Werkzeugmaschinen für Werkzeugmacher

Amerikas Abhängigkeit von Zulieferern aus dem Ausland scheint zu schwinden. Ein großer Teil davon ist auf die Probleme zurückzuführen, die wir während der COVID-19-Krise erlebt haben, und auf die darauf folgende Lieferkettenkatastrophe, eine Situation, die durch den anhaltenden Handelskrieg mit China noch verschärft wird.

„Von Ende 2020 bis 2021 kaufte die Halbleiterindustrie CNC-Maschinen in einem beispiellosen Tempo“, sagt Don Langley, Vertriebsleiter für die westliche Region bei DN Solutions America Co., Pine Brook, NJ (ehemals Doosan Machine Tools). „Es handelte sich dabei nicht um die traditionellen zweiachsigen Drehmaschinen und dreiachsigen Fräsmaschinen, wie man vielleicht erwarten würde – es handelte sich ausschließlich um fortschrittliche fünfachsige Bearbeitungszentren, Multitasking-Drehmaschinen und mit einem Palettenpool ausgestattete Horizontalmaschinen. Andere Branchen beginnen diesem Beispiel zu folgen, und soweit ich sehe und höre, ist ein großer Teil davon auf die Verlagerung ins Ausland zurückzuführen.“

Eine dieser Branchen ist der Werkzeug- und Formenbau, die Grundlage für alle Formen der Fertigung. Wie in der Halbleiter-, Luft- und Raumfahrtindustrie sowie in der Medizintechnik sind auch hier die Materialien typischerweise robust und die Toleranzen eng. Diese Herausforderungen erklären den Trend zu leistungsfähigeren und von Natur aus komplexeren Werkzeugmaschinen.

Dave Ward, Produktmarketingmanager bei Makino Inc., Mason, Ohio, hat diese Tatsache in „Soup to Nuts of Dies and Molds“ von Manufacturing Engineering von Anfang des Jahres erwähnt und darauf hingewiesen, dass Fünf-Achsen-Bearbeitungszentren produktiver und genauer sind als ihre Drei-Achsen-Bearbeitungszentren Gegenstücke und sind für diese Art von Bearbeitungsarbeiten bestens geeignet. „Wir besuchen viele Geschäfte und es gibt derzeit drei Haupttrends: fünfachsig, fünfachsig und Automatisierung“, sagte er.

Leider ist es nach wie vor einfacher, Werkzeugmaschinen zu bauen und zu kaufen, als Leute zu finden, die sie bedienen. Aus diesem Grund befindet sich die Leitung der Werkzeug- und Formenbauwerkstatt in einer schwierigen Lage – zu viel Arbeit und zu wenig Arbeitskräfte – was das Wachstum behindert. Wie auch in der heimischen Lieferkette gibt es jedoch Bemühungen, diese Situation zu verbessern.

Es gibt den oben erwähnten White House Jobs Plan, der 100 Milliarden US-Dollar für die Entwicklung von Arbeitskräften bereitstellt, aber es ist kein Geheimnis, dass öffentliche Schulen, Community Colleges und Universitäten in den gesamten Vereinigten Staaten – zusammen mit zahlreichen Werkzeugmaschinenherstellern – erhebliche Investitionen in die Ausbildung der nächsten Generation getätigt haben Produktionsarbeiter.

Wer sich für eine Karriere im Handwerk entscheidet, wird feststellen, dass die Fertigung ganz anders ist als das, was ihre Eltern noch vor einigen Jahrzehnten erlebt haben, und die Werkzeug- und Formenbauindustrie bildet da keine Ausnahme. Wie Ward von Makino und Langley von DN Solutions betonen, ist die heutige Welt zunehmend eine Welt der Automatisierung und CNC-Werkzeugmaschinen, die nur eine Fantasie waren, als der Großteil der erfahrenen Maschinisten geboren wurde.

