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WANGENER MASCHINEN TAGE

2015

Ultraschnell und hochgenau auf den Punkt Ganzheitliche Anforderungen an mehrachsige Bewegungssysteme fĂźr Zukunftstechnologien

VORTRAGSBAND


LESEPROBE

Impressum Wangener Maschinentage 2015 – Vortragsband Ultraschnell und hochgenau auf den Punkt – Ganzheitliche Anforderungen an mehrachsige Bewegungssysteme für Zukunftstechnologien Herausgeber: RAMPF Machine Systems GmbH & Co. KG Daimlerstraße 18-26, D-73117 Wangen T +49.71 61.958 89-0 F +49.71 61.958 89-1111 E machine.systems@rampf-gruppe.de www.rampf-gruppe.de © 2015: Die Rechte an den jeweiligen Texten und Grafiken liegen bei den Autoren. Die Rechte am Gesamtwerk liegen beim Herausgeber. Das Werk, einschließlich aller seiner Teile, ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung ohne schriftliche Genehmigung des jeweiligen Rechteinhabers ist unzulässig. Dies gilt insbesondere für Vervielfältigung, Übersetzung, Mikroverfilmung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Schlussredaktion und Realisation: DIGNUS.DE Medien GmbH

im p r e s s u m | i n h a lt


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INHALT 06 Vorwort Edgar Wolff, Landrat, Landkreis Göppingen (D) 08 Vorwort Daniel Frey, Bürgermeister, Gemeinde Wangen (D) 10 Einleitung Martin Neumann, Geschäftsführer, RAMPF Machine Systems GmbH & Co. KG, Wangen (D) 18 Perspektiven des hochdynamischen Maschinenbaus in Wachstumsmärkten Dipl.-Ing. Dieter Manz, CEO, MANZ AG, Reutlingen (D) 28

Hochdynamisch, robust und präzise – Anwendungsspezifische Konzeption moderner Produktionssysteme Dr.-Ing. Guido Hegener, Geschäftsführer, EMAG Maschinenfabrik GmbH, Salach (D)

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Disziplinübergreifende Maschinenentwicklung zur Steigerung der Prozess- und Werkstückqualität in der HSC-Bearbeitung Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele, Institutsleiter, Dipl.-Wirt.-Ing. Matthias Berger, Sebastian Schmidt, M. Sc., PTW – Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen, Darmstadt (D)

48 Anforderungen additiver Fertigungsverfahren an Dynamik und Genauigkeit mehrachsiger Bewegungssysteme Alfons Eiterer, Head of System Engineering, EOS GmbH, Krailling / München (D) 56

Herausforderungen an mechatronische Mehrachssysteme beim Einsatz in Röntgeninspektionsanlagen Martin Sokolowski, Leiter Entwicklung CTO, MatriX Technologies GmbH, Feldkirchen (D)

62 Mastering speed and precision in SMT Håkan Sandell, Chief Architekt Jetting, Mycronic AB, Täby (S) 70 Lastadäquate Gestellstrukturen – die Basis innovativer Maschinenkonzepte Marc Dizdarevic, Leiter Entwicklung / Konstruktion, RAMPF Machine Systems GmbH & Co. KG, Wangen (D) 82 Trends elektromechanischer Systemperipherie für High-End-Technologien Dipl.-Ing. Roland Greubel, Entwicklungsleiter, Bosch Rexroth, Schweinfurt (D) 88 Direktantriebe von Morgen – Potenziale für Produktivität und Präzision in Fertigung, Montage und Automatisierung Dr. Ir. Thorwald van Vuure, Senior Designer, Tecnotion, Almelo (NL) 96 Der ewige Spagat zwischen Dynamik und Genauigkeit – Optimierungspotenzial durch Regelung und Steuerung Dr.-Ing. Elmar Schäfers, Leiter Mechatronic Support, Siemens AG, Erlangen (D) 04 | 05


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e i n l e i t u ng


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Sehr geehrte Teilnehmerinnen und Teilnehmer der Wangener Maschinentagen 2015, nach erfolgreichen Fachtagungen zum Mineralguss und zu alternativen Werkstoffen für innovative Maschinenbetten und Gestellbauteilen erfolgt in diesem Jahr die Neuauflage der Wangener Maschinentage zum Thema hochleistungsfähiger, mehrachsiger Bewegungs- und Maschinensysteme unter dem Motto „Ultraschnell und hochgenau auf den Punkt“. Warum dieses Symposium in Wangen bei RAMPF Machine Systems?

