Whitepaper 5Xcellence PART 2

Die Wahl des richtigen 5-Achs-Maschinenkonzepts

Fokus

Whitepaper zum Thema Industriemarketing für Geschäftsführer und Produktionsleiter.

Zusammenfassung

Viele Investitionsentscheidungen im Bereich der Fünfachsentechnik scheitern auf der falschen Abstraktionsebene. Käufer vergleichen Verfahrwege, Spindeldaten und Listenpreisoptionen, während der tatsächliche Leistungsbereich bereits viel früher durch das Maschinenkonzept selbst bestimmt wird: wo die Drehachsen angeordnet sind, welche Massen bewegt werden, wie lang die strukturellen Kraftwege sind und wie sich Steifigkeit und thermisches Verhalten unter Last beeinflussen.

Ein Maschinenkonzept ist daher keine rein ästhetische Designentscheidung. Es legt fest, wie eine programmierte Position in tatsächliche Achsbewegungen umgesetzt wird und wie Prozesskräfte, Wärmeeintrag und dynamische Erregung von der Konstruktion aufgenommen werden. Dieses Whitepaper erläutert, warum Produktionsleiter Fünf-Achsen-Architekturen anhand der Eignung für den jeweiligen Werkstückmix, der Genauigkeitsanforderungen und des Betriebsmodells bewerten sollten – und nicht allein anhand der Anzahl der Achsen.

Warum die Maschinenarchitektur wichtig ist

Die technischen Grundlagen in Band II beschreiben fünfachsige Maschinen als gekoppelte kinematische und strukturelle Systeme. In der Praxis bedeutet dies, dass Zugänglichkeit, Geschwindigkeit, Steifigkeit, thermische Stabilität und Wartungsfreundlichkeit nicht klar voneinander getrennt werden können. Eine Maschine mit Schwenkkopf bietet zwar einen guten Zugang für große Werkstücke, kann jedoch Probleme hinsichtlich der Steifigkeit auf den Kopf und die Spindelverlängerung verlagern. Ein Drehzapfenkonzept hält das Werkzeug zwar kurz und stabil, verlagert jedoch einen größeren Teil der Werkstückmasse und -trägheit auf die Drehachsen.

Dies ist von Bedeutung, da die Maschine nicht nur der Geometrie folgt. Sie reagiert zudem auf Beschleunigungsgrenzen, Reibung, Lagerverhalten, Temperaturgradienten und Nachgiebigkeit unter Prozessbelastung. Eine 5-Achs-Plattform sollte daher unter Berücksichtigung der vorherrschenden Risiken des geplanten Produktionsportfolios ausgewählt werden.

Wichtigste kinematische Familien

Die gängigsten Maschinenkonzepte basieren auf unterschiedlichen Anordnungen der Drehachsen. Die Bezeichnungen AC, BC und AB beschreiben die Reihenfolge und Ausrichtung dieser Drehachsen. In der Fachsprache werden diese häufig als Kombinationen aus Schwenktisch, Drehzapfen, Schwenkkopf oder Kopf-Tisch bezeichnet. Technisch gesehen ist die Sache ganz einfach: Jede Baureihe löst die Fragen der Ausrichtung und Zugänglichkeit auf unterschiedliche Weise und hat jeweils andere konstruktive Konsequenzen.

Konzeptionen mit Tischdrehung bewegen in der Regel größere Massen und stellen daher bei hohen Werkstückgewichten eine Herausforderung für die Achsendynamik dar. Konzeptionen mit Kopfdrehung gewährleisten in der Regel eine höhere Werkstückstabilität und besseren Zugang, können jedoch zu längeren strukturellen Hebelarmen in der Nähe der Werkzeugspitze führen. Hybridkonzepte erweitern den Orientierungsspielraum, erhöhen jedoch die Systemkomplexität, den Kalibrierungsaufwand und die Empfindlichkeit gegenüber der Parameterqualität.

Von der Kinematik zur Unternehmensleistung

Für Produktionsleiter wird die Bedeutung deutlich, wenn die Maschinenstruktur in betriebliche Auswirkungen übersetzt wird. Eine schlechte kinematische Konditionierung in der Nähe von Singularitäten oder ungünstigen Bereichen kann zu einer Verringerung der Vorschubgeschwindigkeit, unvorhersehbaren Drehbewegungen oder Einschränkungen im Programm führen. Eine geringe strukturelle Steifigkeit kann Schwingungen und Oberflächenprobleme verstärken. Thermische Abweichungen können die Maßhaltigkeit über längere Schichten hinweg oder bei gemischtem Betrieb beeinträchtigen.