„Das Arbeitsproblem ist ein Teil davon, aber ein Teil davon ist auf die begrenzte Grundfläche und die hohen Immobilienkosten zurückzuführen, insbesondere hier an der Westküste, wo ich arbeite“, sagt Langley. „Maschinen zu haben, die dabei helfen, Teile in einem oder zwei Arbeitsgängen fertigzustellen, bedeutet weniger Einstellungen und Vorrichtungen, weniger unfertige Arbeiten, mehr Flexibilität und einen viel kleineren Platzbedarf.“

Auch Werkzeug- und Formenbaubetriebe fragen nach Maschinen, die schnellere Metallabtragsraten ermöglichen, fügt Brock Herbert hinzu, leitender Anwendungsingenieur bei der North Central-Region der Mazak Corp. mit Sitz in Florence, Kentucky. „Natürlich sind in diesem Umfeld extreme Genauigkeitsanforderungen zu berücksichtigen“, sagt er. „Aber je nach Werkstück sind oft hohe Spindelgeschwindigkeiten erforderlich, wobei Steuerungen und Servosysteme in der Lage sind, große Codemengen sehr schnell zu verarbeiten.“

Auch hier gilt vieles davon für Komponenten in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizintechnik, wo komplex geformte Oberflächen und robuste Metalle an der Tagesordnung sind. Tool and Die legt diese Messlatte durch den umfangreichen Einsatz von Werkzeugstählen, die häufig im gehärteten Zustand bearbeitet werden, noch höher.

Auf der anderen Seite gibt es jedoch auch die Graphitelektroden, die zum EDM-Formen von Hohlräumen und anderen Teilemerkmalen benötigt werden, ein Material, das seine ganz eigenen Herausforderungen und Chancen bietet. Dazu gehören die relative Weichheit des Materials, seine Zerbrechlichkeit und Neigung zum Absplittern sowie die Notwendigkeit einer robusten Staubkontrolle während der Elektrodenbearbeitung.

Laut Alan Hallman, Vertriebsleiter für Nordamerika bei MC Machinery Systems Inc., Elk Grove Village, Illinois (dem Importeur und Vertriebshändler von Roku-Roku, OPS Ingersoll und Mitsubishi), sind all diese Schwierigkeiten jedoch mit der entsprechenden Ausrüstung und Werkzeugausstattung durchaus zu bewältigen Elektro- und andere CNC-Werkzeugmaschinenmarken). Deshalb, sagt er, ist die Massenproduktion dieser allgegenwärtigen Werkzeuge oft das erste Stück niedrig hängender Früchte, das die Geschäfte pflücken.

„Es ist nicht so sehr im Werkzeug- und Formenbau, sondern vor allem im Formenbau, wo Werkstätten große Mengen an Elektroden bearbeiten“, fährt Hallman fort. „Und da es Schaftfräser gibt, die Graphit vielleicht hundert Stunden lang ohne nennenswerten Verschleiß schneiden können, ist es eine ziemlich einfache Aufgabe, diese Anwendungen zu automatisieren. Deshalb starten viele Geschäfte hier ihre Lichter-Aus-Initiativen.“

Der erste Schritt bei solchen Initiativen ist eine Investition in eine hochwertige Werkzeugmaschine – aber vielleicht nicht aus den erwarteten Gründen. Ja, ein erstklassiges Bearbeitungszentrum ist für jede Werkstatt erforderlich, die den Durchsatz, die Genauigkeit und die Teilequalität steigern möchte – unabhängig vom Industriesegment oder der Bearbeitungsspezialität –, aber es ist auch eine Voraussetzung für ein oft übersehenes Muss für die Automatisierung: Prozesskonsistenz.

Um dies einfacher zu erreichen, müssen Geschäfte bereit sein, das industrielle Internet der Dinge (IIoT) zu nutzen. Dies bedeutet die Möglichkeit, Bearbeitungsprozesse aus der Ferne zu überwachen, öffnet aber auch die Tür zu proaktiver Maschinenwartung, Überwachung von Schneidwerkzeugen, Optimierung von Werkzeugwegen und Schnittparametern sowie anderen Funktionen, die Werkzeug- und Formenbauer nutzen können, um Kosten zu senken und Stellen Sie vor allem sicher, dass die Maschine am nächsten Morgen noch Chips produziert.

Es handelt sich um ein tiefgreifendes Thema, mit dem sich Maschinenwerkstätten aller Art auseinandersetzen müssen, um wettbewerbsfähig zu bleiben. In der Zwischenzeit können Werkzeugmaschinenanbieter bei einem typischen Verkaufsbesuch bei einem potenziellen Werkzeug- und Formenbaukunden folgende Empfehlungen aussprechen. Allerdings ist zu beachten, dass kein Unternehmen eine Einheitslösung für einen derart breiten Bereich der Fertigung anbietet Industrie.