Forderung vom Markt Unsere Kunden aus den Zukunftsbranchen wie Laser, Solar, Productronic, Display, Battery und Machine Tools fordern als Basis ihrer leistungsfähigen Produktionstechnik nicht nur innovative Lösungen für Ihre Maschinengestelle, sondern komplette, einbaufertige Mehrachssysteme mit höchsten Ansprüchen an Geschwindigkeit und Genauigkeit. Begriffe wie Basismaschine, Systemlösung, Rumpfmaschine, aber auch Bewegungs-, Positionier- oder Mehrachssystem bezeichnen diesen erweiterten Entwicklungs- und Lieferumfang. Mechanik

Struktur (Gestell, Maschinenbasis)

Antriebe

Steuerung

Abb. 01: Basismaschine als Mehrachssystem mit seinen wesentlichen Bestandteilen Dabei gewinnt die Analyse und optimale Gestaltung der Schnittstellen und Wechselwirkungen zwischen Struktur, also dem Maschinenbett, Mechanik, Antrieb und Steuerung zunehmend an Bedeutung. 10 | 11


LESEPROBE STRUKTUR > Maschinengestell > Maschinenbasis (Bett, Schlitten, Tisch, Portal)

MECHANIK > Führungen > Linearmodule > Handhabungselemente > Faltenbälge > Dämpfer > Aufstell- und Ver bindungselemente

ANTRIEB > Antriebe > Motoren > Kupplungen > Getriebe

STEUERUNG > Steuerung > Software > Programmierung > Panels > Kabel > Schalter > Sensoren

Bestandteile einer Basismaschine und deren Elemente Einige Beispiele für die gewachsenen Anforderungen moderner Produktionstechnik an Dynamik und Präzision zeigen folgende Praxisanwendungen: > Pick & Place Zykluszeit in der Elektronikfertigung von nur 167ms (6 Zyklen pro Sekunde) mit einer Positioniergenauigkeit von 15µm bei bis zu 50N eingebrachter Verbindungskraft. > Der Herstellungsprozess monokristalliner Wafer: Beim Drahtsägen von Wafern rast ein Diamant-Draht mit 100 km/h durch einen Siliziumblock und pro duziert hauchdünne Wafer mit einer Dicke von nur 1/10 mm. Die Wölbung darf nur 20 µm – ein Drittel der Dicke eines Haares – betragen. > Ein Handlingsprozess bewegt 5.000 solcher Wafer in der Stunde mit einer minimalen Bruchrate; das sind weniger als eine Sekunde pro Wafer. oder > Das Laserschneiden von Gläsern für Smartphone-Kameras mit einer Schneid geschwindigkeit von über 800 mm/s bei Bahngenauigkeiten von unter 2 µm.

Abb. 02: Greifer aus CFK für hochdynamischen Pick & Place-Prozess in der Wafertechnologie e i n l e i t u ng


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Ganzheitliche Herangehensweise Die Fachwelt ist sich heute weitestgehend einig, dass diese hohen Ansprüche bei gleichzeitiger Reduzierung von Entwicklungszeiten und -kosten sowie Erhöhung von Verfügbarkeit und Lebensdauer nur durch eine ganzheitliche, disziplinübergreifende mechatronische Entwicklungs- und Produktionsmethodik erfüllt werden können. Eine multidisziplinär durchdachte Konzeptgestaltung, am Anfang eines neuen Entwicklungsprojektes, reduziert z. B. die Aufwände für spätere Ad-hoc-Anpassungen. Die Gestaltung einer fundierten Grundlage wird erleichtert, wenn simulierbare und disziplinübergreifende Modelle – unter Berücksichtigung von Mechanik, Elektrik und Steuerungstechnik – mit geringem Aufwand erstellt werden können [1]. Das PTW in Darmstadt, das WZL in Aachen sowie Siemens beschäftigen sich seit Jahren intensiv mit einem interdisziplinären Prozess in der Phase der konzeptionellen Entwicklung, also von der Spezifikation über die Konstruktion und Auslegung bis hin zur Berechnung und Simulation. RAMPF Machine Systems hat diesen Ansatz um die ganzheitliche Produktion von der Beschaffung und Fertigung über die Montage bis hin zur Abnahme und dem Service erweitert. Große Relevanz haben hierbei folgende Aspekte [2]: > > >

Die Abstimmung von Mechanik und Antriebskomponenten zu einem vollkommenen mechatronischen System inklusive gezielter Bewegungsoptimierung durch die Steuerung, eine adäquat zu den Anforderungen von Führungen und Antrieben gefertigte Präzision der Maschinenbasis oder eine hinsichtlich Lebensdauer und Energiebilanz aufeinander abgestimmte Montage von Antrieben, Linearsystemen und bewegten Strukturkomponenten.

