiterten Wortsinn, wie zum Beispiel mit Verbundmaterialien aus Schäumen und faserverstärkten Decklagen. So kann der Maschinenbauer für das Gros der derzeit verfügbaren Materialien fundierte Aussagen zur Ver- und Bearbeitbarkeit treffen.

„Der wesentliche Unterschied zum Beispiel beim Verformen von Organoblech, einem gängigen Composite-Material, ist, dass dieses nicht wie unverstärkte Kunststoffe verformt werden kann, sondern in die Form/Kavität nachfließen können muss, um die Fasern nicht zu strecken“, erklärt Klaus-Peter Welsch, Leiter Verkauf und IT bei Geiss. „Mit einem speziellen Insert-Spannrahmen im eigentlichen Spannrahmen haben wir diese Anforderung reproduzierbar umgesetzt.“ Was die Presskräfte anbelangt, so hat diese Technologie den Vorteil, dass das Material nicht in einer externen Vorwärmstation aufgeheizt und dann erst in die Presse eingelegt wird. Organo-blech kühlt schnell ab, sodass es im herkömmlichen Prozess überhitzt werden muss und zusätzlich echte Pressen mit hohen Kräften erfordert. Durch das interne Aufheizen sind die erforderlichen Presskräfte wesentlich niedriger, damit ist der Prozess auf servomotorischen Maschinen problemlos beherrschbar.

Seit Anfang der 1980er Jahre baut das Unternehmen auch 5-Achs-CNC-Bearbeitungszentren. Anfangs waren diese ausschließlich für die Kunststoffbearbeitung ausgelegt, danach auch für Hartschäume und Aluminium, um den Formenbau bedienen zu können. Seither sind die parametrisch konstruierten, das heißt ohne großen Aufwand für praktisch beliebige Werkstückgrößen individualisierbaren Maschinen auch steif genug für höhere Bearbeitungskräfte. Um auch Weich-thermoplaste und Werkstoffe wie Leder bearbeiten zu können, wurde das Ultraschallschneiden ins Programm aufgenommen. 2005 folgte schließlich die erste Laserschneideinheit. Wenn es die Bauteile erfordern, können auch zwei verschiedene Bearbeitungssysteme parallel nebeneinander betrieben werden (zweite Z-Achse). So entstand ein modularer Systembaukasten, der für praktisch alle Bearbeitungsaufgaben eine wirtschaftliche Lösung bietet.

Möglichkeiten und Grenzen gemeinsam untersucht

In Zusammenarbeit mit führenden Herstellern auf anderen Gebieten, suchen die Oberfranken gezielt nach Lösungen. So gibt es Kooperationen und/oder Entwicklungspartnerschaften mit Siemens Erlangen im Bereich Steuerungs- und Antriebstechnik, mit der Trumpf Laser- und Systemtechnik in Ditzingen bei Laserschneid-Systemen oder der Hufschmied Zerspanungssysteme in Bobingen bei Fräswerkzeugen. Jüngster Akt dieser interdisziplinären Zusammenarbeit ist eine gemeinsam mit Siemens auf Bearbeitungszentren FZ ECO Plus durchgeführte, praxisorientierte Studie. Ziel ist die Untersuchung der Möglichkeiten und Prozessgrenzen der NC-gesteuerten Bearbeitungsverfahren Fräsen, Laser-, Ultraschall- und Wasserstrahlschneiden bei unterschiedlichen Verbundmaterialien und die Übertragung der Ergebnisse beim 2-D-Schneiden auf die dreidimensionale Bearbeitung.

Intention seitens Siemens war es, die Anforderungen der Composite-Bearbeitung an das für solche Anwendungen häufig eingesetzte eigene CNC-Steuerungs- und Antriebssystem Sinumerik 840D sl und Sinamics S120 zu erkennen und notwendige Funktionalitäten entwickeln oder optimieren zu können.

Bei Geiss in Seßlach wurden die trockenen Verfahren Fräsen, Ultraschall- und Laserschneiden untersucht, das Wasserstrahlschneiden bei Siemens. Letzteres lieferte zwar durchwegs gute Ergebnisse, eignet sich jedoch nur bedingt für dreidimensionale Anwendungen und wurden daher nicht weiter verfolgt. Ebenso das Ultraschallschneiden von Composites, wobei sich früh gezeigt hat, dass das Verfahren nicht für spröde, festere Materialien und nur bei geringen Materialdicken einsetzbar.

