Mikrozerspanung mit Parallelkinematik

In der spanenden Bearbeitung geschieht es äußerst selten, dass neue Maschinen bewährte Technologien infrage stellen. In der Regel weisen diese mehr oder weniger größere Weiterentwicklungen von Bekanntem auf. Die ›701S‹ von Willemin-Macodel bricht mit dieser Tradition und sorgt für einen Technologiesprung in der Mikrotechnikwelt. Dazu stelle man sich einen umgekehrten Delta-Roboter vor, der das Werkstück in einem über drei Arme verbundenen Korb hält. Die Arbeitsspindel ist an einem feststehenden Träger über dem 3-Achsen-Tisch montiert. Der große Vorteil dieses Systems besteht darin, dass eine sehr geringe Masse bewegt und trotzdem eine hohe Steifigkeit gewährleistet wird (Bild 1).

Parallele Kinematik erreicht Sub-μm-Präzision

Die Idee, eine Bearbeitungsmaschine mit einer parallelen anstatt der herkömmlichen seriellen Kinematik zu entwickeln, ist zwar nicht neu, aber bis heute wurde noch nie eine derart ausgereifte Technik erreicht. Nach mehreren Jahren Entwicklung im Rahmen eines Konzepts der ETHL bringt Willemin-Macodel eine völlig neuartige, vollständig in der Schweiz entwickelte und hergestellte Delta-Mikrobearbeitungsmaschine mit Sub-μm-Präzision auf den Markt (Bild 2). Bei der für die Bearbeitung kleiner Werkstücke (Ø 50 x 30 mm) ausgelegten Bearbeitungsstrategie der neuen Maschine dreht sich alles um die ›Interpolation‹. Das Resultat ist eine sehr hohe Dynamik des Maschinensystems und eine Reduzierung der benötigten Werkzeuge. Die Ingenieure integrierten außerdem eine neue CNC-Steuerung auf PC-Basis, die viel schnellere Regelkreise als herkömmliche Steuerungen gewährleistet und dazu Glasmaßstäbe mit einer Auflösung von weniger als 10 nm integriert. Die Verbindung der hohen Auflösung der Maßstäbe mit der ultraschnellen Regelkreisberechnung erreicht eine Bahngenauigkeit im Sub-μm-Bereich. Somit können Bahnfehler im Vergleich zu herkömmlichen Maschinen auf dem Markt um das 10-Fache reduziert werden. Eine Motorspindel mit 80 000 rpm und einer hervorragend ausgewuchteten Spindelwelle ohne schwebende mechanische Elemente sorgt zudem für äußerste Rotationsgenauigkeit. Diese Genauigkeit bis zur Werkzeugspitze wird dadurch erreicht, dass der Werkzeughalter wegfällt und das Werkzeug direkt in der Spindelwelle befestigt wird. Dies führt außerdem zu einer höheren Bearbeitungspräzision, einer besseren Oberflächengüte und einer längeren Standzeit der Werkzeuge.

Bei jedem Werkzeugwechsel kontrolliert ein optisches Messsystem die Position und die Geometrie der rotierenden Werkzeuge und nimmt die für die Einhaltung der Sollwerte notwendigen Korrekturen vor (Bild 3). Das System ist in der Lage, die Restunwucht der Werkzeuge direkt zu korrigieren, außerdem kann es Verschleiß- und Schnittkantenprobleme erkennen und kompensieren. Wie jedes Maschinenelement entwickelte Willemin-Macodel auch die Systemsoftware speziell für die neue Kinematik der 701S.

