Potenziale aufgedeckt

In einem vom BMBF geförderten und von der PFT des Forschungszentrums Karlsruhe getragenen Forschungsprojektes mit der Kurzbezeichnung „HSC-Holz“ (HSC: High speed cutting = Hochgeschwindigkeitszerspanung) wurde die Nutzung bzw. Ausschöpfung von bisher nicht erschlossenen Potenzialen bei spanenden Fertigungsverfahren untersucht. An dem Projekt sind neben der Homag AG die Werkzeughersteller Leuco und Leitz, der Aggregatehersteller Benz, die Anwenderfirmen Wössner und Reichert, die FH Rosenheim und das Institut für Werkzeugmaschinen (IWF) an der Universität Stuttgart beteiligt.

Der Fokus des Projekts ist auf die Möglichkeiten zur Reduzierung der Bearbeitungszeiten und damit der Stückkosten durch eine „schnellere Bearbeitung“ von Massivholz und Plattenwerkstoffen gerichtet. Ein Lösungsansatz liegt in der Steigerung der Schnittgeschwindigkeiten und der damit einhergehenden Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeiten beim Fräsen bzw. Formatieren durch die HSC-Technologie.

In Abhängigkeit vom Werkzeugdurchmesser sind in der Holzbearbeitung beim Fräsen Drehzahlen von 18 000 bis 24 000 1/min, Vorschubgeschwindigkeiten von 6 bis 15 m/min und Schnittgeschwindigkeiten von 9 bis 20 m/s üblich.

Bei der HSC-Technologie können derzeit Spindeldrehzahlen mit ca. 30 000 1/min und Schnittgeschwindigkeiten oberhalb 30 m/s realisiert werden. Diese Zahlen bedeuten eine rechnerische Verkürzung der Fräszeit von 50 % und höher.

Die HSC-Technologie kann direkt bei den Fräsaufgaben vorteilhaft angewendet werden, bei denen Werkzeuge mit geringem Durchmesser zur Anwendung kommen. Hierzu zählen das Formatieren, die Fertigung von Nuten, das Fräsen von Konturen mit kleinen Innenradien oder auch das als „Nesting“ bezeichnete verschnittoptimierte Plattenaufteilen durch Fräsen.

Entgegen früherer Theorien haben die zerspantechnologischen Versuche gezeigt, dass sich mit steigender Vorschub- und Schnittgeschwindigkeit sowohl die Oberflächen- und Kantenqualität als auch der Werkzeugstandweg verbessert. Dies gilt neben Hartmetallwerkzeugen ausdrücklich auch für die Massiv-holzbearbeitung mit Diamant-Schneiden, die jedoch von Haus aus mit einem besseren Verschleißverhalten aufwarten. Somit reduzieren sich für den Anwender die anteiligen Werkzeugkosten pro Stück und es werden die Aufwendungen bei nachfolgenden Arbeitsgängen (z. B. Schleifen) um bis zu 20 % reduziert.

Für die Quantifizierung der Wirtschaftlichkeitssteigerung durch die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung sind die höheren Investitionskosten den monetären Effekten infolge der Reduzierung der Stückzeit und der damit verbundenen möglichen Erhöhung der Ausbringungsmenge während der Produktion gegenüberzustellen. Die Höhe der Leistungssteigerung durch HSC-Technologie hängt von den Werkstückabmessungen, den Werkstoffeigenschaften, dem Anteil der Fräsbearbeitung an der Gesamtbearbeitung und dem maximal möglichen Vorschub ab.

Um die Rentabilität der Hochleis-tungsbearbeitung unter realen Bedingungen zu überprüfen, wurden bei verschiedenen Anwendern Referenzwerkstücke definiert, deren Geometrie, Abmessungen und Bearbeitungsgänge eine Leistungssteigerung erwarten lassen. Dabei wurde ein sehr weites Spektrum an Teilen betrachtet. Es reichte von Rahmentüren als Massivholz für Kü-chenfronten, über geschweifte Massivholzteile für Eckbänke bis hin zu profilierten MDF-Fronten für Badmöbel sowie Küchenarbeitsplatten. Die Teile wurden zum einen mit konventionellen Drehzahlen und Vorschüben, zum anderen mit HSC-üblichen Parametern bearbeitet, mit dem Ziel, höhere Vorschubgeschwindigkeiten bei gleicher oder besserer Oberflächenqualität zu erzielen. Als Versuchsträger dienten Portalmaschinen der Baureihen BOF 120 und BAZ 220 der Firma Homag mit zwei unabhängigen Bearbeitungseinheiten, wobei ein Versuchsträger auch mit Linearmotoren in der X-Achse ausge-rüstet ist. Die beiden Bearbeitungseinheiten sind mit einer 21 kW-Spindel ausgestattet und für die HSC-Bearbeitung mit 30 000 1/min ausgelegt.