Abb. 03: Präzisionsmontage für optimale Verfügbarkeit und Lebensdauer 12 | 13


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Perspektiven des hochdynamischen Maschinenbaus in Wachstumsmärkten Dipl.-Ing. Dieter Manz, CEO, Manz AG

1. Vorstellung Die Manz AG in Reutlingen/Deutschland ist als weltweit führender Hightech-Maschinenbauer Wegbereiter für innovative Produkte auf schnell wachsenden Märkten. Das 1987 gegründete Unternehmen verfügt über Kompetenz in sieben Technologiefeldern: Automation, Messtechnik, Laserbearbeitung, Vakuumbeschichtung, Nasschemie, Drucken und Beschichten sowie Roll-to-Roll-Prozesse. Diese Technologien werden von Manz in den drei strategischen Geschäftsbereichen „Electronics“, „Solar“ und „Energy Storage“ eingesetzt und weiterentwickelt. Die von Gründer Dieter Manz geführte und seit 2006 in Deutschland börsennotierte Firmengruppe entwickelt und produziert derzeit in Deutschland, der Slowakei, Ungarn, Italien, China und Taiwan. Vertriebs- und Service-Niederlassungen gibt es darüber hinaus in den USA, Südkorea und Indien. Die Manz AG beschäftigte zum Anfang des Jahres 2015 rund 2.000 Mitarbeiter, davon 900 in Asien. Der Umsatz betrug im abgelaufenen Geschäftsjahr 2014 über 305 Millionen Euro. Mit dem Claim „passion for efficiency – Effizienz durch Leidenschaft“ gibt Manz das Leistungsversprechen, seinen in wichtigen Zukunftsbranchen tätigen Kunden immer effizientere Produktionsanlagen anzubieten. Das Unternehmen trägt als Maschinenbauer wesentlich dazu bei, die Produktionskosten der Endprodukte zu senken und diese großen Käuferschichten weltweit zugänglich zu machen. Manz optimiert dafür kontinuierlich seine Angebotspalette. Ziel sind höchst zuverlässige Produktionsprozesse auf Kundenseite und immer bessere Leistungsparameter der auf Manz-Anlagen gefertigten Produkte. Damit ist die Manz-Gruppe ein wichtiger Innovationstreiber – für den Durchbruch von Schlüsseltechnologien unserer Zeit wie nachhaltige Energieerzeugung, globale Kommunikationsbedürfnisse und E-Mobilität. Die Manz AG hat ihre Wurzeln in Baden-Württemberg, einer der Wiegen deutscher Ingenieurskunst und heute einer der wichtigsten Hightech-Regionen weltweit. Der Maschinenbauer beschäftigt derzeit Mitarbeiter aus 30 Ländern und ist in allen weltweit wichtigen Wachstumsregionen präsent. Mit der Eröffnung einer neuen Fertigungsstätte in Suzhou/China im Mai 2012 wurde Manz den momentanen Markttrends noch stärker gerecht. M a n z: P e rs p e k t i v e n de s hoc hdy n a m i sc h e n M a sc h i n e n b a u s


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2. Einleitung Der deutsche Maschinen- und Anlagenbau ist seit jeher das Rückgrat der deutschen Wirtschaft und steht – auch international – für Fortschritt, Leistung und Zuverlässigkeit. Mit einem Bruttowertschöpfungsanteil von über 3% handelt es sich um eine der wichtigsten Industrien Deutschlands und mittlerweile wird jedes zehnte Maschinen- und Anlagenbauprodukt weltweit hier produziert. So erwirtschaften knapp 1 Mio. Beschäftigte in Deutschland rund 200 Mrd. EUR Umsatz pro Jahr. Damit ist Deutschland – gemessen am Umsatz – nach China und den USA der weltweit drittgrößte Maschinenund Anlagenproduzent. Dabei stellt sich die Unternehmenslandschaft sehr vielfältig dar. Zu den über 6.000 Maschinen- und Anlagenbauern in Deutschland gehören sowohl Familienunternehmen mit weniger als 50 Mitarbeitern als auch Großkonzerne mit über 20.000 Beschäftigten. Eine durchschnittliche EBIT-Marge von über 6% im Jahr 2012 und ein Umsatzwachstum von mehr als 2% p.a. seit 1995 verdeutlichen zudem die Bedeutung des Maschinen- und Anlagenbaus als ein Symbol deutscher Wirtschaftskraft. Kaum ein anderer Wirtschaftszweig ist so vielfältig und entwickelt sich mit so viel Dynamik fort [1]. Eigentlich Grund genug für deutsche Maschinen- und Anlagenbauer, selbstbewusst in die Zukunft zu blicken. Doch gleichzeitig stehen die Zeichen auf Wandel, denn sich verändernde Wettbewerbsbedingungen stellen die Unternehmen der Branche vor immer neue Herausforderungen.

