Wenn ein Schweizer Typ eine Drehmaschine und eine fünfachsige Fräse ist

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#Neues aus der Industrie

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Die Werkstatt in Blaine, Minnesota, die kürzlich nach ISO 13485 zertifiziert wurde, hatte das implantierbare, medizinisch hochwertige Polyetheretheretherketon (PEEK)-Teil, das bei Knieersatzverfahren verwendet wird, an zwei CNC-Maschinen eingesetzt. Eine fünfachsige Maschine fräste einen Großteil des Teils (Zykluszeit war 45 Minuten) und eine dreiachsige Maschine komplettierte es (Zykluszeit war 15 Minuten). Heute wird dieses Teil in 15 Minuten auf einer Marubeni Citizen-Cincom L220 Schweizer Drehmaschine komplett bearbeitet.

Challenge Machine kaufte seine erste L220 im Jahr 2015. Inzwischen hat sie zwei weitere hinzugefügt. Die PEEK-Komponente ist eines von vielen Beispielen für komplett auf den B-Achsen-Schweiz-Typen bearbeitete Teile, von denen einige zuvor über mehrere Fräser liefen. Während diese Schweizer Typen in erster Linie Drehzentren sind, ermöglichen die B-Achsen-Werkzeughalter die Funktion als fünfachsige Fräser mit Stangenlader, die einen langen unbeaufsichtigten Betrieb ermöglichen. Bei einem kürzlichen Besuch erfuhr ich, wie das Geschäft von dieser Technologie profitiert, einige der Herausforderungen, vor denen es stand, sie zu übernehmen, und einige der Lektionen, die es dabei gelernt hat.

Jim Betland startete Challenge Machine 1999 in seinem Keller. Ein großer Teil des Geschäfts entfiel auf die Mikrobearbeitung von Teilen für die Halbleiterindustrie. Heute befindet sich die Werkstatt in einer 16.000 Quadratmeter großen, umweltfreundlichen Anlage nördlich von Minneapolis und führt immer noch ein gutes Stück Mikrobearbeitung für diese und andere Industrien durch, darunter Automobil, Medizin und Verteidigung. Vor kurzem wurde sogar eine Sodick UH430L CNC-Fräse mit 60.000 U/min Spindel und Palettenwechsler hinzugefügt, um lange Strecken der unbeaufsichtigten Mikrobearbeitung zu ermöglichen.

Obwohl nicht alle Arbeiten der Werkstatt mit Mikrobearbeitung verbunden sind, ist fast alles komplex. Dies ist ein Grund, warum der Shop sein erstes Paar Schweizer Typen hinzugefügt hat. Obwohl diesen Maschinen die B-Achsen fehlten, ermöglichten ihnen die Werkzeugmaschinenstationen die Durchführung von Fräsarbeiten. Eine davon war eine Gegenspindel, die teilbearbeitete Teile von der Hauptspindel für die Rückseitenbearbeitung entnehmen konnte.

Die L220 waren die ersten B-Achsen-Schweiz-Typen der Werkstatt. "Es gibt sicherlich eine Lernkurve mit diesen Maschinen", sagt Herr Betland. "Geschäfte, die neu für diese Art von Schweizer Typen sind, sollten damit rechnen, dass es Zeit braucht, bis sie die B-Achse wirklich voll ausnutzen können."

Die Werkstatt beauftragte den Maschinisten Eric Grue damit, die Besonderheiten der B-Achsen-Bearbeitung an diesem ersten L220 zu erlernen. Er war mit den Schweizer Typen und insbesondere mit den Marubeni Citizen-Cincom Geräten vertraut, aber dies war seine erste Erfahrung mit einem B-Achsenmodell. "Es hat ein Jahr gedauert, bis wir die B-Achse wirklich ausgenutzt haben", sagt er. "Eine Weile haben wir sie nur für die Querbearbeitung normal zum Stangenmaterial oder für die geradlinige Rückseitenbearbeitung verwendet."

Jetzt führt die Werkstatt einiges an Bohren und Fräsen in Winkeln durch, die nicht normal zur Stangenmitte sind (die B-Achse bietet 135 Grad Drehung). Ein Trick, den Mr. Grue entdeckte, war die Verwendung eines Schaftfräsers anstelle eines Spotting-Werkzeugs, um ein Pilotloch für das Winkelbohren zu erstellen. Das flache Ende des Werkzeugs verhindert ein "Gehen", da es in einem ungeraden Winkel mit dem Material in Eingriff kommt. Darüber hinaus stellt er fest, dass bei der Mikrobearbeitung mit der B-Achse (d.h. bei Werkzeugen mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm) sehr geringe Schnitttiefen und langsame Vorschübe erforderlich sind. Denn wenn sich die Linear- und Axialachsen synchron bewegen, belasten sie das Werkzeug stark. So hat die Werkstatt kürzlich einen 0,5 mm Bohrer mit einer Schnitttiefe von 5% und einem Vorschub von 60 mm pro Minute eingesetzt.