Wirtschaftlich äußern sich diese Auswirkungen in einer geringeren nutzbaren Vorschubgeschwindigkeit, einem höheren Aufwand für die Prozessoptimierung, längeren Erprobungsphasen, einer stärkeren Abhängigkeit von der Erfahrung des Bedieners und engeren sicheren Prozessfenstern. Umgekehrt bietet ein gut abgestimmtes Maschinenkonzept breitere stabile Schnittfenster, eine besser vorhersehbare Bahnführung und geringere Reibungsverluste bei der Industrialisierung.

So passen Sie den Maschinentyp an den Teilesortiment an

Eine praxisorientierte Auswahllogik orientiert sich an den Werkstücken und nicht an der Maschinenbroschüre. Für hochwertige, kompakte Teile mit komplexer Ausrichtung eignen sich oft tisch- oder Drehbankkonzepte gut, sofern die Werkstückmasse überschaubar bleibt. Große oder unhandliche Teile profitieren von kopfbasierten Konzepten, da das Werkstück dabei stabiler gehalten werden kann. Teile mit hohen Genauigkeitsanforderungen und anspruchsvoller Oberflächenqualität benötigen nicht nur eine gute Zugänglichkeit, sondern auch einen kurzen und steifen Kraftweg zur Schneidkante.

Die richtige Entscheidung hängt daher von drei miteinander verknüpften Faktoren ab: dem Zugang zur Geometrie, dem dynamischen Lastpfad und dem thermischen Verhalten über den tatsächlichen Produktionszeitraum hinweg. Aus diesem Grund können Betriebe mit scheinbar ähnlichen Teilekategorien sich bewusst für unterschiedliche Architekturen entscheiden.

Was Entscheidungsträger prüfen sollten

Eine fundierte Bewertung sollte mehr als nur einen Probeschnitt umfassen. Die Entscheidungsträger sollten prüfen, welche Achsen die Werkstückmasse tragen, wo die Hauptnachgiebigkeitspfade liegen, wie sich die Drehbewegungsgrenzen auf die geplanten Werkzeugausrichtungen auswirken und wie thermisch empfindlich das Konzept bei Langzeitbetrieb ist. Sie sollten sich außerdem fragen, wie die Maschine kalibriert wird, wie Abweichungen überwacht werden und inwieweit die Prozessleistung eher von der Softwarekompensation als von strukturellen Sicherheitsmargen abhängt.

Eine weitere oft übersehene Variable ist die Wartungsfreundlichkeit. Ein Maschinenkonzept, das zwar nur unter idealen Parametern gut funktioniert, dessen Neukalibrierung oder Fehlerdiagnose jedoch schwierig ist, kann über den gesamten Lebenszyklus hinweg hohe Kosten verursachen, insbesondere in Umgebungen mit Mehrschichtbetrieb.

Fazit

Ein Fehler beim Kauf einer 5-Achs-Maschine ist die Annahme, dass alle Maschinenkonfigurationen bei gleicher Achsenzahl zu denselben wirtschaftlichen Ergebnissen führen. Der richtige Ansatz besteht darin, zu verstehen, dass Kinematik und Struktur das verborgene Betriebsmodell der Maschine bilden. Sie entscheiden darüber, inwieweit die versprochene Produktivität, Genauigkeit und Flexibilität in der Serienfertigung tatsächlich erreicht werden kann.

Für Führungsteams ist die Schlussfolgerung klar: Wählen Sie das Maschinenkonzept, das sowohl den physikalischen Anforderungen Ihrer Teile als auch den wirtschaftlichen Gegebenheiten Ihres Werks entspricht. Diese Abstimmung trägt mehr zur langfristigen Rentabilität bei als jedes einzelne Optionspaket.

Literaturverzeichnis

Brecher, C. und Weck, M. (2021). Produktionssysteme für Werkzeugmaschinen 2: Konstruktion, Berechnung und messtechnische Bewertung. Berlin: Springer.

Mayr, J. et al. (2012). „Thermische Probleme bei Werkzeugmaschinen“, CIRP Annals – Manufacturing Technology, 61(2), S. 771–791.

Florussen, G.H.J., Spaan, H.A.M. und Schellekens, P.H.J. (2012). „Dynamischer R-Test für Drehtische an 5-Achsen-Werkzeugmaschinen“, Procedia CIRP, 1, S. 610–615.

ISO (2001). ISO 841: Industrielle Automatisierungssysteme und Integration – Numerische Steuerung von Maschinen – Koordinatensystem und Bewegungsnomenklatur. Genf: Internationale Organisation für Normung.

DMG MORI (2024). 5-Achs-Bearbeitungszentren: Whitepaper.

Hermle AG (2020). Hermle-Broschüre C32 (EN).

Autor:

CHIRON Group SE

Matthias Rapp

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