Fertigungstechnologie in den neunziger Jahren. Werkzeugmaschinen im Wandel: 298. Sitzung am 7. Juli 1982 in Düsseldorf

82 Pages·1983·3.214 MB·German

by  Wilfried König, Manfred Weck (auth.)

Rheinisch-Westfalische Akademie der Wissenschaften
Natur-, Ingenieur-und Wirtschaftswissenschaften Vortrage . N 317
Herausgegeben von der
Rheinisch-Westfalischen Akademie der Wissenschaften
WILFRIED KONIG
Fertigungstechnologie in den neunziger Jahren
MANFRED WEeK
Werkzeugmaschinen im Wandel
Westdeutscher Verlag
298. Sitzung am 7. Juli 1982 in Dusseldorf
CIP-KW'Ztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
KOnig, w"dfried:
Fertigungstecbnologie in den neunziger Jahren / Wilfried Konig. Werkzeug
maschinen im Wandel/Manfred Wecli.. -Opladen: WestcIeutscber Verlag, 1983.
(Vortrige / Rheinisch-Westlilische Akademie der Wissenschaften: Natur-, •
nieur-u. Wirtschaftswiss.; N 317)
NE: Rheinisc:b-Westlilische Akademie der Wissenschaften (J)iisseiclorf): Vortrige /
Natur-, In~nieur- unci WlrtSChaftswissenschaften; Week, Manfred: Werkzeug
maschinen un Wandel
© 1983 by Westdeutscher Verlag GmbH Opladen
Herstellung: Westdeutscher Verlag
Satz, Druck und buchbinderische Verarbeitung: Boss-Druck, Kleve
ISSN 0066-5754
ISBN-13: 978-3-531-08317-9 e-ISBN-13: 978-3-322-85610-4
DOl: 10.l007/978-3-322-85610-4
Inhalt
Wi/fried KOnig, Aachen
J
Fertigungstechnologie in den neunziger ahren - Ziele und Edolgschancen 7
Tafeln ........................................................... 25
Diskussionsbeitrage
Dr.-lng. Bernd Blankenstein; Professor Dr.-lng. Dr. h. c. Wilfried Konig;
Professor Dr. -lng. Friedrich Eichhorn; Professor Dr. techno Franz Pischinger;
Professor Dr.-lng. Karl Friedrich Knoche; Professor Dr. rer. nat. Otto Hachen
berg; Professor Dr.-lng. Hans Gerd Dohmen; Ministerialrat Ernst Neukamp;
Professor Dr.-lng. PaulArthur Macke; Dr.-lng., Dr.-lng. E. h. Siegfried Batzel;
Dr. HeinzJ.Moelier .............................................. 31
Manfred Week, Aachen
Werkzeugmaschinen im Wandel-Forderungen der Anwender . . . .. . . . . .. 41
1. Anforderungen an Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41
2. Handhabungs-und Beschickungseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42
2.1. Einsatzzweck............................................... 42
2.2. Bereits realisierte Konzepte ........................ '. . . . . . . . ... 44
2.3. Weitere Entwicklung........................................ 45
3. Eigenschaften der mechanischen Baugruppen........................ 46
3.1. Entwicklung der Maschinenelemente .......................... 46
3.2. Maschinenkonzepte ......................................... 48
4. Maschinensteuerungen....................................... .... 49
4.1. Entwicklungsschwerpunkte .................................. 49
4.2. Programmiertechnik und -hilfsmittel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50
4.3. Struktur der Steuerung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52
5. Maschineniiberwachung ......................................... 53
5.1. Dberwachungsstrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53
5.2. Dberwachungsaufgaben...................................... 56
6 Inhalt
5.3. Beispiele zur Maschineniiberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58
5.4. Durchfiihrung der Uberwachung.. ..................... ....... 63
Tafeln ........................................................... 67
Diskussionsbeitrage
Professor Dr. techno Franz Pischinger; Professor Dr.-Ing. Manfred Weck; Pro
fessor Dr.-Ing. Hans Gerd Dohmen; Dr. Wilhelm Stupp; Professor Dr.-Ing.
RolfStaufenbiel; Dr.-Ing. E. h., Dipl.-Ing. CarlO. Bauer; Professor Dr.-Ing.