3. Allgemeine Herausforderungen im hochdynamischen Maschinenbau Durch die Globalisierung haben sich in der Vergangenheit auch im Maschinenbau die Wettbewerbs- und Marktbedingungen nachhaltig verändert. Absatzmärkte außerhalb Europas gewinnen immer stärker an Bedeutung, allen voran Asien mit China. Und auch Nordamerika erlebt derzeit eine „Reindustrialisierung“. Doch nicht nur Märkte wachsen und verändern sich. Auch Produkte müssen heutzutage immer kostengünstiger und schneller hergestellt werden. Wirtschaftlich betrachtet, unterliegen dementsprechend auch die Maschinenanlagen und Produktionssysteme, auf denen eben jene Produkte gefertigt werden, den Anforderungen, immer mehr Stückzahlen immer schneller und kostengünstiger zu produzieren [2].

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Übertragen auf technische Maschineneigenschaften ergibt sich hieraus eine Vielzahl an Herausforderungen, die gleichzeitig den hochdynamischen Maschinenbau grundlegend kennzeichnen: > > > > > >

Erhöhung von Antriebsleistungen Steigerung der Verfahrgeschwindigkeiten Reduzierung von Be- und Entladezeiten Integration von Messsystemen und Qualitätsprüfverfahren Steigerung der Prozesspräzision Entwicklung innovativer Bewegungsprinzipien

Neben diesen – hauptsächlich wirtschaftlichen – Zielgrößen, ergeben sich darüber hinaus oftmals aus individuellen Kundenwünschen weitere Herausforderungen für die Produktionssysteme von Maschinenbauern. So stellen kundenindividuelle Produkte in kleinen Losgrößen zusätzliche Ansprüche an die Flexibilität, die Funktionsintegration und die Genauigkeit der Systemlösungen. [3]

4. Hochdynamische Maschinen für hochdynamische Märkte: Fallbeispiele 4.1 Electronics Im Markt-Bereich Electronics schafft Manz die Voraussetzungen für eine kontinuierliche Leistungssteigerung der Endprodukte seiner Kunden. Höhere Auflösung, sattere Farben, ein größerer Betrachtungswinkel – die Eigenschaften von Displays und Touch-Panels werden zu einem großen Teil von den Anlagen bestimmt, auf denen sie produziert werden. Und auch bei der Fertigung von Smartphones, Tablets, Notebooks und anderen Geräten der Unterhaltungselektronik steigen die Ansprüche an Qualität und Lebensdauer stetig an. Dabei forciert Manz kontinuierlich den Durchbruch neuer Technologien und trägt dafür Sorge, dass die komplexen Fertigungsprozesse effizienter ablaufen, die Herstellkosten sinken und die Endprodukte dadurch schnell günstiger werden. So finden beispielsweise keramische Komponenten verschiedenster Ausprägung vermehrt Einsatz in elektronischen Geräten. Sie sind entweder ein Bestandteil des Gehäuses oder bilden die innovative Grundlage für passive oder aktive elektronische Bauelemente. Aus fertigungstechnischen Gründen bietet sich in diesem Zusammenhang für mehrere Prozessschritte die Bearbeitung mit dem Laser an, weil die mechanische Bearbeitung aufgrund der Härte des Werkstoffs an Grenzen stößt. Zur Herstellung von Minispulen für elektrische Mikroschaltkreise werden zum Beispiel dünne Keramikfilme benötigt, die mit Tausenden mikroskopisch kleiner Löcher perforiert sind. Ein neu entwickelter Laserprozess bohrt bei einer Fläche des zu bearbeitenden Feldes von 130 x 130 mm innerhalb von < 40 Sekunden 200.000 Löcher mit einem Durchmesser von 15 bis 25 µm, wobei die Position des gebohrten Lochs nicht mehr als 2 µm vom Sollwert abweicht. Um diese hohe Geschwindigkeit und die maximale Präzision zu erreichen, wurde von Manz ein Laserprozess entwickelt, der die Leistungsfähigkeit eines Ultrakurzpulslasers mit der optischen Präzision eines exakt korrigierten telezentrischen Objektivs verbindet. M a n z: P e rs p e k t i v e n de s hoc hdy n a m i sc h e n M a sc h i n e n b a u s


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Abb. 01: Um den Durchsatz zu verdoppeln, werden zwei Keramikfilme gleichzeitig bearbeitet.

