Wasserstrahlschneiden: Neue Maschine entwickelt Präzise geführt

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1 Wasserstrahlschneiden: Neue Maschine entwickelt Präzise geführt Redakteur: Luca Meister Heute kann Sigla Präzisionsteile mit einer Genauigkeit von 0,01 Millimeter prozesssicher schneiden. Voraussetzung: die neue Präzisionsmaschine «Marke Eigenbau» und die neue 0,3er-Düse, die selbst winzige Bohrungen erzeugen kann. (Bild: Fanuc) Lorenz Siegenthaler zählt zu den Schweizer Pionieren des Wasserstrahlschneidens. Seit Jahren bemüht er sich, die Präzision des Verfahrens zu verbessern. Vor kurzem hat er eine eigene Maschine entwickelt, die eine Positioniergenauigkeit von bis zu fünf Mikrometer erreicht. Sie ist u. a. mit einer 0,3-Millimeter-Düse bestückt, so dass selbst kleine Teile in hoher Präzision geschnitten werden können. Bei der Umsetzung der Konstruktion in hochwertigen Maschinenbau unterstützten ihn die Antriebs- und Steuerungsspezialisten von Fanuc. mei. Wasserstrahlschneiden fasziniert: Es ist ein Kaltschneideverfahren, bei dem es im Gegensatz zum thermischen Trennen mit Plasma- oder Laseranlagen keine Verzüge oder Aufhärtungen im Material gibt und weder Schlacke noch giftige Gase entstehen. Das Spektrum der so bearbeitbaren Materialien ist riesig: Es reicht von Schaumstoffen bis hin zu 300 Millimeter dickem Edelstahl, auch kunststoffbeschichtete Bleche oder andere Composite-Materialien können in unterschiedlichen Dicken präzise geschnitten werden Lorenz Siegenthaler, Maschinenmechaniker und Werkmeister, kam 1990 erstmals mit dieser Bearbeitungstechnik in Berührung und war begeistert. Er erkannte die enormen Möglichkeiten, die im Schneiden mit dem Wasserstrahl stecken, und entschied 1991, sich als Dienstleister mit diesem Spezialverfahren selbstständig zu machen. «Damals war es eine Nische, in der man die Dienstleistungsanbieter noch zählen konnte», erinnert sich der Wasserstrahlschneid-Pionier und Gründer der Sigla GmbH. «Die Maschinenhersteller kamen vor allem aus den USA sowie aus Schweden, und die Anlagen waren von echter Präzision noch weit entfernt.» Seite 1 / 17

2 Gemeinsam entwickelten Maschinenhersteller und -anwender die Technik weiter. Jan Ryd zum Beispiel, Firmengründer und Inhaber des Maschinenanbieters Water Jet Sweden (WJS), war einer der wichtigen Vordenker des Wasserstrahlschneidens. Er wusste die praktische Erfahrung von Anwendern wie L. Siegenthaler zu schätzen, diskutierte oft mit ihm und setzte einige seiner Anregungen in den WJS-Anlagen um. Kein Wunder, dass in der Sigla-Fertigungshalle mehrere solcher Maschinen stehen. BILDERGALERIE Fotostrecke starten: Klicken Sie auf ein Bild (12 Bilder) Tendenz kleine Präzisionsteile Anfangs stammten Siglas Kunden in erster Linie aus dem Metallbau, dessen Genauigkeitsanforderungen in der Regel nicht allzu hoch sind. Doch vom Firmensitz in Grenchen, mitten in der Uhrenindustrie, geprägt, strebte L. Siegenthaler bald nach höherer Präzision und baute 1997 seine erste Präzisionsmaschine. Zentrales Element war ein selbst entwickelter Schneidkopf, der einen minimalen Schnittspalt von 0,5 Millimeter ermöglichte. Ein Quantensprung im Vergleich zu damals üblichen Wasserstrahlschneidanlagen, deren kleinste Schnittspalten zwischen 1,2 bis 0,8 Millimeter lagen. Lange Zeit war Sigla einer der wenigen Dienstleistungsanbieter, der dadurch auch sehr kleine Teile herstellen konnte. Mit der wachsenden Präzision der Maschinen und verbesserten Oberflächengüten (bis Ra = 3,2 µm Siegenthaler entwickelte einzelne Anlagendetails permanent weiter) konnten Kunden aus dem Maschinenbau und Apparatebau sowie aus der Flugzeugindustrie gewonnen werden. Mit Interessenten aus der Uhrenindustrie und Medizintechnik stiegen die Anforderungen noch mehr und L. Siegenthaler sah es fast als persönliche Herausforderung, die gewünschten kleinen, hochpräzisen Teile prozesssicher herstellen zu können. Zwar vermutet er, dass auch heute noch für 85 Prozent aller Anwendungsfälle Düsendurchmesser von 0,8 Millimeter und grösser genügen, und die 0,5er-Düse weitere zehn Prozent der Anforderungen abdeckt. Doch er will mehr: «Für die obere Spitze der verbleibenden fünf Prozent benötigt man noch feinere Düsen im Durchmesser von 0,3 oder gar 0,2 Millimeter.» Seite 2 / 17