Dr. h. C. Wilfried Konig; Professor Dr.-Ing. Friedrich Eichhorn; Dr. Heinz
J. Moeller; Professor Dr.-Ing. Karl KrUmmel... . .. ..... . ..... . . .... . .. 71
Fertigungstechnologie in den neunziger Jahren
Ziele und Erfolgschancen
von Wil/ried Konig, Aachen
Die zunehmende Komplexitat technischer Aufgaben und ihrer Losungen zieht
einen erhohten Bedarf an Wissen uber die ihnen zugrunde liegenden Zusammen
hange und GesetzmaBigkeiten nach sich. Dies gilt auch in besonderem MaBe fiir die
industrielle Guterproduktion. Der Fertigungstechnologie, ich mochte sie als Wis
sen uber die notwendigen und moglichen Ablaufe zur U mwandlung eines Rohstof
fes in ein fertiges Produkt verstanden wissen, wachst somit eine die Produktions
prozesse bestimmende Rolle zu.
Alle bisherigen und wohl auch die meisten der zukunftigen Innovationen der
Fertigungstechnik weisen einen kontinuierlichen, evolutionaren Entwicklungs
weg auf, wenngleich einige dieser Wege mit auBerordentlich hohen Geschwindig
keiten zuriickgelegt wurden. In einen Ausblick auf die Fertigungstechnologie der
nmeren Zukunft muB daher notwendigerweise eine Analyse der zuriickliegenden
und gegenwartigen Entwicklung einflieBen. Die Abstraktion der Ursachen fur
aktuelle Erfolge ist eine der Orientierungsmoglichkeiten im Hinblick auf fernere
Ziele.
Zu allen Zeiten ist es das Bestreben der Produzenten und damit vorrangige
Aufgabe der Herstellungstechnologie gewesen, zu wirtschaftlichen Preisen die
Erzeugung von Produkten mit hoher und vor allem beherrschter Qualitat bei
gleichzeitig hohem Gebrauchswert zu ermoglichen. Diese Zielsetzung wird auch
in der Zukunft die Richtschnur aller Entwicklungen bleiben, sie wird aber auch
durch einige neue Rahmenbedingungen erganzt werden. Lassen Sie mich von die
sen die wesentlichen schlaglichtartig beleuchten:
Die begrenzten Vorrate an Rohstoffen und Energie erfordern einen sparsamen
Umgang mit diesen Ressourcen. Diese Forderung ist nicht prinzipiell neu, ist
jedoch erst in den letzten Ja hren durch die drastischen Preiserhohungen auf dem
Rohstoff-und Energiesektor in das BewuBtsein geriickt worden. Die hierdurch ge
schaffene Situation erfordert neben den derzeitig sichtbar werdenden Bemuhun
gen auf betrieblicher Ebene ein Uberdenken des gesamten Produktionsprozesses
yom Rohstoff bis zum Endprodukt.
Die Finanzkra/t der Klein· und mittelstandischen Industrie, die in der Bundesrepu
blik mit ca. 90% der U nternehmen das "Ruckgrat" des Maschinenbaus stellt, ist mit
kapitalintensiven Technologien uberfordert. Hier gilt es, einen wirtschaftlich und
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technisch sinnvollen KompromiB zwischen hocheffizienter, mechanisierter Ferti
gung und dem Investitionsvolumen und den daraus resultierenden Kosten fUr den
Kapitaldienst zu finden. Dieser Gedanke, er wurde unter dem Schlagwort "mittlere
Technologie" vor Jahren aufgegriffen, ist heute zu Unrecht in den Hintergrund
getreten.
Die Variantenvielfalt in der Produktpalette und dynamische Reaktionen des Welt
marktes zwingen zu einem hohen MaB an Flexibilitat der Fertigungsmittel.
Obwohl allenthalben Anstrengungen unternommen werden, die Teilevielfalt
systematisch zu gliedern, ist zu erwarten, daB die Zukunft den vielseitig verwend
baren Fertigungsstrukturen und -maschinen gehoren wird. Dies schlieBt aber nicht
aus, daB fUr spezielle Anwendungen auch weiterhin spezielle Fertigungstechnolo
gien erforderlich sein werden.
Gesundheitliche, physische wie psychische Risikofaktoren am Arbeitsplatz bedingen
den verstarkten Einsatz "humaner" Technologien. Gerade diese, sehr oft von ver
schiedenen Seiten unterschiedlich beurteilte Entwicklung hat der Fertigung bereits
entscheidende Impulse verliehen und sie zu neuen Losungen menschengerechter
T echnisierung angeregt.
