Die automatisierte Produktion großer Objekte wie beispielsweise Autokarosserie-Prototypen, Bootsrümpfe oder Surfbretter erfordert normalerweise CNC-Maschinen (Computerized Numerical Control), die nicht selten eine Million Euro kosten. Kürzlich konnte jedoch ein Unternehmen aus dem Silicon Valley durch die innovative Einbindung hochentwickelter Verbundwerkstoffe und hochpräziser Aktorik von Thomson Industries die Kosten leistungsfähiger CNC-Systeme zum Schneiden leichter und mittelfester Werkstoffe wie Holz, Schaum, Beton oder Aluminium um rund 90 Prozent senken.
Neues Preis-Leistungs-Verhältnis für CNC-Technologie
Basierend auf seinen Erfahrungen aus der Produktion maßgeschneiderter Surfbretter hat das im kalifornischen Santa Clara beheimatete Unternehmen Autoscale Inc. eine revolutionäre CNC-Technologie entwickelt, die Objekte in Längen bis zu 16 Fuß, also fast 5 Meter, fertigen kann (Abbildung 1).
Abbildung 1: Die extrem leistungsfähige CNC-Technologie von Autoscale kann Objekte von nahezu 5 m Länge schneiden.
Für weichere Werkstoffe sitzt am Kopf einer CNC-Maschine ein Fräser, Schmelzdraht oder eine sonstige Schneidvorrichtung, die Material wie Leichtbauholz oder expandiertes Schaumpolystyrol bearbeiten kann. Gesteuert durch komplexe Logarithmen, die Produktkonstrukteure mittels CAD/CAM-Software erstellen, führen Rahmenkomponenten, sogenannte Portale, die Schneidwerkzeuge entlang der X- und Y-Achsen. Um die dritte Dimension am Produkt abzudecken, bewegt ein Arm auf der Z-Achse die Werkzeuge in vertikaler Richtung. Bei den meisten der heute gängigen Systeme sind der Rahmen und sämtliche beweglichen Teile in Stahl ausgeführt.
„Als wir anfingen, größere Fräsen zu bauen, war das wie die Suche nach der eierlegenden Wollmilchsau“, erzählt Autoscale-Gründer und Besitzer Dan Bolfing. „Wir wollten gleichzeitig Steifigkeit und Geschwindigkeit. Mehr Steifigkeit an den beweglichen Teilen bedeutete aber auch mehr Gewicht, was das System langsamer macht und die Kosten nach oben treibt. Einschließlich Portal, Schlitten, aller Getriebe, Profilschienen, Kugelgewindetriebe und sonstiger Mechanik brachten unsere ersten Modelle rund 1,6 Tonnen auf die Waage. Das ist nicht weit von dem entfernt, was andere Vertreter unserer Branche mit Stahl erreichen, aber wir hatten höhere Ansprüche.“
Carbonfaser ersetzt den Stahl
Nach umfangreichen Experimenten mit leichteren Werkstoffen kamen Bolfing und sein Planungsteam zu der Erkenntnis, dass der Austausch von Stahl gegen Carbonfaser eine ganze Reihe Vorteile mit sich bringen würde. So könnten die Portale beispielsweise deutlich einfacher und schneller produziert werden. Stahl dehnt sich aus und zieht sich zusammen, sodass es bis zu zwei Wochen dauern kann, bis die Stahlportale genau gerade ausgerichtet sind. Nach dem Zusammenschweißen müssen sie gerichtet, montiert und, sofern sie ausreichend gerade sind, wieder auseinander genommen, pulverbeschichtet und erneut montiert werden. Ganz anders Carbon: Es erlaubt die Herstellung von Mustern und Gießformen im Voraus. Und wenn das Design in der Carbonfaser ausgelegt ist, bleibt es immer in seiner Form. Stahl hingegen verdreht, dehnt und verbiegt sich mit jeder Temperaturänderung.
Abgesehen von einer fast halbierten Produktionszeit – aus zwei Wochen wurde ungefähr eine – zeigte sich jedoch der markanteste Vorteil im deutlich geringeren Gewicht von Carbon gegenüber Stahl. Hierdurch konnten die beweglichen Teile von bisher 1,6 Tonnen auf nun 160 kg Gesamtgewicht reduziert werden. Das branchenübliche Dilemma zwischen Steifigkeit und Geschwindigkeit wurden somit praktisch überwunden. Wo ein System mit Stahlportalen etwa 7 bis 10 m pro Minute schneidet, schafft ein Carbonfaser-System in derselben Zeit rund 20 m, und das völlig vibrationsfrei. Damit nicht genug, ergibt sich dieser Geschwindigkeitsvorteil nicht nur bei der Maximalgeschwindigkeit, sondern auch beim Anfahren. Das heißt, das System erreicht in kürzerer Zeit seine Maximalgeschwindigkeit, wodurch sich die Verarbeitungszeit weiter reduziert.
„Eine Beschleunigung mit voller Kraft ist grundsätzlich zu vermeiden“, erklärt Bolfing. „Bei einem schweren Portal muss die Geschwindigkeit über eine flache Rampe geändert werden – d.h. zu Beginn und Ende jedes Schneidvorgangs langsam beschleunigt bzw. verzögert werden. Je leichter das Portal, desto schneller kann dies geschehen. Mit einem Stahlportal schafft man an einem komplexen Teil in keinem Fall 7 m pro Minute, da immer wieder beschleunigt und abgebremst werden muss. Mit Carbon lässt sich die Rampenstrecke um 90 % verkürzen, was sich besonders bei der Bearbeitung von Teilen aus Schaum, Lehm oder Weichkunststoff positiv auswirkt. Ohne die langen Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen, die zulasten der produktiven Zeit gehen, können Sie also deutlich schneller arbeiten.“
Präzisionsführung
Der Schlüssel zur exakten Arbeitsweise dieses Systems liegt in der effektiven Nutzung von Linearführungen für die X/Y-Achsen und in den Kugelgewindetrieben. Autoscale hat sich für Linearführungen von Thomson entschieden, die für ihre hohe Präzision, Zuverlässigkeit und Anpassbarkeit bekannt sind.