Er entdeckte aber auch, dass die Entwicklung von Werkzeugstrategien für diese Art von Maschine Einfallsreichtum erfordert. Im Gegensatz zu CNC-Fräsmaschinen mit leistungsstarken Werkzeugwechslern verfügen die Schweizer Typen über eine begrenzte Anzahl von Werkzeugstationen. Die L220 verfügen über fünf Drehstationen, drei Querarbeitsplätze für die Hauptspindel, sechs gegenüberliegende Stationen (drei live, drei statisch), acht Stationen am Rückenpfosten (vier live, vier statisch) und vier Live-Stationen am Werkzeughalter der B-Achse. "Es gibt einfach nicht die Kapazität, Specials wie kundenspezifische Formwerkzeuge zu verwenden, wie wir es auf einer Fräse tun könnten", sagt Herr Grue. "Wir müssen kreativ sein, wenn es darum geht, Kugelmühlen, Bohrstangen, Nutenwerkzeuge und dergleichen einzusetzen, um die komplexen Merkmale zu erzeugen, die Teile benötigen, wie die glockenförmige ID-Geometrie auf dem PEEK-Knieersatzteil."

Es gibt auch verschiedene Möglichkeiten, wie ein Teil innerhalb des Volumens des Stangenmaterials ausgerichtet werden kann. Die Teileorientierung wird manchmal davon bestimmt, welches Merkmal, das auf der Hauptspindel bearbeitet wird, eine ausreichende Länge aufweisen würde, die die Gegenspindel greifen kann. Dies ist typischerweise ein rundes Merkmal, aber in einem Fall hat Herr Grue ein quadratisches Profil in eine ER-Spannzange gefräst, um es an einem passenden quadratischen Merkmal am Ende des Teils zu befestigen.

Der Vorteil der Challenge Machine besteht darin, dass die drei L220 Teile mit Öl oder Druckluft kühlen können. Ölkühlmittel wird häufig bei der Metallbearbeitung verwendet. Tatsächlich verfügt der neueste L220 über eine Hochdruck-Kühlmittelzufuhr, um die Spanabfuhr beim Tiefbohren in Edelstahl 17-4 und 304 zu verbessern.

Druckluft ist für Kunststoffe nützlich, da Öl diese Materialien verunreinigen kann. Die Werkstatt kann von laufenden Metallteilen zu laufenden Kunststoffteilen wechseln, indem sie einfach Spannzangen und Führungsbuchsen reinigt und Kühlmittel von Werkzeughaltern sowie Kühl- und Druckluftleitungen abwischt. Das ist kein akribischer Prozess. Der Schlüssel dazu ist, dass kein Restöl auf den Kunststoff tropft. Die chargenweise Planung von Medizin- und Kunststoffaufträgen trägt dazu bei, Umrüstungen zu minimieren. Challenge Machine verwendet auch Druckluft, um empfindliche Kunststoffteile aus der Gegenspindel auszuwerfen, da der Auswerferstift der Maschine eine Markierung hinterlassen könnte.

Eine spezielle Technik für PEEK-Teile besteht darin, die Länge des Stangenmaterials "Rest" zu minimieren, d.h. das verbleibende Ende des Stangenmaterials, das aufgrund des Abstands zwischen der Hauptspannzange eines Schweizer Typs und der Bogenführungsbuchse nicht bearbeitet werden kann. Die Restlänge liegt typischerweise zwischen 7 und 12 Zoll, was für Kunden, die das Material liefern, kostspielig sein kann (eine 36 Zoll Länge dieses Materials kostet ca. 1.800 $). Verlängerungen aus bearbeitetem Stahl, die in das Ende der Stange eingeschraubt werden, reduzieren die PEEK-Restlänge auf 2 Zoll.

Im Nachhinein hätte die Werkstatt Maschinen mit einem Stangenmaterialdurchmesser von 32 mm statt 20 mm für größere Teile in Betracht ziehen sollen, sagt Herr Betland. Sie hätte wahrscheinlich auch nicht mehrere elektrische Hochgeschwindigkeitsspindeln mit 80.000 U/min gekauft, wie bei den ersten beiden L220 (eine Maschine mit 6.000 U/min für den Einsatz unter Spannung und die anderen 9.000 U/min). "Für die Bearbeitung mit kleinen Werkzeugen sind nicht unbedingt sehr hohe Drehzahlen erforderlich", erklärt Herr Grue. "Die 9.000 U/min, die zwei unserer L220s anbieten, reichen dafür aus. Außerdem haben die Elektrospindeln ein minimales Drehmoment, so dass man mit ihnen keine vernünftige Schnitttiefe in Metallen erreichen kann."

In Zukunft erwägt Challenge Machine, gekühlte Kühlverfahren wie komprimiertes CO2 oder Trockeneisstrahlen für die Kunststoffbearbeitung einzusetzen, um die Wahrscheinlichkeit von Gratbildung auf dem Bauteil zu reduzieren. Herr Grue erklärt, dass bei der Kunststoffbearbeitung das Werkzeug- und Basismaterial die Wärme nimmt, anstatt die Wärme, die mit dem Chip entweicht. Je höher die Materialtemperatur des Basisteils, desto wahrscheinlicher ist es, dass das geschnittene Material ausfranst und mit dem Teil verbunden bleibt. Die Verwendung von Kaltluft als Kühlmittel in Kombination mit scharfen, unbeschichteten Schneidwerkzeugen reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass dies geschieht.

In Kürze wird auch die Schweizer Programmierung auf die CAD/CAM-Software GibbsCAM umgestellt, die sie derzeit für CNC-Fräsen einsetzt. Die Werkstatt schätzt die Simulationsmöglichkeiten der Software und die MultiBlade Werkzeugwegstrategie. Derzeit verwendet MultiBlade zur Bearbeitung von Kunststofflaufrädern auf seinen fünfachsen Maschinen, möchte diese Arbeit aber auf die L220 übertragen, um die Vorteile der unbeaufsichtigten Bearbeitung zu nutzen.