Der Laserstrahl wird dabei durch einen Zweiachs-Galvanoscanner auf ein telezentrisches Objektiv gelenkt, das die exakte Fokussierung auf dem Keramikfilm sicherstellt. Diese zwei, speziell für diese Anwendung auf Kundenwunsch entwickelten Komponenten sorgen für die erforderliche hohe Geschwindigkeit und maximale Präzision bei dem Verfahren. Die Geschwindigkeit des Laserprozesses wird im Wesentlichen bestimmt durch die Anzahl der Laserpulse pro Loch und durch die Zeit, die der Galvanoscanner benötigt, um einzelne Bohrungspositionen anzufahren. Bei einer Pulsenergie im µ-Joule-Bereich benötigt der Laser maximal 100 Pulse, um ein Loch zu bohren, was bei gegebener Repetitionsrate rund 0,1 ms bedeutet. Deutlich länger braucht der Galvanoscanner, um den Spiegel zur nächsten Position zu schwenken. Diese Zeitspanne dauert 0,25 ms, was höchste Anforderungen an die Dynamik des Scanners stellt.

4.2 Energy Storage Egal ob stationäre Energiespeicherung, Akkus in der Unterhaltungselektronik oder Batteriezellen im Bereich E-Mobilität – Lithium-Ionen-Speichertechnologien sind die Garantie für Unabhängigkeit und Flexibilität im Alltag. Dank höchster Produktionsgeschwindigkeit bei maximaler Präzision und Zuverlässigkeit in der Herstellung von gestapelten oder gewickelten Batteriezellen, realisiert Manz immer exaktere und gleichzeitig stabilere Zellstrukturen. Dies hat entsprechend positive Auswirkungen auf die Leistungsparameter der Speichersysteme und verhilft unter anderem alternativen Antriebssystemen zu ihrem Durchbruch. 20 | 21


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Hochdynamisch, robust und präzise – Anwendungsspezifische Konzeption moderner Produktionssysteme Dr.-Ing. Guido Hegener, Geschäftsführer, EMAG Maschinenfabrik GmbH 1. Einleitung EMAG stellt Fertigungssysteme für die Bearbeitung präziser Metallteile in mittleren bis großen Stückzahlen her. Dabei kommen verschiedene Fertigungstechniken wie das Drehen, Bohren und (Wälz-)Fräsen sowie das Schleifen und Honen zum Einsatz.

Abb. 01: Technologieportfolio der EMAG Gruppe Darüber hinaus werden auch Laserschweißmaschinen, Maschinen zur elektrochemischen (ECM-) Bearbeitung sowie Maschinen zum Härten und Fügen produziert. Viele der spanenden Fertigungssysteme weisen zudem eine multifunktionale Bearbeitung auf. Für die unterschiedlichen Anforderungen stehen diverse Maschinenplattformen zur Verfügung. Die Grundkörper der Maschinenplattformen sind ausgeführt als: > Gusskonstruktion aus Polymerbeton MINERALIT® > Gusskonstruktion aus Grauguss oder > Stahlschweißkonstruktion Seit über 30 Jahren wird bei der EMAG Polymerbeton unter dem Markennamen MINERALIT® zur Herstellung von Maschinenbetten genutzt. Durch die konsequente Weiterentwicklung von Formen und gießtechnischen Verfahren konnten viele komplexe Maschinengestelle aus Polymerbeton hergestellt werden. Die unterschiedlichen Bearbeitungsaufgaben bzw. Maschinengrößen erfordern ein Gussteilspektrum von minimal 700 kg bis zu 26.000 kg Polymerbeton pro Gestell. H eg e n e r: Hoc hdy n a m i sc h, rob u s t u nd p r ä z i se


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Im vorliegenden Beitrag wird eine Maschinenplattform vorgestellt, die auf einem säulenförmigen Grundkörper basiert. Mit dieser Plattform können sowohl spanende Maschinen zum Drehen, Wälzfräsen und Schleifen, als auch Maschinen zum Induktionshärten und zur ECM-Bearbeitung aufgebaut werden.

2. Anwendungstechnisches Anforderungsprofil an die Statik und Dynamik der Basismaschine In Abhängigkeit von der eingesetzten Technologie ergibt sich ein anwendungsspezifisches Anforderungsprofil an die Basismaschine.

Abb. 02: Anforderungen an die Basismaschine: ++ sehr wichtig; + wichtig; o weniger wichtig Drehmaschinen und Wälzfräsmaschinen benötigen insbesondere für die Weichbearbeitung eine hohe Steifigkeit. Für Hartdreh- und Schleifmaschinen bestehen besondere Anforderungen an die Positioniergenauigkeit und die thermische Stabilität. Geeignete Unrund-Schleifmaschinen weisen zudem auch noch eine hohe Dynamik auf. Maschinen, die zur PECM-Bearbeitung gut geeignet sind, zeichnen sich ebenfalls durch eine hohe Steifigkeit aus. Durch die Oszillation der Kathode entstehen hohe dynamische Kräfte. Demgegenüber stellen sich bei Nutzung der Technologien Anfasen der Verzahnung und Induktionshärten vergleichsweise geringe Anforderungen an die Basismaschine.

