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Virtuos CNC-gefräst

Andreas Weinzierl fräst spektakuläre Ornamente in Rekordzeit
Virtuos CNC-gefräst

Gerade mal zwei Monate hatte Andreas Weinzierl Zeit, um 128 aufwendige Ornamente für eine spektakuläre Orgel zu fräsen. Dank ausgeklügeltem Zusammenspiel von moderner Software und leistungsstarker CNC-Technologie hat der pfiffige Schreinermeister diesen ungewöhnlichen Auftrag mit Bravour bewältigt.

I Dieser bislang außergewöhnlichste Auftrag für Andreas Weinzierl, Geschäftsführer von 3D-Holzdesign in Traunstein, hatte es in sich, die Aufgabenstellung anspruchsvoll: Das Fräsen von 128 Zierteilen in 3D, und zwar binnen gerade mal zwei Monaten. Im vergangenen September wurde die Orgel (Maße: 12,5 m breit, 10,5 m hoch) eingeweiht. Auftraggeber war der russische Staat. Heute ist die Konzertsaalorgel in der Neuen Philharmonie in der Stadt Pensa im Einsatz.

Erster und einziger Zusammenbau vor Ort
Als der Auftrag im Februar 2013 erteilt wurde, war das Orgelgehäuse in Saarbrücken bei der Hugo Mayer Orgelbau GmbH bereits abgebaut und verpackt. Ein Anpassen und Prüfen der Ornamente war unmöglich. Hinzu kam, dass es keine Datengrundlage für die einzelnen Zierteile gab. Die in der Zeichnung angedeuteten Ornamente waren lediglich für eine Visualisierung angedacht. So musste eine komplett neue Datengrundlage geschaffen werden. „Konventionell ließen sich die Profilleisten nicht fertigen. Einzig allein ein Bildhauer hätte die konisch rund zulaufenden Profile herausschnitzen können“, so Weinzierl.
Die neue Basis: Exakte Daten in 3D
Mit dem Unternehmen Augenpulver – Design und Illustration GbR aus Wiesbaden fand Weinzierl einen kompetenten Partner. Das Unternehmen erstellt Highend-3D-Grafiken und Visualisierungen für die Industrie. Zum Erstellen der Daten kamen Cinema 4D und zum Teil sogenannte Sculpting-Programme wie 3D-Coat zum Einsatz. Dabei werden die 3D-Daten entweder anhand von Plänen rekonstruiert oder anhand von gescannten 3D-Daten wieder vervollständigt. Zur Erstellung der gewünschten Ornamente stand zunächst nur ein Rendering zur Verfügung, in dem einige Rankenelemente zu sehen, jedoch in keiner Weise verwendbar waren.
Zunächst wurden die CAD-Daten der Orgel ohne die Ornamente importiert und die leeren Flächen passend mit Ranken und Stützen gefüllt. Zunächst erstellte man alle Basisrankenteile, kombinierte diese zu einem Rankenwerk und passte sie an die benötigten Maße an. Paul Kramer, Technical Director von Augenpulver: „Bei einem Rankenwerk ist zum Beispiel darauf zu achten, dass bestimmte Dicken nicht unter- oder überschritten werden, sich gewisse Elemente gar nicht fräsen lassen und alle Elemente in etwa die gleiche Ausprägung haben. Letztendlich mussten die Rankenteile exakt in bestimmte vorgegebene Flächen passen. Einige Teile wurden nach dem Erstellen über ein vorgegebenes Bogenmaß dann sogar noch gebogen. Mit Cinema 4D sind diese Anpassungen kein Problem.“
Beim Import wurde peinlichst darauf geachtet, dass die Orgel millimetergenau genau in Cinema 4D importiert wurde. Das war die Basis für die Erstellung der Ranken. „Die benötigten Daten in einem konventionellen CAD-Programm zu bauen, wäre fast unmöglich gewesen“, so Kramer.
Die Umsetzung: Mastercam trifft Homag
Die Produktion der Bauteile musste natürlich wirtschaftlich effizient realisiert werden – wofür das Homag-CNC-Bearbeitungszentrum BOF 311 und die CAD/CAM-Software sorgten. Weinzierl und seine Kollegen von 3D-Holzdesign setzen hierfür seit Jahren Mastercam ein. Der Mastercam-Händler Formtec AG aus der Schweiz entwickelte dazu eine durchgängige und durchdachte Anbindung für Homag-Maschinen.