Beispielsweise könnte Sean Shafer, Segmentmanager für den Werkzeug- und Formenmarkt bei Makino, entweder das V100S- oder das D2-Vertikalbearbeitungszentrum des Unternehmens vorschlagen. Bei letzterer handelt es sich um eine Sieben-Achsen-Palettenwechselmaschine mit mehr als zwei Metern Verfahrweg auf der Handpolieren von Formoberflächen.

Auch der fünfachsige V100S richtet sich mit einer 20.000 U/min HSK-A63-Spindel und ebenso großen Achsverfahrwegen an Formen- und Formenbauer. Beide Maschinen sind mit Makinos Super-Geometrischer-Intelligence-Servosteuerung (SGI.5) ausgestattet, um anspruchsvollen Anforderungen an die Bewegungssteuerung gerecht zu werden.

Obwohl diese Maschinen für große Formteile konzipiert sind, wären sie in vielen Werkzeug- und Formenbaubetrieben eine willkommene Ergänzung. Wären sie die ideale Lösung? Vielleicht nicht. Die Antwort hängt von der Teilegröße, den Genauigkeitsanforderungen, dem Materialentfernungsbedarf, den Produktionsmengen und einer Vielzahl anderer Variablen ab, auf die wir hier nicht näher eingehen möchten.

„Druckguss, Kunststoffspritzguss, Stanzen und Formen, progressive Kunststoffe – alle haben Ähnlichkeiten, sind aber in mancher Hinsicht auch einzigartig“, sagt Shafer. „Formenbauer möchten zum Beispiel im Allgemeinen, dass das Werkzeug mit der bestmöglichen Oberflächengüte aus der Maschine kommt, während superglatte Hohlräume für Druckgießer ein Problem darstellen können. Und die Anforderungen an die Präzision von Folgeverbundstanzwerkzeugen sind weitaus strenger als in anderen Werkzeugbausektoren, auch wenn sie alle mit engen Toleranzen zu tun haben.“

Die Einhaltung strenger Toleranzen ist einer der Gründe, warum die Automatisierung in diesem Umfeld schwierig ist. Und deshalb wird der Mensch im Werkzeugbau bleiben. „Wenn Sie Teile auf ein Zehntel oder zwei genau bearbeiten, benötigen Sie einen erfahrenen Maschinisten, der die Dinge im Auge behält“, versichert Hallman von MC Machinery. „Wenn man dazu noch die Tatsache hinzufügt, dass es sich bei den meisten Arbeiten hier um sehr geringe Stückzahlen handelt, erkennt man, warum die Automatisierung von Werkzeug- und Formenbau oft schwierig ist.“

Ein Kampf, aber nicht unmöglich. Hallman verweist auf die MEGA SSS-Familie fünfachsiger Bearbeitungszentren des Unternehmens von Roku-Roku als eine seiner bevorzugten Maschinen für Werkstätten, die ihre Tage damit verbringen, „Zehnteln nachzujagen“, insbesondere solche, die im Bereich kleinerer Teile konkurrieren. Mit Linearmotoren, HSK-bestückten Spindeln mit bis zu 60.000 U/min und einem 31i-B5-Hochgeschwindigkeitsprozessor, Al Contour Control II und einem Fünf-Achsen-Bearbeitungspaket von FANUC sind diese Maschinen Berichten zufolge „bis auf das Tausendstel genau“. Millimeter."

Wie bereits erwähnt, verfügt Hallman über weitere Optionen auf seiner Produktpalette, darunter die Eagle-Reihe fünfachsiger Bearbeitungszentren von OPS Ingersoll sowie zahlreiche Automatisierungsangebote. „Wir haben mehrere hundert Materialtransportsysteme installiert, darunter solche von EROWA, 3R, FANUC und Mitsubishi“, bemerkt er. „Die ersten beiden sind bei Werkzeug- und Formenbauern besonders beliebt, vor allem aufgrund ihrer integrierten Spann- und Greiffunktionen, obwohl es sich bei allen um erstaunliche Systeme handelt.“

