Maschinenfabrik Berthold Hermle AGMaschinenfabrik Berthold Hermle AG

Von Mensch zu Mensch!
Anwenderberichte

Automatisierte Präzisionsfertigung von Titanwerkstücken

10.12.2012

Herrmann Ultraschall setzt für die prozessstabile Fertigung reproduzierbar hochgenauer Titan-Schweißwerkzeuge auf die Kombination CNC-5-Achsen-Hochleistungsbearbeitungszentrun mit robotergestütztem Werkstück-Magazin- und Handhabungssystem von Hermle.

Gewusst wie oder: Physikalische Gesetze intelligent genutzt - mit dieser Philosophie wurde das mittelständische Unternehmen Herrmann Ultraschall GmbH & Co. KG, D-76307 Karlsbad, in 50 Jahren zum führenden Systemanbieter im Bereich der Ultraschalltechnik. Gegründet im Jahr 1961, entwickelte sich Herrmann aus kleinen Anfängen heraus zum Global Player mit weltweit drei Standorten in Deutschland, USA und China. Im Stammhaus Karlsbad sind heute rund 190 MitarbeiterInnen mit Entwicklung, Vertrieb, Produktion und Verwaltung beschäftigt. An den Standorten Bartlett, Illionis/USA und Taicang/China befassen sich weitere gut 30 Fachleute mit dem Vertrieb, der Anwendungsberatung und Betreuung der dortigen Märkte. Mit Maschinen, Werkzeugen und Komplettlösungen zum Verschweißen von thermoplastischen Kunststoffen oder zum Schneiden von Backwaren wird ein Gesamtumsatz von jährlich etwa 40 Mio. € erzielt. Wie im Eingangssatz angedeutet, handelt es sich bei der Ultraschallfüge- und Schneidtechnik um komplexe Prozesse, bei denen die Nahtgestaltung der zu verbindenden Teile, das Materialverhalten der Werkstoffe, und vor allem die Form sowie das physikalische Schwingungsverhalten der Sonotroden entscheidenden Einfluss auf den Produktionserfolg haben. Herrmann überlässt hier nichts dem Zufall und setzt deshalb zum einen auf die nachdrückliche Anwendungsberatung, und zum anderen auf das Know how und die Qualität Made in Germany. Im Klartext heißt dies, dass sämtliche Bauteile und Baugruppen entweder in Eigenregie oder bei ausgewählten Zulieferern produziert werden; wobei man sich im Stammhaus Karlsbad mit der rund 70 Mann starken Fertigung auf die Herstellung von Kernkompetenz-Bauteilen und -Baugruppen sowie die Endmontage der Geräte und Komplettsysteme konzentriert.

Die Herausforderung: Präzisionsfertigung von Titan-Sonotroden

Speziell die aus dem Werkstoff Titan bestehenden Sonotroden verlangen allerhöchste Aufmerksamkeit bezüglich Auslegung, Formgebung, Konstruktion, Programmierung und Fertigung. Dazu sagte der Betriebsleiter von Herrmann Ultraschall, Andreas Zipper: „Zum Schweißen wird die Titan-Sonotrode zum Schwingen gebracht. Dazu erfolgt ein Umwandeln von elektrischer Spannung in eine Ultraschallfrequenzschwingung zwischen 20 und 35 Kilohertz. Die mechanische Vibration der Sonotrode, bei 35 kHz sind das dann pro Sekunde 35.000 Schwingungen, wird in die Fügezone des Werkstücks eingeleitet, schmilzt dort das Material durch Molekular- und Grenzflächenreibung auf, und verbindet es punktgenau, dicht und optisch einwandfrei. Um reproduzierbar gute Schweißergebnisse zu bekommen, sind hochpräzise gefertigte Titan-Sonotroden unerlässlich, was natürlich eine entsprechende Bearbeitungsqualität voraussetzt. Wir sprechen hier bei Sonotroden-Abmessungen mit 50 x 50 mm bis 50 x 300 mm von Bearbeitungsgenauigkeiten im Bereich 40 μ und müssen diese vor allen Dingen reproduzierbar darstellen können. Denn selbst kleinste Abweichungen beeinflussen die Schweißqualität negativ und weil die Sonotroden auf Grund der hohen Schwingungen verschleißen, müssen für einen Serien-Schweißprozess des Öfteren eine ganze Anzahl gleicher Ersatz-Sonotroden produziert werden". Zwar wird heute, gegenüber dem früher empirischen Ermitteln der optimalen Sonotroden-Form, auf software- und maschinentechnische Technologie-Basisdatenbanken und FE-Methodik gesetzt, jedoch bleiben die bearbeitungstechnischen Anforderungen prinzipiell die gleichen. Es gilt zunächst die Grundform der Sonotrode herzustellen, dann diese von der Maschine herunterzunehmen und im Schweißsystem zu testen, eventuell wieder auf die Maschine zu nehmen und solange anzupassen, bis es wirklich „passt". Stellte sich dies früher wie erwähnt als aufwändiger mehrstufiger Prozess dar, so nutzt Herrmann Ultraschall heute die moderne 5-Achsen-/5-Seiten-Komplettbearbeitung und setzt dabei bevorzugt auf CNC-5-Achsen-Hochleistungs-Bearbeitungszentren der C-Baureihe vom Typ C 30 U der Maschinenfabrik Berthold Hermle AG, D-78559 Gosheim.