Mit der robusten Bauweise der Homag BOF 311 verfügte Weinzierl über die nötige Maschinenperformance. Hochflexibel in der Bearbeitung ist die CNC-Maschine vor allem durch die Fünfachs-Frässpindel „Drive5+“. Sie steht für ein volles Drehmoment auch bei niedrigen Drehzahlen und verfügt über eine Flüssigkeitskühlung für hohe Präzision und lange Lebensdauer.
Gefräst wurden die Ornamente ausschließlich mit Stellachse. Das Feinschlichten wurde mit kleinen Kugelfräsern durchgeführt. Lediglich das Formatieren der gebogenen Bauteile fand simultan statt.
Weinzierl betont: „Besonders zu erwähnen ist hier die Tatsache, dass einige Bauteile zunächst als 3D-Rohteil vorgefertigt werden mussten. Dazu wurden sie zuerst rückseitig als Einzelbrett ausgehöhlt und die Gehrungsflanken angefräst. Danach wurden die Bohlen entsprechend rund zu einer Einheit verleimt.“
Das so entstandene Kreissegment wurde anschließend auf der konvexen Gegenseite mit einem 16-mm-Standard-Schruppfräser Material im Abstand von zwei Millimetern zur Originalkontur herausgearbeitet. Anschließend ließ man einen 12-mm-Halbrundfräser die Ranken konturparallel abfahren.
Hierfür eignet sich besonders die Werkzeugwegstrategie „Hohlkehle“. Dabei wird konturparallel zu einer Kurve gefräst, welche die Hauptrichtung der einzelnen Ranke vorgibt. So entsteht ein Fräsergebnis, das dem handwerklichen Schnitzen sehr nahe kommt.
Im nächsten Schritt werden die Vertiefungen, die kleiner als 12 mm sind, mit einem 5-mm-Halbrundfräser nachbearbeitet, da ansonsten das Schlichtwerkzeug brechen würde. Dieses erreicht auf Anhieb nämlich auch die Vertiefungen, die das Vorgängerwerkzeug aufgrund des Durchmessers nicht vorschruppen konnte. Die in Mastercam vorgesehene Strategie „Restmaterialschruppen“ berechnet diese Bahnen automatisch in Abhängigkeit vom vorherigen Fräswerkzeug.
Letzte Schritte, längste Schritte
Nachdem die Werkzeugwege bisher alle dem Schruppen bzw. Vorfräsen gegolten haben, fehlte noch das Endschlichten: Ein Bahnversatz von 0,4 mm gewährleistete dabei eine saubere Oberfläche. Die Vorschubgeschwindigkeit lag bei 6 bis 8 m/min. Damit war Weinzierl auch bei der langwierigsten Fräsoperation angekommen: 70 % des Zeitaufwands gingen zulasten des Endschlichtens. Für die Homag BOF 311 bedeutete das: drei Tage fräsen, nonstop, rund um die Uhr.
Gewusst wie: Kleben statt spannen
Beim Werkstückspannen setzte Weinzierl auf eine eigene Lösung: „Ich habe einen entsprechenden Sprühkleber ausfindig gemacht. Dieser lässt sich auch nach Wochen noch rückstandsfrei lösen. Bezüglich der Auftragsmenge sollten zuvor allerdings Versuche gemacht werden. So habe ich sämtliche Rankenwerke mit Sprühkleber auf einer Opferplatte fixiert und dann im Anschluss abgelöst. Plane Flächen wurden dabei in der Furnierpresse und gebogene Rankenwerke mittels Vakuumtisch verpresst.“ (cn/Quelle: Homag, Julia Weber) I
  • 3D-Holzdesign
  • 83278 Traunstein

Daten und Fakten Auf einen Blick
  • Die Bauzeit der Orgel betrug ein Jahr, die Aufbauzeit in Penza rund sechs Wochen. Die Orgel (Breite 12,5 m, Höhe 10,5 m, Tiefe 4,5 m) verfügt über 47 Register, verteilt auf drei Manuale und Pedal. Besonderheit: großes symphonisches Orgelwerk mit einem neoklassizistischen Orgelgehäuse.
  • Die Herstellung der Ornamente erfolgte auf einem Homag-Bearbeitungszentrum BOF 311 (Bearbeitungshöhe 300 mm) mit Fünfachs-Frässpindel Drive 5+ (15 kW, 24 000 min-1)
  • Am Projekt beteiligte Unternehmen:

„Virtuos CNC-gefräst“
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