Bei den Werkstücken handelt es sich um 20 mm starke Rahmentüren mit Füllungen bzw. Blenden in Ahorn massiv. Die konventionelle Fräsbearbeitung mit einem Hartmetallfräser erfolgt im Gegenlauf bei 12 700 1/min und Vorschüben von 2,5 bis 9 m/min in Abhängigkeit der Holzfaserrichtung. In Folge der HSC-Bearbeitung mit 30 000 1/ min und Verwendung eines Diamantfräsers konnten die Vorschubgeschwindigkeiten auf einen Bereich von 4 bis 20 m/min bei gleicher Qualität gesteigert werden. Dies führt zu einem Zeitvorteil von bis zu 52 % bei der Fräsbearbeitung und zu einer Verkürzung der Gesamtbearbeitungszeit um ca. 15 %. Umgerechnet können somit in der selben Zeit rund 17 % mehr Teile produziert werden.

Die 22 mm starken Referenzwerkstücke wurden ausgewählt, um neben den großformatigen Erzeugnissen auch das Potential der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung für kleinere Werkstücke (150 bis 800 x 300 mm) zu beleuchten. Für die folierten Badmöbelfronten wird spezielles MDF mit einer besonders feinen Oberfläche und homogenem Aufbau eingesetzt, damit sich nach dem Folieren keine Unebenheiten oder Späne auf der Oberfläche, dem Profil oder den Schmalseiten abzeichnen.

Die Teile mit 2 mm Übermaß werden auf einer Oberfräse mit einem Profilfräser bei 8 m/ min Vorschubgeschwindigkeit formatiert und mit einem Radius von 3 mm profiliert. Anschließend werden die Teile gereinigt und auf der Oberseite mit einer Tiefziehpresse mit Folie überzogen (die Unterseite wird herstellerseitig beschichtet).

Die Anforderungen an die Güte der Fräsung sind sehr hoch, da sich Rattermarken, Unebenheiten oder Bearbeitungsspuren nach dem Überziehen mit Folie deutlich abzeichnen. Im Vergleich lässt die HSC-Bearbeitung im Gegenlauf mit Diamantfräser Vorschubgeschwindigkeiten bis zu 35 m/min zu. Somit ergibt sich je nach Werkstück eine Vorschubsteigerung von über 300 %, welches eine Zeitverkürzung von 30 % bis 50 % auf die Gesamtbearbeitungsdauer bedeutet. Letzterer Wert entspricht etwa einer Leistungsverdoppelung.

Im Bereich der Wohnmöbel wurde bei der Fertigung von Tischplatten (Bild4), auf Grund des hohen Fräsanteils an der Gesamtbearbeitung, eine Fertigungszeitreduzierung von ca. 50 % erreicht. Dieses Ergebnis wurde in den letzten Monaten unter realen Produktionsbedingungen bei einem Wohnmöbelhersteller bestätigt.

Bei Küchenarbeitsplatten sind komplexere Bearbeitungen mit mehreren Werkzeugwechseln notwendig, so dass die Zeitein-sparungen bei ca. 15 % liegen.

Den beispielhaft genannten Leis-tungssteigerungen von bis zu 100 % stehen zum Einen die Mehrinvestitionskosten gegenüber. Diese liegen, abhängig von der Maschinenausstattung, bei ca. 3 bis 6 % für die Hochleistungsantriebe inklusive der Frässpindel sowie die angepasste Sicherheits- und Absaugtechnik.

Mit der erhöhten Vorschubgeschwindigkeit und der daraus resultierenden Reduzierung der Stückzeit, können entweder mehr Teile in der gleichen Zeit als bei der konventionellen Bearbeitung gefertigt und/oder eine deutliche Qualitätssteigerung und somit eine Reduzierung der Nacharbeiten erzielt werden. Voraussetzung, um von den Vorteilen der HSC-Technologie partizipieren zu können, ist der Einsatz leistungsfähiger Maschinen- und Werkzeug-systeme, die den gesteigerten Anforderungen hinsichtlich Dynamik, Prozessführung und Sicherheitstechnik gerecht werden. o