3 Diesem Anspruch stellte sich der Tüftler vor zwei Jahren und machte sich dran, eine komplett neue Maschine zu entwickeln, die stabil und positioniergenau sein sollte. Ein Schneidkopf mit einer 0,3-Millimeter-Düse sollte das Herzstück sein und ihn zu hoher Präzisionsarbeit befähigen. Fanuc als Partner Nun ist die Sigla GmbH ein Kleinbetrieb mit fünf Mitarbeitern, der mit seinem Dienstleistungsangebot gut durch jede Krisenzeit gekommen ist. Den Maschinenbau kennt L. Siegenthaler nur zum Teil, so dass er zur Umsetzung seiner Pläne Unterstützung benötigte. Er wandte sich an die Schweizer Fanuc-Niederlassung. Die Steuerungs- und Antriebsspezialisten sind ihm schon seit längerem bekannt, da zwei seiner WJS-Maschinen mit einer Fanuc-CNC bestückt sind. L. Siegenthaler erzählt: «Fanuc sitzt in Biel, zwanzig Minuten von mir entfernt. Da ich mir längere Maschinenstillstände nicht leisten kann, lag es nahe, bei Servicebedarf dort direkt anzufragen. Der kurze Weg ermöglichte eine schnelle Unterstützung, und ich lernte die Fanuc-Mitarbeiter als kompetent und zuverlässig kennen. Somit haben wir stets hochqualifizierte Unterstützung ohne lange Wartezeit erhalten.» Selbst bei Spezialwünschen kam ihm Fanuc bereits in der Vergangenheit entgegen. So entwickelte der CNC-Spezialist z.b. eine Steuerungsfunktion, die den Nachlauf des Wasserstrahls bei Ecken und Wendepunkten vermeidet bzw. eine damit verbundene Beeinträchtigung der Oberflächengüte eliminiert. «Je feiner der Strahl und je dicker das Material, desto deutlicher fällt dieser Nachlauf ins Gewicht», erklärt L. Siegenthaler. «Die Fanuc-Funktion sorgt dafür, dass die Vorschubgeschwindigkeit des Wasserstrahls ab einer bestimmten Distanz zum Wendepunkt linear reduziert wird. Auf das linear kommt es an, denn wenn man die Geschwindigkeit in Stufen zurücksetzt, sieht man dies an der Schnittfläche, was Kunden aus der Uhrenindustrie und Medizintechnik nicht akzeptieren.» Top Steuerung und Antrieb Selbstverständlich nahm Fanuc die Herausforderung an, Sigla bei der Entwicklung und dem Bau der neuen Präzisionsschneidanlage zu unterstützen. Die Applikationsingenieure legten die Antriebe aus. Die Wahl fiel auf AC-Servomotoren der «Alpha i»-serie mit Absolutgeber, die sich ideal für kompakte Hochgeschwindigkeits- Präzisionsmaschinen eignen. Sie überzeugen durch hohe Laufruhe und exzellentes Beschleunigungsverhalten. Als CNC wurde die neueste Generation, die Serie «32i-B», gewählt (siehe Kasten), die in Sachen Präzision Massstäbe setzt. «Eine Grundvoraussetzung, die von der CNC und den Antrieben erfüllt werden muss, ist die geometrische Genauigkeit. Diesbezüglich bin ich mit der Auswahl sehr zufrieden», urteilt L. Siegenthaler. «Auch was die integrierte SPS mit der Bezeichnung PMC anbelangt, erscheint sie mir enorm leistungsstark.» Zur Umsetzung seiner Ideen in handfesten Maschinenbau empfahl Fanuc ein darauf spezialisiertes Ingenieurbüro, und Seite 3 / 17