3. Modulares Maschinenkonzept vs. Sondermaschinen Modulare Plattformmaschinen stehen immer im direkten Wettbewerb zu Spezialmaschinen. Spezial- oder Sondermaschinen können genau auf eine Fertigungsaufgabe zugeschnitten sein. Durch das Ausreizen der technologischen Grenzen kann auf diese Art und Weise die optimale Produktivität erzielt werden. Das Anlagenlayout kann speziell für die einzelne Aufgabe mit minimalem Platzverbrauch gestaltet werden. Ebenso können kundenspezifische Anforderungen zu 100 % umgesetzt werden. Allerdings weisen Sondermaschinen auch Nachteile auf. Im Regelfall fällt ein hoher auftragsspezifischer Konstruktions-, Fertigungs- und Montageaufwand an. Demzufolge 28 | 29


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ist die Investition entsprechend hoch und die Lieferzeit vergleichsweise lang. Da eine Spezialmaschine im Regelfall genau auf ein Werkstück oder eine Teilefamilie zugeschnitten ist, kann eine Umrüstung auf ein anderes Teilespektrum sehr aufwändig sein. In dieser Hinsicht ist der Investitionsschutz einer Sondermaschine als sehr gering zu bewerten. Ziel einer Plattformentwicklung ist es, die unterschiedlichen Anforderungen im Konzept abzubilden. Wichtige anwendungsspezifische Anforderungen müssen dabei kompromisslos erfüllt werden, um gegen Sondermaschinen bestehen zu können. Dieses kann durch Varianten auf Baugruppenebene abgebildet werden. Unterschiedliche Anforderungen an die Positioniergenauigkeit können beispielsweise durch den optionalen Einsatz eines Glasmaßstabs erfüllt werden. Um ein attraktives Preis-Leistungsverhältnis zu erreichen, dürfen die anwendungsspezifischen Ausbaustufen einer Plattform allerdings nicht mit unnötigen und kostenintensiven Optionen ausgestattet werden. Letztendlich muss das Plattformkonzept durch Skaleneffekte günstiger als eine Spezialmaschine herstellbar sein. Bei einem Investitionsentscheid muss sich der Käufer häufig zwischen Sondermaschinen und Lösungen aus einer Plattform entscheiden. Die folgenden Vorteile weisen dabei häufig die Plattformmaschinen auf: > > > > >

geringere Investition schnellere Lieferzeit Vorteile im Service und in der Wartung höhere Flexibilität besserer Investitionsschutz.

4. Ausführungsbeispiele für unterschiedliche Fertigungstechnologien EMAG hat erstmalig 2011 eine neue modulare Maschinenplattform vorgestellt, die auf einem säulenförmigen Grundkörper basiert. Dieses vertikale Maschinenkonzept ist für sehr viele verschiedene Technologien geeignet, da die Führungen an drei Seiten des Grundkörpers angeordnet werden können. Im Folgenden werden einige verschiedene Ausführungen und die applikationsspezifischen Anforderungen vorgestellt.

H eg e n e r: Hoc hdy n a m i sc h, rob u s t u nd p r ä z i se


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Drehen: Die Drehmaschinen sind als Pick-Up Maschinen aufgebaut. Abb. 03: Ausführung als Pick-up Drehmaschine Dabei trägt ein Kreuzschlitten die vertikale, oben angeordnete Werkstückspindel. Mit der Spindel wird das Werkstück von der Automation aufgenommen und zu dem Drehrevolver transportiert. Für eine außermittige Bearbeitung, wie beispielsweise das Fräsen von Passfedernuten mit einem angetriebenen Werkzeug im Revolver, kann der Revolver über eine Y-Achse am Grundkörper beweglich angeordnet sein. Wesentliche Anforderungen sind die gute Steifigkeit und schnelle, hochdynamische Achsen sowie der freie Spänefall.

Wälzfräsen: Die Wälzfräsmaschine ist nach dem gleichen Prinzip aufgebaut.

Abb. 04: Arbeitsraum der Pick-up Wälzfräsmaschine

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Disziplinübergreifende Maschinenentwicklung zur Steigerung der Prozess- und Werkstückqualität in der HSC-Bearbeitung Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele, Institutsleiter, PTW – Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Dipl.-Wirt.-Ing. Matthias Berger Sebastian Schmidt, M. Sc.

