Maschinen-OEMs treffen den Moment

Sep 22, 2023

Künstliche Intelligenz und Automatisierung tragen zur Modernisierung der Zerspanung bei

Während sich die Fertigungswelt außerhalb der Maschinenwerkstatt verändert, müssen sich auch die Dinge im Inneren ändern. Daher tun Werkzeugmaschinenlieferanten ihr Möglichstes, um Werkstätten bei der Anpassung an die neuesten Produktionsanforderungen und wirtschaftlichen Überlegungen zu unterstützen. Diese Unternehmen modernisieren nicht nur die Technologie auf vielfältige Weise, sondern unterstützen ihre Kunden auch beim Übergang zu einer fortschrittlichen Automatisierung ihrer Bearbeitungsvorgänge.

Einige Werkzeugmaschinen-Upgrades sind das Ergebnis eines starken Drucks seitens der Benutzer. Laut Tim Thiessen, Vizepräsident für Vertrieb und Marketing bei Okuma America Corp., einem Werkzeugmaschinenhersteller in Charlotte, North Carolina, fordern beispielsweise Hersteller von Elektrofahrzeugen und andere reguläre Systeme mit höherer Spindelgeschwindigkeit und Leistung Steigen Sie in die (sehr hohe) Geschwindigkeitsbearbeitung ein – 35.000 U/min und mehr –, aber darüber spreche ich nicht“, sagte er. „Ich sage, dass der Sweet Spot innerhalb der Norm der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung sich nach oben bewegt.“

Während Okuma normalerweise Maschinen mit 75 PS und Spindelgeschwindigkeiten von bis zu 10.000 U/min anbietet, verlangen viele Kunden jetzt Spindeln mit 18.000 U/min und 100 oder 150 PS, bemerkte er. „Es wäre eine Sache, wenn wir das als Nischenanwendung betrachten würden, aber ich sehe, dass das in der Branche immer mehr zum Mainstream wird.“

Laut Thiessen wünschen sich Okuma-Kunden mehr Maschinenleistung, damit sie in Sekundenschnelle auf hohe Spindelgeschwindigkeiten beschleunigen können. Und sie wollen höhere Spindelgeschwindigkeiten, um die Vorschubgeschwindigkeit zu steigern und die Zykluszeiten zu verkürzen, normalerweise bei der Bearbeitung von Aluminium oder Titan, fügte er hinzu.

Die Zulieferer versuchen nicht nur, die Maschinen leistungsfähiger zu machen, sondern sie auch benutzerfreundlicher zu gestalten. Eine Möglichkeit besteht darin, die Konversationssteuerung zu integrieren, eine textbasierte Technologie, die es Benutzern ermöglicht, Programmierinformationen als Reaktion auf Elemente in einfachen Menüs einzugeben, die auf Steuerbildschirmen angezeigt werden.

Beispielsweise bietet DMG Mori USA Inc. in Hoffman Estates, Illinois, sogenannte Technologiezyklen an, eine Dialogsteuerungsoption, die die erweiterte Programmierung für Vorgänge wie Wälzschälen vereinfachen soll. Anstatt das erforderliche Programm offline zu erstellen, ermöglichen Technologiezyklen „die Eingabe komplexer Programmierzyklen an der Werkzeugmaschine“, sagte Gerald Owen, General Manager National Engineering bei DMG. Sie ermöglichten es den Betreibern auch, im Handumdrehen Anpassungen an Programmen vorzunehmen, fügte er hinzu.

DMG ist einer von mehreren Maschinenherstellern, die solche Funktionen anbieten. „Die Kombination und Vereinfachung bisher sehr hochwertiger Funktionen und die Bereitstellung einer einfacheren, einfacheren Schnittstelle dazu ist ein Trend in der gesamten Branche“, sagte Owen.