„Thomson ist das einzige Unternehmen, das eine 16 Fuß (4,8 m) lange Profilschiene im Programm hat”, erläutert Bolfing. „Bei allen anderen Anbietern hätten wir zwei kürzere Teile zusammenfügen müssen, was die Genauigkeit und Langlebigkeit beeinträchtigt hätte.“ Thomson lieferte vollständig vormontierte Kugelgewindetriebe inklusive Lagerträger, die direkt angeschraubt werden konnten.
Abbildung 2: Die Präzisions-Kugelgewindetriebe von Thomson ermöglichen eine sanfte Bewegung der Portale auf den X- und Y-Achsen.
Für Fräsvorgänge, bei denen höhere Lasten auftreten, hat Thomson passende Profilschienen-Linearführungen geliefert. Mit diesen wird der Fräskopf ruckfrei und exakt geführt. Darüber hinaus lieferte Thomson seine Super Ball Bushing Kugelbuchse, die eine 27-mal höhere Laufzeit bietet als herkömmliche Linearlager.
Eine Thomson-Profilschiene aus der 500er-Serie bietet die Länge, Langlebigkeit und Präzision, die Autoscale für sein System benötigt.
Neben der deutlich höheren Tragzahl ist die Super Ball Bushing-Kugelbuchse selbstjustierend, leicht, einstellbar und weist einen geringen Reibungskoeffizienten auf.
Wie in Abbildung 2 gezeigt, wird die Thomson-Technologie an die Carbonfaser-Portale montiert. Die genaue Art der Montage ist jedoch Firmengeheimnis und zentraler Erfolgsfaktor für Autoscale.
Abbildung 3: Das neue CNC-System „Monster“ von Autoscale mit Carbonfaser-Portalen, geführt von Thomson-Technologie.
Für Anwendungen mit Schmelzdraht, beispielsweise für extrem weiche Materialien wie Schaumstoff (Abbildung 5), verwendet Autoscale Thomson-Kugelgewindetriebe und Rundschienen-Linearführungen, die den Maschinenteil mit dem Schmelzdraht präzise führen. Rundschienen eignen sich besonders für diesen Maschinenteil, da sie je nach Anforderungen an den Enden oder abschnittsweise gestützt werden können. Außerdem sind sie weniger anfällig für Blockieren und lassen sich unkomplizierter Montieren und ausrichten als Profilschienen. Nicht zuletzt sind die Komponenten kostengünstiger als vergleichbare Profilschienen.
Abbildung 5: Große CNC-Schmelzdrahtmaschine für expandiertes Schaumpolystyrol.
Abbildung 6: Thomson Super Ball Bushing® Kugelbuchsen-Linearlager laufen auf einer 60 Case® Rundschiene zur Führung des Schmelzdraht-Kopfes
Ein neuer Maßstab für Großmodelle und -produkte
Für die präzise Bearbeitung weicher Werkstoffe, einschließlich weicherer Metalle wie Aluminium, zur Fertigung großer Produkte, Modelle und Prototypen haben Autoscale-Systeme in puncto Preis-Leistungs-Verhältnis einen neuen Maßstab gesetzt. Während ein Autoscale-System schon für rund 79.700 € zu haben ist, kostet ein vergleichbares herkömmliches System mehr als 720.000 €. Das Autoscale schneidet genauso schnell wie ein herkömmliches System, jedoch bei deutlich kompakteren Abmessungen. Die Anwendungsbereiche für das neue System sind vielfältig:
- Flugzeugbau – Prototypenbau von Tragflächen und Rümpfen
- Automobilbau – Rennwagen, autonome Kraftfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Innenkonsolen und Karosserien
Abbildung 7: Ein auf einer Autoscale-Fräsmaschine geschnittenes Konzeptfahrzeug.
- Architektur – vorgeschnittene Poolformen, Betontreppenmuster, Beton für Freizeitbäder
- Maritimes – Surfbretter, Standup-Boards, Ausleger-Kanus und große Bootsrümpfe
- Möbel – Verkaufstresen und Servicestationen
- Sonderverpackung
Exzellente Wachstumsprognosen
Wenngleich die Geschäfte derzeit sehr gut laufen, sucht Bolfing bereits nach noch größeren und besseren Lösungen für die Zukunft. Neben der Vermarktung seiner Maschinen setzt er sie zusätzlich in einem weiteren Unternehmen namens „Contactscale“ ein, das wettbewerbsfähige Auftragsarbeiten für Unternehmen anbietet, die Produkte und Prototypen im großen Maßstab benötigen. Darüber hinaus könnte sich Bolfing ein Franchisesystem vorstellen, bei dem Lohnbetriebe sein System kaufen und Service vor Ort anbieten. Das kleine Unternehmen, das einst antrat, maßgeschneiderte Surfbretter für begeisterte Surfer zu bauen, reitet mittlerweile eindeutig auf einer ganz großen Welle.
Weitere Informationen finden Sie unter:
www.autoscalecnc.com
www.contactscale.com
www.thomsonlinear.de