4 für die SPS-Programmierung kam ein weiterer externer Spezialist hinzu. Seit Mitte 2013 ist der Prototyp der Präzisions-Wasserstrahlschneidanlage bei Sigla in Betrieb und Lorenz Siegenthaler von der Umsetzung seiner Ideen durchaus angetan: «Wir hatten im letzten Sommer einen ersten grossen Auftrag darauf am Laufen, und die Maschine meisterte die Anforderungen tadellos.» Fünf Mikrometer genau Basis für die Präzisionsbearbeitung ist das stabile Maschinenbett aus Polymerbeton, das eine sehr gute Dämpfung aufweist und die durch den Schneidprozess entstehenden Vibrationen auffangen kann. Die Verfahrwege in X- und Y-Achse liegen bei 1000 mal 600 Millimeter. Eine zusätzliche Z-Achse (150 mm) erweist sich zum einen beim Werkstückwechsel, zum anderen bei speziellen Schneidanforderungen als vorteilhaft. In allen Achsen werden Glasmassstäbe eingesetzt, was letztlich die hohe Positioniergenauigkeit im Bereich von fünf Mikrometer wesentlich unterstützt. Eine weitere Besonderheit ist das schnelle Umrüsten von 0,5 auf 0,3 Millimeter Schnittbreite, mit dem die Maschine standardmässig ausgerüstet ist. L. Siegenthaler weist darauf hin, dass der Anwender auch auf eine 0,8-Millimeter-Düse umrüsten kann. Schliesslich sei es manchmal auch bei einem dickeren Strahl erforderlich, sehr präzise zu verfahren. Das Herzstück sei zweifellos die 0,3-Millimeter-Düse, die in Verbindung mit einem sehr feinkörnigen abrasiven Sand feinste Konturen erzeugen könne. «Selbst präzise Kreise mit 0,7 Millimeter Durchmesser haben wir damit schon geschnitten», erzählt Maschinenentwickler L. Siegenthaler stolz. Die Beschaffung dieser Düse war jedoch nicht so einfach, da es solche Elemente am Markt nicht zu kaufen gibt. Daher entwarf er sie kurzerhand selbst und lässt sie nun von einem Hartmetallhersteller liefern. Beste Perspektiven Auch in die Peripherie ist viel vom langjährigen Know-how Siegenthalers eingeflossen. So ist ein Kühlsystem vorhanden, das für eine konstante Temperatur im Wasserbecken sorgt und verhindert, dass sich Materialien im Wasserbad durch Temperaturschwankungen verfärben und ihre Eigenschaften verändern. Die Wärme führt Sigla in das Heizungssystem des Firmengebäudes ab. Auch eine Beckenspülung ist vorhanden, so dass der entstehende Schlamm (Sand/Schnittgut-Gemisch) schnell abgeführt werden und sich nicht im Becken ansammeln kann. Wohl einmalig dürfte die Option sein, das Becken absenken und auswechseln zu können. Laut dem Sigla-Chef ist das für das Schneiden wertvoller Materialien wie Gold oder auch bei Problemwerkstoffen interessant, deren Entsorgung möglichst sortenrein erfolgen sollte. Lorenz Siegenthaler hat seine neue Präzisionsmaschine heute ausgelastet, auch wenn er sie noch immer im Optimierungsstadium sieht. Aber das liegt wohl eher daran, dass Seite 4 / 17