Weitere fortschrittliche Werkzeugmaschinenfunktionen nutzen Entwicklungen im viel diskutierten Bereich der künstlichen Intelligenz. Beispielsweise ist Smooth Ai Thermal Shield von Mazak Corp., Florence, Kentucky, in allen neueren Maschinen von Mazak enthalten, um thermische Verformungen von Maschinenkomponenten aufgrund von Temperaturschwankungen auszugleichen, die durch den Maschinenbetrieb oder die Umgebung verursacht werden. In der automatischen Version erfassen Sensoren kontinuierlich Temperaturdaten, die von einer Software gespeichert und analysiert werden, die aus den Daten lernt, um bei Bedarf Anpassungen der Prozessparameter vorzunehmen und zu verhindern, dass temperaturbedingte Änderungen in der Maschine die Teilequalität beeinträchtigen.

„Die Idee besteht darin, die Maschine während des gesamten Bearbeitungsprozesses stabil zu halten“, sagte Jared Leick, Produktgruppenmanager für Bearbeitungszentren bei Mazak. „Und das Ziel besteht darin, sicherzustellen, dass die Maschine nur einwandfreie Teile enthält.“

KI spielt auch eine Schlüsselrolle beim Betrieb der Funktion zur Überwachung des Spindelzustands von Mazak. Der Zweck dieser Funktion besteht darin, „zu verhindern, dass sich eine Spindel beim Schneiden festsetzt oder ausfällt“, sagte Leick. „Sie möchten nicht ein 10.000-Dollar-Teil schneiden und eine Spindel blockiert oder stoppt, sodass Sie das Teil verschrotten müssen.“

Die Spindelzustandsüberwachung wurde in Zusammenarbeit mit der University of Cincinnati Engineering School entwickelt und basiert auf Algorithmen, die die Vibrationen und Frequenzen laufender Spindellager mit Diagrammen vergleichen, die Vibrations- und Frequenzwerte zeigen, die durch Tests realer Spindeln ermittelt wurden. Das Entwicklungsteam zeichnete Daten auf, die von guten Spindeln, defekten Spindeln und Spindeln, die kurz vor dem Verschleiß standen, stammten.

„Die Idee besteht darin, Ihre Spindel in Echtzeit zu überwachen und bei Problemen ein Signal an den Bediener zu senden, um zu verhindern, dass Ihre Spindel während der Bearbeitung ausfällt“, sagte Leick.

Eine weitere wichtige Entwicklung in der Werkzeugmaschinenindustrie ist das Aufkommen äußerst vielseitiger Alternativen zu dedizierten Maschinen für einzelne Arbeitsgänge, die man als All-in-One-Werkzeugmaschinen bezeichnen könnte. Ein Beispiel wäre eine Fräs-Drehmaschine, die auch Schleifen, Wälzschälen und erweiterte Messtechnik beherrscht.

„Das ist der Branchentrend“, sagte Owen von der DMG, die solche Maschinen herstellt. „Anstelle von Maschinen, die nur eine Sache tun, erleben wir endlich die Entwicklung von Werkzeugmaschinen zu einer Komplettplattform aus einer Hand.“

Zu den Vorteilen der All-in-One-Bearbeitung gehören eine verbesserte Teilegenauigkeit aufgrund weniger Rüstvorgänge sowie der Bedarf an weniger unterschiedlichen Maschinen in der Werkstatt. Wenn eine einzige Plattform beispielsweise als Drehmaschine, Drei-Achsen-Fräsmaschine und Schleifmaschine dienen kann, braucht eine Werkstatt, die alle drei Maschinentechnologien benötigt, nicht für jede Technologie eine separate Maschine, die wertvolle Stellfläche beansprucht, bemerkte Owen . Stattdessen kann die Werkstatt mit einer einzigen Multifunktionsmaschine auskommen – oder sie kann die gleiche Grundfläche, die drei Einzeltechnologiemaschinen beanspruchen würden, mit drei Multifunktionsmaschinen füllen, um ihre Möglichkeiten erheblich zu erweitern.