Beschleunigungen bis zu 5 G und hohe Energieeffizienz

Wenn man von hoher Präzision spricht, assoziieren damit die Maschinenhersteller in der Regel Masse und Steifigkeit. Willemin-Macodel hat sich von diesem Paradigma abgewendet. Die Parallelkinematik reduziert die bewegte Masse und bewahrt gleichzeitig eine hohe Steifigkeit beim Vorschubantrieb. Die Kombination dieser beiden Elemente garantiert eine hohe Eigenfrequenz, eine hohe Dynamik und eine äußerst zuverlässige Bahnkontrolle bei hoher Geschwindigkeit. Dank dieser Bauart ist die Maschine in der Lage, Beschleunigungen von bis zu 5 G zu bewältigen. Eine direkte Auswirkung dieses innovativen Maschinenkonzepts ist vor allem der geringe Energiebedarf bei der Bearbeitung, vergleichbar mit dem eines Haartrockners. Ausgesprochen energieeffiziente Motoren und Aktuatoren reduzieren die Wärmeverluste und stellen eine umfassende Thermostabilität sicher, was eine erhöhte Präzision am Werkstück zur Folge hat. Der geringe Energieverbrauch der Maschine wirkt sich auch dahingehend aus, dass keine energiefressenden Peripherieanlagen für die Nachbehandlung abgegebener Energie entwickelt werden müssen. Vor diesem Hintergrund ist es nicht übertrieben, von einer neuen Energieeffizienzklasse zu sprechen.

Revolution der 3-Achsen-Bearbeitung

Die 701S sprengt die Grenzen der herkömmlichen Bearbeitung: Bei der Fertigung von Werkstücken für Kunden, die an der Entwicklung der Maschine beteiligt waren, konnten deutliche Einsparungen bei der Zykluszeit erreicht werden. Je nach Anwendung kann diese im Vergleich zur traditionellen Bearbeitung um das 2- bis 5-Fache verringert werden. Doch sind erheblich verringerte Betriebskosten nicht das ausschlaggebende Argument – auch die gefertigten Teile müssen unvergleichbar sein und absolut überzeugen. Und genau darauf haben die Ingenieure von Willemin-Macodel hingearbeitet: Was die Präzision anbelangt, arbeitet die Maschine im Sub-μm-Bereich und erreicht eine Oberflächengüte, die einer geschliffenen Fläche nahekommt. Eventuelle weitere Superfinish- Nachbearbeitungen erweisen sich zudem als sehr einfach. Die Maschine wurde, zusammen mit anderen Partnern des Unternehmens, mehrere Monate lang getestet. Die erzielten Resultate gehen dabei über die gesetzten Ziele sogar noch hinaus. Um die Fachleute von der neuen Technologie zu überzeugen, realisierte das Unternehmen zahlreiche Teile auf der 701S. Die Hauptvorteile, die die Kunden hervorgehoben haben, sind:

• sehr kurze Bearbeitungszeiten,
• sehr hohe Präzision und Oberflächengüte, 
• geringe Betriebskosten der Maschine, 
• minimaler Energieverbrauch, 
• geringer Platzbedarf sowie 
• eine einfache Programmierung und 
• besonders ergonomische Gestaltung.

Besondere Aufmerksamkeit galt auch den Neuentwicklungen wie der Motorspindel mit 80 000 rpm, dem vollständig in die Maschine integrierten Paletten- und Werkzeugwechselsystem sowie den innovativen Gelenk- und Armsystemen für den Werkstückkorb (Bild 4). Nicht zuletzt auch aufgrund ihrer Bodenfläche von 1 qm beeindruckt die 701S durch ihre Kompaktheit und Effizienz. Mit der 701S bietet der Maschinenhersteller aus dem Schweizer Jura eine neue Kategorie an Maschinen an, deren Ziel nichts Geringeres als die Revolution der 3-Achsen-Bearbeitung ist. Gerade in der Uhrenteilefertigung und im Mikrospritzguss ist bereits reges Interesse erkennbar. Die Maschine wird auf der EMO in Hannover als Weltneuheit präsentiert. Erste Auslieferungen sind ab dem ersten Quartal 2014 geplant.

Hersteller:
Willemin-Macodel SA
CH-2800 Delémont
Tel. +41 32 4270303
Fax +41 32 4265530
www.willemin-macodel.com