Lasern und Fräsen mit guten Ergebnissen

Ein erwiesener Vorteil der Bearbeitung per Laser ist die gute Qualität der Schnittkanten, insbesondere bei glasfaserverstärkten Composites, die durch das Lasern quasi kontrolliert verbrennen (duroplastisch) beziehungsweise verglasen (thermoplastisch) und dadurch keinerlei Ausfransungen zeigen. Ein vermeintlicher Nachteil sind auf den ersten Blick die höheren Anschaffungskosten für das Laseraggregat samt Absaugung. „Das relativiert sich jedoch, wenn man berücksichtigt, dass die Investitionskosten wie auch bei Werkzeugmaschinen – über einen Zeitraum von 10 Jahren betrachtet – lediglich ein Sechstel der Gesamtlebenskosten ausmachen“, so Klaus-Peter Welsch.

Der weitaus größere Anteil entfällt in der Regel auf die laufenden Energie-, Verbrauchs-, Reparatur- und Wartungskosten. Diesbezüglich gehört das Lasern zu den effizientesten Verfahren, da es keinen Werkzeugverschleiß und somit keine laufenden Werkzeugkosten gibt. Abgesehen davon ist die Lasertechnik sehr flexibel und man kann ohne große Umstellungen unterschiedlichste Materialien sehr schnell bearbeiten. Mit einem Laser sind auch haarfeine Einschnitte (Perforationen) und sogar Abtragungen in der Materialdicke möglich, idealerweise in einer Aufspannung. Die berührungslose Bearbeitung erfordert nur einfache, kostengünstig herstellbare Haltevorrichtungen (Auflagen). Die Teile sind sehr präzise und bedürfen in der Regel keiner oder nur geringer Nacharbeit, was sich direkt auf die Stückkosten auswirkt.

Mit den richtigen Werkzeugen und Einstellungen (Drehzahl, Schnittgeschwindigkeit, Vorschub) liefert auch das Fräsen gute bis sehr gute Ergebnisse, das heißt: präzise und saubere Schneidkanten, sowohl bei duroplastischen als auch thermoplastischen Verbundmaterialien. Die besten Fräsergebnisse wurden im Verlauf der Studie mit Schneidwerkzeugen der Firma Hufschmied erreicht.

Durchgängige Automatisierung aus einer Hand

Das Interesse von Siemens an der Studie erklärt sich, wenn man weiß, dass die Steuerung Sinumerik 840D sl in der Aufbautechnik des modularen Antriebssystems eine feste Größe an allen CNC-Bearbeitungszentren ist. Die Oberfranken setzen setzt seit Jahren auf die Offenheit, Flexibilität und Performance der Steuerung. Die Ansprüche erfüllt Geiss mit dem 5-Achs-Bearbeitungspaket für die Sinumerik, unter anderem mit Funktionen zur beliebigen Verschiebung, Drehung, Skalierung und Spiegelung des Koordinatensystems, für automatische, dynamische Vorschubregelung, vorausschauende Bewegungsführung Look-ahead, Datenkompression, programmierbare Konturgenauigkeit, räumliche Fräserlängen- und radiuskorrektur oder Splines. Sehr viel Hardware und Verdrahtungsaufwand ersparen die integrierten Sicherheitsfunktionen (Safety Integrated) der Sinumerik 840D sl. Geiss nennt exemplarisch den Totmanntaster, der gemäß CE-Richtlinie für einkanalige Steuerungen im Einrichtbetrieb vorgeschrieben ist und mit der zweikanaligen Steuerung nicht mehr nötig ist.

Mit den Sicherheitsfunktionen im CNC-System lassen sich Verfahrgeschwindigkeiten und Positionen einfach per Software sicher überwachen: gemäß DIN EN 61508 bis einschließlich SIL 2 (Safety Integrity Level) bzw. Kategorie 3 sowie PL d (Performance Level) nach DIN EN ISO 13849. Die Sinumerik ist zudem offen für die Anbindung an alle gängigen CAM-Systeme, wobei Geiss den Anwender auf Wunsch unterstützt.

Für die Zukunft gerüstet

„Mit unseren bewährten Maschinen, der langjährigen und vielfältigen Erfahrung sowie performanter Steuerungs- und Antriebstechnik sehen wir uns bestens vorbereitet für eine erfolgreiche Zukunft in der Composite-Bearbeitung“, so das Fazit von Klaus-Peter Welsch.

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Über den Autor

Jakob Einwag ist Vertriebsbeauftragter bei Siemens in Bayreuth. Jakob.einwag@siemens.com