Heutige All-in-One-Maschinen können mehr als nur mehrere Bearbeitungsfunktionen umfassen. Owen wies darauf hin, dass sie auch Funktionen anbieten können, die traditionell von peripheren Systemen ausgeführt werden, wie beispielsweise fortschrittliche Messtechnik. „Die Fortschritte der letzten fünf Jahre in der Messtechnik an Werkzeugmaschinen können für die Kunden ein großer Vorteil sein“, sagte er. Anstatt beispielsweise ein separates Koordinatenmessgerät zu kaufen, „können Sie Ihre Maschine im Grunde in ein KMG verwandeln. Sie können Kameras und Laser verwenden, um Teile zu messen, die Ihnen die gleichen Ergebnisse wie ein KMG liefern.“

Andererseits stellte Owen fest, dass die Bearbeitungsfähigkeiten einer All-in-One-Einheit möglicherweise nicht mit denen einer Maschine übereinstimmen, die für einen bestimmten Vorgang konzipiert ist.

„Ich würde sagen, dass eine herkömmliche Schleifmaschine immer etwas genauer sein wird als eine Werkzeugmaschine“, sagte er. Es gebe also wahrscheinlich einen Punkt, an dem eine spezielle Schleifmaschine eingesetzt werden müsse, räumte er ein und fügte hinzu, dass dies der Fall sein könnte, wenn Genauigkeiten im Mikrometerbereich erforderlich seien.

Eine moderne Multifunktionswerkzeugmaschine kann auch mit einem Metall-Additiv-Fertigungssystem ausgestattet sein. Laut Eric Wold, regionaler Vertriebsleiter bei Mitsui Seiki USA Inc., Franklin Lakes, NJ, sind diese Hybridmaschinen heute hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie zu sehen. Wold glaubt jedoch, dass solche Maschinen irgendwann weiter verbreitet sein werden, indem er die Technologie beschreibt als noch in den Kinderschuhen stecken.

Um zu veranschaulichen, wie nützlich Hybridwerkzeugmaschinen sein können, verweist Wold auf einen Kunden, der Laufräder repariert. Diese feste Hand schleift den beschädigten Teil eines Laufrads ab, schweißt dann das Material von Hand wieder auf das Laufrad und schleift schließlich das neue Material von Hand in die richtige Form.

„Es ist eine ziemlich schmutzige Arbeit und wird nicht sehr gut bezahlt, daher kommt es zu einer hohen Fluktuation der Arbeitskräfte“, bemerkte er.

Als Alternative zu diesem manuellen Verfahren bietet Mitsui Seiki eine Maschine an, die den beschädigten Bereich eines Laufrads mit einem subtraktiven Verfahren entfernen und ihn dann mit einem additiven System wieder aufbauen kann, das einen Laser verwendet, um aufeinanderfolgende Schichten aus Metallpulver zu verschmelzen. Wenn der schichtweise additive Prozess abgeschlossen ist, wird das neue Material maschinell in die endgültige Form gebracht.

„Es ist im Wesentlichen ein automatisierter Prozess“, sagte Wold. „Vielleicht gibt es einen Bediener, der Teile von Hand in die Maschine lädt, aber es gibt nicht mehrere Leute, die Teile von Hand bearbeiten.“

Der Nachteil ist, dass die Fähigkeiten einer Hybrid-Werkzeugmaschine nicht gerade billig sind. Ein Mitsui-Seiki-Hybrid, der die Aufgabe des Laufrads übernehmen kann, kostet den Käufer laut Wold siebenstellige Beträge. Er fügte jedoch hinzu, dass angesichts der hohen Mitarbeiterfluktuation, die bei manueller Arbeit entsteht, die Kapitalrendite bei einem Hybridmodell weniger als zwei Jahre dauern könne.

Bei Neubauten weist Thiessen von Okuma darauf hin, dass eine Hybrid-Werkzeugmaschine eine gute Wahl für die Herstellung eines Teils aus zwei verschiedenen Materialien sein kann. Stellen Sie sich ein Teil vor, das größtenteils aus Edelstahl besteht, aber eine Komponente aus einem exotischen Material wie Inconel aufweist.

„Schicken Sie das zur Herstellung ein, oder bearbeiten Sie (den Stahl) und geben dann einen zusätzlichen Inconel-Anteil darauf?“ fragte Thiessen. „Es wäre ein großer Zeitvorteil, wenn man das in einer Maschine unterbringen könnte. Auch wenn das Auflegen des (Inconel) eine Weile dauert, muss man das Teil nicht aus der Maschine nehmen und einlegen.“ auf einem LKW.