Es wird die Aufgabe der Fertigungstechnologie der nachsten Zukunft sein, diese
genannten Ziele zu erreichen. Zu allen Zeiten sah sich die Technik mit hohen
Anforderungen konfrontiert und hat in der uberwiegenden Zahl der Falle die ihr
gestellten Aufgaben gelost. Hierzu hat sie sich der vielfaItigsten Mittel und Wege
bedient. Es liegt in der Natur der Technik allgemein und damit auch der Ferti
gungstechnik, daB viele Losungsmoglichkeiten zum Ziel fUhren konnen. Dennoch
haben alle Entwicklungsschritte, die in Vergangenheit und Gegenwart Erfolge er
zielten, einige prinzipielle Vorgehensweisen gemeinsam. Die standige Wechselwir
kung zwischen Theorie und Praxis, die gerade fur die Fertigungstechnologie
typisch ist, bringt es mit sich, daB in eine Problemlosung stets mehrere Denkan
satze einflieBen, die eine Entwicklung in unterschiedlicher Art und Weise beein
flussen. Hinzu kommt, daB alle bisher angewendeten Fertigungstechniken niemals
den Charakter einer endgiiltigen Losung tragen, sondern sich vielmehr in einer
standigen Weiterentwicklung befinden. Lassen Sie mich daher in der Form einer
"Momentaufnahme" einige charakteristische Merkmale solcher Losungswege dar
legen und mit Beispielen aus jungster Zeit belegen, die erfolgversprechende Ansatze
fUr die Zukunft in sich tragen.
Die technische Nutzung bekannter Wirkprinzipien hat Produktionstechniken mit
speziellen Eigenschaften und Vorzugen hervorgebracht. So ist zu erinnern an die
technische Nutzung des elektrischen Funkenuberschlages im EDM-ProzeB oder
an den ECM-ProzeB, den uns Faraday bereits elementar beschrieben hat.
Fertigungstechnologie in den neunziger Jahren 9
I
Oruckllerelch 1t\W> 80 - 700 bar 200 -1000 ba r 1000 -4000 ba r
I ... '"'
Kern-und Form- schwer zug3ngllche Fasel'le rbundwerkstolle
~ I~
reste komplexer Bearbeitungsgrate Kunststolle,oammstolle,
Geometrie beseitigen enHernen Textil, Gummi
staublrei kurze Bearbeltungszeit staubfrei
B~ kurze Bearbeitungszeit gleichzeitige Relnlgung "kalter" Schnitt
Vorteile '~/ beschadigungslrei lIexibel einsetzbar ge rlnge Schn ittkralt
F lIexibel einsetzbar automatisierbar schmale Trennluge
beliebige Schn ittrichtung
Totraume Werkstollestigkeit Werkstollestigkelt
~lJr~ Gratdicke Schnittiele
" Schn Ittqualitat
Bild 1: Einsatzgebiete des Hochdruck-Wasserstrahls
Ein augenfalliges und aktueHes Beispiel dieser Methodik steHt das Hochdruck
wasserstrahlschneiden dar. Hier wird, wie Tafel Ia) veranschaulicht, die kinetische
Energie eines gebiindelten Fliissigkeitsstrahles hoher Geschwindigkeit ausgenutzt.
Dieses Verfahren steht heute nach einer mehrjahrigen Entwicklungsphase am
Anfang seines industrieHen Einsatzes. Obwohl es schon seit der Jahrhundertwende
Versuche gegeben hat, Wasser als Werkzeug einzusetzen, hat erst die Entwicklung
leistungsfahiger Pumpen und Hochdruckkomponenten in jiingerer Zeit die Vor
aussetzung fur die Produktion serienreifer Schneidanlagen geschaffen. Selbst bei
dem jetzigen, noch vergleichsweise geringen Erfahrungs-und Entwicklungsstand
steHt diese Trenntechnik aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften eine technisch
und wirtschaftlich sinnvoHe Alternative zu den konventioneHen Verfahren dar.