1. Einleitung Die Anforderungen an Werkzeugmaschinen steigen branchenübergreifend stetig an. Meist ist eine gesteigerte Ausbringungsmenge bei wachsendem Qualitätsanspruch gefordert. Dies bedingt ein immer höheres Zeitspanvolumen, wodurch ein Zielkonflikt entsteht. Die erzielbare Zerspanleistung von Werkzeugmaschinen wird von der Leistung der Maschinenkomponenten (Spindel, Achsantriebe, Maschinensteuerung und Achsregelung), der Maschinenstruktur (Masse, Steifigkeit und Dämpfung) und dem eingesetzten Werkzeug (Schnittparameter und Belastbarkeit des Schneidstoffes) begrenzt. Im Zuge der ständigen Forderung nach Produktivitätssteigerung werden die Schnitttiefe, der Zahnvorschub und die Schnittgeschwindigkeit angehoben. Vielen Anwendern fehlt allerdings das Bewusstsein, dass bei hochproduktiver Arbeitsweise bereits kleine Störungen oder äußere Einflüsse, wie z. B. Dickenschwankung oder Werkstoffinhomogenität, zu einem instabilen Bearbeitungsprozess führen können. Das Erkennen dieser Bearbeitungsinstabilität durch den Bediener ist allerdings nicht in allen Fällen gewährleistet. Eine deutliche Verkürzung der Lebensdauer der Werkzeugmaschine, verschlechterte Werkstückeigenschaften, ein verkürzter Werkzeugstandweg und damit erhöhte Werkzeug-, Instandhaltungs- und Wartungskosten sind die Folge. Abb. 01: Beschädigtes Werkstück in Folge eines instabilen Bearbeitungsprozesses

A be l e u. a .: Di s z i p l i n ü be rg r e i f e nde M a sc h i n e n e n t w ic k l u ng


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2. Dynamische Steifigkeit von Werkzeugmaschinen Werkzeugmaschinen sind durch ein dynamisches Nachgiebigkeitsverhalten gekennzeichnet, ihre Steifigkeit ist somit frequenzabhängig. Das dynamische Verhalten einer Werkzeugmaschine kann durch Masse-Feder-Dämpfer Ersatzmodelle mit endlich vielen Freiheitsgraden beschrieben werden. Die Masse-Feder-Dämpfer Elemente setzen sich in der einfachsten Form aus einer Masse m mit angebundener Feder mit einer definierten Steifigkeit k und dem Dämpferelement mit der Dämpferkonstanten d zusammen. In Abbildung 2 ist beispielhaft ein solches Modell dargestellt.

Abb. 02: Dynamisches Ersatzmodell einer Werkzeugmaschine Anhand des Modells kann eine Nachgiebigkeitsmatrix H (Ω) für die gegebene Struktur erstellt werden. Mit dieser Matrix können die Verschiebungen q i in Abhängigkeit einer Belastung f i über folgenden Zusammenhang bestimmt werden.

qi = Hik fi

(1)

Die Kehrmatrix der Nachgiebigkeitsmatrix H (Ω) ist die Steifigkeitsmatrix K (t):

K = H −1

(2)

Die Kraft-Verformungs-Beziehung ändert sich zu folgender alternativen Form zu (1) [Markert 2006]:

Kik qi = fi

(3)

Mit der Kenntnis der Systemnachgiebigkeit und -steifigkeit kann das dynamische Verhalten einer Werkzeugmaschine unter der Anregung durch den Bearbeitungsprozess oder äußere Einflüsse modelliert und analysiert werden. Ein typisches Beispiel hierfür sind sogenannte Übertragungsfrequenzgangmessungen. Bei diesen wird über eine breitbandige Anregung die Systemantwort ermittelt und unter Verwendung der komplexen Übertragungsfunktion des Systems, der Frequenzgang bestimmt (Abbildung 3).

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3. MaSSnahmen zur Optimierung der Maschinenstruktur Das Eigenverhalten der Maschinenstruktur auf innere und äußere Einflüsse kann unter Verwendung innovativer Werkstoffe für Maschinenkomponenten (z. B. das Portal oder den Maschinentisch) optimiert werden. Anwendungen außerhalb bzw. in anderen Bereichen des Maschinenbaus zeigen, dass gegenüber Stahl und Grauguss alternative Konstruktionswerkstoffe existieren, die ein großes Potential hinsichtlich ihrer Eigenschaften für den Einsatz in Werkzeugmaschinen bieten und vereinzelt in Sonderanwendungen bereits eingesetzt werden [Jackisch 2014]. Im Bereich der alternativen Werkstoffe sollen aufgrund ihrer Anwendungsrelevanz für den Werkzeugmaschinenbau im Folgenden ultrahochfeste Betone (UHPC – Ultra High Performance Concrete), kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sowie Aluminiumschäume betrachtet werden (Abbildung 7).