Hinzu kommt, dass Bauteile, die in einem bestimmten Bereich ein teures Material wie Inconel erfordern, nicht vollständig aus diesem Material bestehen müssen. „Angenommen, es handelt sich um ein Teil mit einem Durchmesser von 20“ [508 mm]“, sagte Thiessen. „Wenn ich ein Element aus Inconel herstellen kann und der (Haupt-)Körper des Teils aus rostfreiem Stahl oder normalem Stahl bestehen kann, habe ich mich gerettet.“ eine Menge."

Eine Hybrid-Werkzeugmaschine kann den additiven Prozess abschließen und anschließend das hinzugefügte Material bearbeiten, um die endgültige Form und die endgültigen Abmessungen zu erreichen. Oder wenn ein Teil dies erfordert, so Thiessen, könne ein Hybrid zwischen additiven und subtraktiven Prozessen wechseln, etwas Material hinzufügen und das hinzugefügte Material dann mehrmals bearbeiten.

Okuma bietet eine additive Option vor allem mit seinen Multitasking-Drehmaschinen und fünfachsigen vertikalen Bearbeitungszentren. Zur Herstellung hybrider Werkzeugmaschinen hat sich das Unternehmen mit der Trumpf GmbH zusammengetan, die die additive Technologie bereitstellt. Beim Fünf-Achsen-Vertikal-Hybrid von Okuma beispielsweise ist ein Trumpf-Laserkopf neben der Spindel montiert. „Wenn man es nutzen möchte, öffnet sich eine kleine Hundehütte und der Laserkopf kommt heraus“, sagte Thiessen.

Die schlechte Nachricht für potenzielle Käufer sei, dass der Laser den Preis der Werkzeugmaschine fast verdoppelt, warnte Thiessen. Deshalb, sagte er, „ist ein Hybrid nicht etwas, das man einfach kauft und schaut, ob man später eine Verwendung dafür findet.“

Neben der Weiterentwicklung der Technologie innerhalb ihrer Werkzeugmaschinen unterstützen Zulieferer auch Kunden, die ihren Maschinen durch die Automatisierung ihrer Prozesse technologische Unterstützung von außen geben möchten. Während der Ausbruch der Pandemie viele Gespräche über die industrielle Automatisierung ausgelöst hat, bleibt sie in Branchenkreisen ein heißes Thema, auch wenn die Bedrohung durch COVID nachlässt.

„Aufgrund des Mangels an qualifizierten Maschinisten und Ingenieuren – und sogar des Mangels an ungelernten Arbeitskräften – wird der Grad der Automatisierung meiner Meinung nach weiterhin exponentiell zunehmen“, prognostizierte Wold von Mitsui Seiki.

Für Bearbeitungsvorgänge bedeute dies laut Wold mehr als nur das automatisierte Be- und Entladen von Maschinen. „Man könnte einen Roboter haben, der Werkzeugbaugruppen baut, Werkzeuge misst und ausbalanciert“, sagte er, sowie einen Roboter, der Vorrichtungen baut und Teile darin einbaut. „Dann gibt es die Automatisierung des Transports von Werkzeugen, Teilen und Vorrichtungen zur Werkzeugmaschine.

Das bloße Transportieren von Werkzeugen zur und von der Werkzeugmaschine hört sich nach einer ziemlich einfachen Aufgabe an, aber ich denke, dass es in Werkstätten schwierig ist, Leute zu finden, die das erledigen. Aber ein einfacher Roboterwagen kann so programmiert werden, dass er seinen Weg durch die Werkstatt zur richtigen Werkzeugmaschine findet.“

Wold wies darauf hin, dass sich die Investition bei dieser Art der Automatisierung relativ schnell amortisiert, die Vorabkosten jedoch hoch sein können. Er schätzt die Kosten für ein Basissystem zum Laden von Paletten in eine kleine Werkzeugmaschine auf 50.000 bis 75.000 US-Dollar. Bei größeren Maschinen mit sehr großen Palettenpools, die rund um die Uhr teure Teile fertigen, meinte er: „Ich glaube, Sie sprechen von Millionen Dollar“ an Vorlaufkosten für die Automatisierung.