Auch bei Mazak mangelt es nicht an Produktangeboten. „Am größeren Ende gibt es unsere FJV-Linie, ein vertikales Bearbeitungszentrum im Brückenstil, das in dreiachsigen und fünfseitigen Konfigurationen bis zu 160 Zoll in der X-Achse erhältlich ist“, sagt Jared Leick, Produktgruppenmanager für Bearbeitungszentren . „Das sind sehr robuste Maschinen, die bei Werkzeug- und Formenbaubetrieben sehr beliebt sind, aber es gibt auch die VARIAXIS-Familie fünfachsiger Vertikalmaschinen sowie unsere HCN- und HCR-Horizontalmaschinen. … Es handelt sich um ein sehr breites Angebot an Werkzeugmaschinen.“

Aus seiner Sicht als Anwendungsingenieur weist Herbert schnell darauf hin, dass die SMOOTH-Technologie und die vom Benutzer konfigurierbaren SMC-Einstellungen (SMOOTH Machining Configuration) von Mazak unter anderem bei Werkzeug- und Formenbauern sehr beliebt sind. Er stellt fest, dass beide eine hervorragende Kontrolle über die Bewegungssteuerungssysteme der Maschine bieten, darunter Kurvengenauigkeit, Vorausschau, Achsenbeschleunigung und -verzögerung sowie andere Variablen, die sich erheblich auf die Teilequalität, die Werkzeuglebensdauer und die Produktivität auswirken können.

„Die Steuerung bietet auch eine grafische Darstellung der Wirkung jeder Einstellung im Hinblick auf die relativen Vorteile oder Einbußen, die Sie möglicherweise mit sich bringen, wenn Sie einen der Werte anpassen“, sagt Herbert. „Man muss kein Teil bearbeiten, um die Ergebnisse zu sehen. Und sobald der Bediener alle Einstellungen mit den optimalen Einstellungen für einen bestimmten Auftrag vorgenommen hat, kann er diese mit dem Teileprogramm für das nächste Mal speichern. Es ist eine wirklich tolle Funktion.“

Laut Langley verfügt DN Solutions über ein ähnlich breites Angebot mit mehr als 400 Modellen. „Allerdings erfreuen sich Fünf-Achsen-Maschinen in den letzten Jahren immer größerer Beliebtheit“, sagt er. „Unsere vertikalen Bearbeitungszentren DVF 5AX waren in diesem und anderen Märkten ein großer Erfolg. Diese reichen vom DVF 4000 mit einem 400-mm-Tisch bis zum DVF 8000T mit einer HSK-Spindel, 18.000 U/min und knapp 40 Zoll (1.016 mm) in der X-Achse.“

Es überrascht nicht, dass Maschinen mit Tischwegen von 40 x 20 Zoll (1.016 x 508 mm) zumindest bei DN Solutions nach wie vor am weitesten verbreitet sind. Dies gilt auch für 12K- und 15K-Steilkegelspindeln, obwohl Langley anmerkt, dass viele Werkstätten Big Plus und konkurrierende Formen von Dual-Contact-Schnittstellen wegen ihrer größeren Steifigkeit bevorzugen.

Und wie zu erwarten ist, fordern Maschinenwerkstätten aller Art zunehmend Optionen wie Palettenwechsler, Kühlmittelzufuhr durch die Spindel und Hochdruck, maschineninterne Messsysteme und Bewegungssteuerungsfunktionen wie FANUCs AICC II und Smooth Tolerance Control oder ähnlich erweiterte Optionen von Siemens, Mitsubishi und anderen Steuerungsherstellern. Alle unterstützen entweder die Automatisierung, steigern die Produktivität oder beides.

„Die Werkstätten haben auch erkannt, wie wichtig eine kinematisch präzise Werkzeugmaschine mit viel Masse und thermischer Stabilität ist“, betont Langley. „Das war bis zu einem gewissen Grad schon immer so, ist aber heute notwendiger denn je. Angesichts des anhaltenden Arbeitskräftemangels ist es nicht mehr so ​​wie früher, als ein erfahrener Maschinist wusste, wie man selbst eine Standardmaschine zum Singen und Tanzen bringt. Diese Tage sind vorbei.

„Werkzeugmaschinen müssen heutzutage äußerst vorhersehbar und genau sein, unabhängig davon, wer sie bedient“, fährt Langley fort. „Diese Tatsache wird immer wichtiger angesichts der zäheren, härteren Materialien und engeren Toleranzen, wie man sie im Werkzeug- und Formenbau, aber auch in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Energieteilebearbeitung usw. sieht. Die Branche verändert sich und Geschäfte müssen sich auf die neuere Technologie einlassen, sonst bleiben sie zurück.

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