5 seine Verbesserungsideen niemals ausgehen. Zwei weitere Maschinen möchte er noch für den Eigenbedarf bauen, doch als Maschinenhersteller sieht er sich nicht: «Dazu fehlen uns Struktur und Kapazitäten. Wenn sich jedoch ein Partner oder Interessent finden würde, wäre ich in jedem Fall gesprächsbereit. Denn meiner Meinung nach hat eine solche Präzisionsmaschine beste Perspektiven.» << Copyright Vogel Business Media Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter Dieses PDF wurde Ihnen bereitgestellt von Seite 5 / 17

6 Generationswechsel: Während sich auf der links zu sehenden Schneidanlage Schnittbreiten von 0,5 Millimeter erzeugen lassen, erreicht die neue, von Lorenz Siegenthaler entwickelte Maschine sogar Schnittbreiten von nur 0,3 Millimeter. (Bild: Fanuc) Seite 6 / 17

7 Lorenz Siegenthaler: «Dass diese Maschine heute hier steht, haben wir nicht zuletzt dem Fanuc- Engagement zu verdanken. Die Mitarbeiter haben neben der Auslegung von Steuerungs- und Antriebstechnik auch die Koordination mit den weiteren beteiligten Partnern übernommen.» (Bild: Fanuc) Seite 7 / 17

8 Lorenz Siegenthaler ist ein Tüftler, der unter anderem die 0,3-Millimeter-Schneiddüse und Mischkammer selbst entwickelt hat. (Bild: Fanuc) Seite 8 / 17

9 Diese Motorrad-Modelle wurden mit Düsen der Grösse 0,8 Millimeter, 0,5 Millimeter und 0,3 Millimeter wasserstrahlgeschnitten. (Bild: Fanuc) Seite 9 / 17

10 Heute kann Sigla Präzisionsteile mit einer Genauigkeit von 0,01 Millimeter prozesssicher schneiden. Voraussetzung: die neue Präzisionsmaschine «Marke Eigenbau» und die neue 0,3er-Düse, die selbst winzige Bohrungen erzeugen kann. (Bild: Fanuc) Seite 10 / 17

11 Die Präzisionsbearbeitung ist weitgehend materialunabhängig. Wichtig ist es jedoch, dass der Ausgangswerkstoff spannungsfrei ist. (Bild: Fanuc) Seite 11 / 17

12 Weitere Beispiele für kleine Präzisionsteile, die Sigla auf der neuen Wasserstrahlschneidanlage gefertigt hat. (Bild: Fanuc) Seite 12 / 17

13 Weitere Beispiele für kleine Präzisionsteile, die Sigla auf der neuen Wasserstrahlschneidanlage gefertigt hat. (Bild: Fanuc) Seite 13 / 17

14 Beim Wasserstrahlschneiden wird Wasser mit hohem Druck in einer feinen Düse auf etwa doppelte Schallgeschwindigkeit beschleunigt. In der neuen, CNC-gesteuerten Sigla-Maschine schneidet der Strahl hochpräzise Werkstückkonturen. (Bild: Fanuc) Seite 14 / 17

15 Beim Wasserstrahlschneiden wird Wasser mit hohem Druck in einer feinen Düse auf etwa doppelte Schallgeschwindigkeit beschleunigt. In der neuen, CNC-gesteuerten Sigla-Maschine schneidet der Strahl hochpräzise Werkstückkonturen. (Bild: Fanuc) Seite 15 / 17

16 So sieht die neue, CNC-gesteuerte Präzisions-Wasserstrahlschneidanlage von Sigla aus. Im Schneidbetrieb wird eine vordere Abdeckung hochgefahren. (Bild: Fanuc) Seite 16 / 17

17 Für die hohe Präzision sind mehrere Komponenten verantwortlich. Dazu gehörten das stabile Maschinenbett, Glasmassstäbe in allen Achsen sowie hochwertige Antriebs- und Steuerungstechnik von Fanuc. (Bild: Fanuc) Seite 17 / 17