Logische nächste Stufe: Roboter-Automation!

Die beiden BAZ C 30 U sind genauso ausgerüstet wie das bereits vorhandene C 30 U, also mit NC-Schwenkrundtisch 280 mm, mit Zusatz-Werkzeugmagazin für zusammen 157 Plätze mit 18.000er Motorspindel, mit der Steuerung iTNC 530, mit Nullpunkt-Spannsystem, und auch in diesem Fall mit den Schnittstellen für die Kombination mit dem Robotersystem RS 2. Der Roboter nimmt inklusive Werkstück-Palette Lasten bis 270 kg auf, wobei im System Paletten verschiedenster Größen und Ausführungen bis 500 x 500 x 400 mm (L x B x H) bevorratet und gehandhabt werden können. Das kompakte Palettenmagazin selbst kann bis zu sechs Schwerlastregale enthalten und sorgt so für einen entsprechenden Vorrat an Arbeit im mehrschichtigen Betrieb. Im Fall Herrmann Ultraschall heißt dies, dass auf dem automatisierten Fertigungssystem 2 x C 30 U mit RS2 bevorzugt Titan-Sonotroden mit längeren Bearbeitungszeiten, bis zu 12 Stunden ,gefertigt werden. Damit kann man vor allem in der unbemannten Nachtschicht sowie an Wochenenden unterbrechungsfrei arbeiten, wobei die Auswahl der Werkstücke dann auf die unbemannten Fertigungszeiten hin ausgerichtet wird. Abschließend meinte Andreas Zipper: „Bei aktuell pro Jahr 5000 bis 6000 aus dem zerspantechnisch kritischen Werkstoff Titan zu produzierenden Sonotroden kommt es stark darauf an, dass die Leistungsfähigkeit von Mensch und Maschine dauerhaft gegeben ist. Mit den Hermle-Bearbeitungszentren haben wir die Kapazitäts- und Qualitäts-Voraussetzungen geschaffen, um im Mehrschichtbetrieb solche Stückzahlen und oder auch die damit verbundenen Bearbeitungsumfänge sicher bewältigen zu können. Hatten die zuständigen Mitarbeiter anfangs Bedenken ob ihres Arbeitsplatzes, so konnten wir sie durch intensive Information und Schulung sowie Höherqualifikation davon überzeugen, dass wir gerade auch zur Arbeitsplatzsicherung den Weg der Produktions-Automatisierung gehen müssen."

Konsequente Vorgehensweise

Schließlich verlangte der maschinelle Kapazitätsausbau auch mehr Fachpersonal, so dass in der heute mit 16 plus 6 Mann (16 Fachkräfte plus sechs Auszubildende) besetzten Fräsabteilung mit 14 Maschinen im bemannten Zweischichtbetrieb pro Schicht 10 Fachkräfte eingesetzt sind und die dritte Schicht komplett mannlos gefahren wird. Zudem sind alle Fachkräfte auf allen Systemen geschult und damit sowohl für die Bedienung der CNC-Bearbeitungszentren sowie der CNC-5-Achsen-Bearbeitungszentren als auch für die Robotersysteme RS 60 und RS 2 qualifiziert. Der Entschluss der Geschäftsleitung, und der für die Produktion Verantwortlichen, trotz der weitgehend vorherrschenden Einzelteil- und Kleinserien-Fertigung an Titan-Sonotroden auf einen vollautomatisierten Betrieb zu setzen, ist als sehr weitsichtig anzusehen. Dies ist auch daran abzulesen, dass das bereits vorhandene Fertigungssystem mit den beiden BAZ`s C 30 U mit RS 2 von Hermle in absehbarer Frist sozusagen „dupliziert" werden soll, um noch mehr Flexibilität und Kapazitäten für die vollautomatisierte Sonotroden- und Bauteile-Fertigung zu erhalten.

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