Bei dem hier dargesteHten Arbeitsbeispiel einer Abdeckplatte besteht die Aufgabe
darin, eine Asbestzementplatte mit einem Innenausschnitt und einem Kontur
schnitt zu versehen und maBgenau zu besaumen. Bei konventioneller mechani
scher Bearbeitung bereitet dieser Werkstoff Probleme durch seine hohe Bruchemp
findlichkeit, durch gefahrliche Staubemission und die stark abrasiv wirkenden
Asbestanteile. Die Wasserstrahlschneidtechnik bietet hier eine sichere und um
weltfreundliche Losung.
Da sich die Energiedichte und die Gesamtenergie eines gerichteten Fliissigkeits
strahles durch Wahl der Parameter Druck und Diisendurchmesser auf einfache
10 Wilfried Konig
Weise in weiten Grenzen variieren lassen, eroffnen sich dem Hochdruckwasser
strahl die in Bild 1 genannten Einsatzbereiche GuBputzen, Entgraten und Schnei
den. Zum Entfernen von Kern-und Formresten komplexer Geometrie wird der
Wasserstrahl mit recht geringen Driicken von 80-700 bar auf das GuBteil gelenkt.
Die Bearbeitung erfolgt staub- und beschadigungsfrei bei gegenuber chemischen
Verfahren wesentlich geringeren Hauptzeiten und kurzen Umriistzeiten bei
Wechsel der Werkstuckgeometrie. Mit mittleren Wasserdriicken von 200-1000 bar
wird der Wasserstrahl zu einem leistungsfahigen Entgratwerkzeug, das auch das
Entfernen schwer zuganglicher Bearbeitungsgrate wie in Kreuzbohrungen und
Leichtmetall-DruckguBteilen mit dunnen Stegen gestattet. Wahrend diese beiden
Einsatzfalle durch maBigen Wasserdruck und durch eine geringe Richtungsemp
findlichkeit gekennzeichnet sind, zeichnet sich die bereits angesprochene T echnik
des Schneidens durch hohe Driicke von maximal 4000 bar bei geringen Dusen
durchmessern im Bereich von 0,1-0,3 mm aus. Aus dieser Wirkungscharakteristik
resultiert trotz hoher Leistungsdichte eine geringe Krafteinleitung in das Werk
stuck und damit eine geringe Verzugsgefahr sowie eine schmale Trennfuge. Durch
die Verwendung von Wasser als Wirkmittel bleibt die thermische Beeinflussung
auf einem niedrigen Niveau, weiterhin wird eine Staubbildung verhindert. Durch
den derzeit in industriellen Anlagen verfugbaren Pumpendruck von max. 4000 bar
bleibt der Einsatz jedoch auf nichtmetallische Werkstoffe und Schnittiefen von 20
bis 60 mm begrenzt.
Ein ahnlich flexibles Werkzeug, jedoch auf der Einbringung thermischer Energie
basierend, stellt der Laser dar. Der Systemaufbau einer solchen Anlage ist in Bild 2
zusammengestellt. Die Flexibilitat dieses Werkzeuges beruht neben den speziellen
Eigenschaften des Laserlichtes auf der verhaltnismaBig einfach realisierbaren
Anpassung der externen Komponenten Spiegel, Fokussieroptik und Hand
habungssystem an die jeweilige Bearbeitungsaufgabe. Das im Resonator erzeugte
Licht wird durch das Strahlfuhrungssystem zu dem an der Werkstuckoberflache er
forderlichen Querschnitt gebundelt; das Handhabungssystem erzeugt die Relativ
bewegung zwischen Werkstuck und Strahl. Es ist zu erwarten, daB die bisher ver
wendeten, aus verfugbaren Elementen der Mechanik und Optik zusammengesetz
ten Einheiten in Zukunft durch speziell flir die Laserbearbeitung konzipierte Kom
ponenten ersetzt werden. Die hiermit moglichen mehrachsigen Bewegungen, opti
mierten Strahlformen und hohen Geschwindigkeiten werden das Einsatzgebiet des
Lasers erheblich vergroBern. Weitere Fortschritte sind durch die Entwicklung von
COz-Lasern hoherer Leistung und besserer Strahlqualitat abzusehen.
Fur die Durchfuhrung der moglichen Bearbeitungsaufgaben, von denen bisher
das SchweiBen, Schneiden und Oberflachenbehandeln erschlossen wurden, sind,
wie in Bild 3 dargestellt, die energiebestimmenden Parameter Leistungsdichte und
Einwirkzeit von entscheidender Bedeutung. Eine Erhohung der verfiigbaren Lei-