Andererseits bemerkte er: „Für einen Mitarbeiter fallen keine wirklichen Vorabkosten an. Es handelt sich eher um Kosten, die im Laufe der Zeit wiederkehren. Daher denke ich, dass die Herausforderung für viele Unternehmen darin besteht, auf den ROI (der Automatisierung) zu achten nicht die Vorabkosten.“

Mitsui Seiki stellt keine Automatisierungssysteme für seine Maschinen her. Da sich das Unternehmen auf den Bau von Werkzeugmaschinen konzentriert, „arbeiten wir gerne mit Unternehmen zusammen, die auf Automatisierung spezialisiert sind“, sagte Wold. „Ich denke, das funktioniert für den Endbenutzer besser.“

Ein Werkzeugmaschinenhersteller, der auch Automatisierungsgeräte herstellt, ist Grob Systems Inc. in Bluffton, Ohio. Derek Schroeder, Vertriebsleiter des Unternehmens für Universalmaschinen, sieht eine Flexibilisierung der Werkzeugmaschinenautomatisierung. Anstelle von Systemen, die beispielsweise nur eine Palettengröße bewegen können, entwickeln laut Schroeder einige Automatisierungshersteller Systeme, die mehrere Palettengrößen verarbeiten können, sowie Zellen, die sowohl Paletten als auch Werkstücke handhaben.

Ein Beispiel für eine flexiblere Art der Automatisierung ist der neue PSS-T300 von Grob. Neben der automatischen Entnahme und Beladung unterschiedlich großer Paletten kann dieses Turm-Palettenlagersystem auch zwei verschiedene Maschinen bedienen.

Ein weiteres neues Automatisierungsangebot des Zulieferers ist die Vision-Roboterzelle GRC-V, die darauf ausgelegt ist, eine einzelne Grob-Maschine mit einem sechsachsigen industriellen Fanuc-Roboter zu koppeln. Wie der Name schon sagt, ist die Zelle mit einem Vision-System ausgestattet, das es ihr ermöglicht, verschiedene Teile zu finden und zu laden, um häufige Teilewechsel zu erleichtern.

Typischerweise sei eine Roboterzelle über einen längeren Zeitraum einem einzelnen Teil gewidmet, sagte Schroeder. Mit dem mit einer Kamera ausgestatteten GRC-V „könnte man jedoch jeden Tag oder jede Schicht ein anderes Teil einlegen und es trotzdem roboterbeladen lassen.“

Roboterzellen, die nur für ein einzelnes Teil bestimmt sind, verfügen möglicherweise auch über Greifer, die sich nur schwer an unterschiedliche Teilegrößen anpassen lassen. Um beispielsweise von einem 10" [254 mm] breiten Teil auf ein 16" [406 mm] breites Teil zu wechseln, „musste jemand den Greifer abschrauben, die Finger bewegen und die (Positionen) im Inneren neu einlernen.“ Zelle", sagte Schroeder. „Diese Umstellung braucht Zeit und eine ziemlich kompetente Person.“

Deshalb hat Grob auch ein automatisches Greiferverstellsystem auf den Markt gebracht. Anstatt die erforderlichen Änderungen an einem Greifer manuell vorzunehmen, erklärt Schroeder, bringt eine Zellensteuerung, die dieses System verwendet, den Greifer zu einem Einstellständer innerhalb der Zelle, wo die Finger automatisch in die richtigen Positionen bewegt werden, um ein Teil mit einer anderen Größe aufzunehmen.

Sobald es betriebsbereit ist, ist ein automatisierter Prozess für das Werkstattpersonal natürlich einfacher als ein manueller. Aber wie einfach ist es, an diesen Punkt zu gelangen?

„Ich denke, es herrscht die Auffassung, dass es sehr schwierig ist, mit Robotern umzugehen“, sagte Wold. Aber gute Maschinenbauingenieure, die in Werkstätten CNC-Maschinen programmieren, werden das nicht feststellen, betonte er. „Sobald sie mit einem Roboter vertraut sind, werden sie Ihnen sagen, dass es viel einfacher ist als die CAM-Programmierung einer CNC.“

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