Abb. 07: Innovative Konstruktionswerkstoffe zur Verbesserung der Systemeigenschaften So besitzt der aus dem Bauwesen stammende ultrahochfeste Beton (UHPC) z. B. eine geringe Wärmeleitfähigkeit und die aus der Luft- und Raumfahrt stammenden Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) ein sehr hohes Verhältnis von Steifigkeit zu Masse [Jackisch 2012, Schürmann 2007]. Mit Aluminiumschaum ausgefüllte Profile oder Sandwichbauteile besitzen wie FKV und UHPC ein hohes Dämpfungsverhalten, was der Stabilität des Zerspanprozesses zugutekommt [Jackisch 2012, Weck 2006]. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften bieten diese Werkstoffe die Möglichkeit, eine auf den Anwendungsfall abgestimmte Auswahl zu treffen und hinsichtlich einer Feinabstimmung im Weiteren die Werkstoffeigenschaften gezielt zu beeinflussen. Im Falle des UHPCs wird dies durch Additive, im Falle von FKV beispielsweise durch die FaseroA be l e u. a .: Di s z i p l i n ü be rg r e i f e nde M a sc h i n e n e n t w ic k l u ng


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rientierung realisiert. Hinsichtlich des Gestaltungsfreiraums bieten die kalthärtenden Werkstoffe neben einer Funktionsintegration von z. B. Kühlleitungen oder Kabelführungen ebenso sensorische Integrationsmöglichkeiten, um das Maschinenverhalten an i. d. R. nicht erreichbaren Positionen innerhalb eines Bauteils zu bestimmen. Dies bietet wiederum neue Potentiale hinsichtlich der mechatronischen Fehlerkompensation bzw. Störgrößenausregelung, da trotz der vielversprechenden Eigenschaften alternativer Werkstoffe, der Verbesserung der strukturdynamischen bzw. thermischen Eigenschaften ab einem gewissen Punkt Grenzen gesetzt sind [Zäh 2013]. Der Einsatz von UHPC ermöglicht es, auf die Strukturdämpfung, das thermische Ausdehnungsverhalten und eine den Lastfällen und dem Werkstoff angepasste Konstruktion der Struktur einzuwirken. Zurzeit werden lediglich feststehende Maschinenkomponenten wie Gestelle und Maschinenbetten aus UHPC hergestellt. Der innovative Gedanke besteht darin, die bewegten Komponenten wie Maschinentisch, einzelne Achsen oder ein Maschinenportal aus Beton herzustellen.

Abb. 08: Maschinenportal als konventionelle Stahlschweißkonstruktion (oben) und Gussteil aus UHPC (unten) Durch die Verwendung von UHPC als Konstruktionswerkstoff lassen sich die Trennund Fügestellen, wie in Abbildung 8 dargestellt, reduzieren. Die Reduktion der Trennund Fügestellen beeinflusst direkt das Systemverhalten aus Abbildung 2. Weiter kann durch eine materialgerechte Konstruktion die Steifigkeit einer Komponente auf den Prozess oder die Anwendung hin angepasst werden. 40 | 41


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Anforderungen additiver Fertigungsverfahren an Dynamik und Genauigkeit mehrachsiger Bewegungssysteme Alfons Eiterer, Head of System Engineering, EOS GmbH

EOS ist der weltweite Technologie- und Qualitätsführer für High-End-Lösungen im Bereich der Additiven Fertigung (AM). Das 1989 gegründete Unternehmen ist Pionier und weltweit führend im Bereich des Direkten Metall Laser Sinterns (DMLS), gleichzeitig auch Anbieter einer führenden Polymertechnologie. Für diese industriellen 3D DruckProzesse bietet EOS ein modulares Lösungsportfolio an, bestehend aus Systemen, Software, Werkstoffen, technischen und AM-Beratungsdienstleistungen. EOS ist Partner für die industrielle, AM-basierte Produktion und ermöglicht nachhaltige Lösungen für die Industrie. Kunden, die diese einsetzen, profitieren so von einer Paradigmenwechsel einläutenden Technologie: Leichtbaustrukturen, Kostensenkungen auf Basis von Funktionsintegration, Produktindividualisierung sowie beschleunigte Produktentwicklung und Produktion.

Additive Fertigung Die Additive Fertigung bezeichnet einen Prozess, bei dem auf der Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Ablagern von Material schichtweise ein Bauteil aufgebaut wird. Immer häufiger wird der Begriff „3D-Druck“ als Synonym für die Additive Fertigung verwendet. Additive Fertigung beschreibt jedoch besser, dass es sich hier um ein professionelles Produktionsverfahren handelt, das sich deutlich von konventionellen, abtragenden Fertigungsmethoden unterscheidet. Anstatt zum Beispiel ein Werkstück aus einem festen Block heraus zu fräsen, baut die Additive Fertigung Bauteile Schicht für Schicht aus Werkstoffen auf, die als feines Pulver vorliegen. Als Materialien sind unterschiedliche Metalle, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe verfügbar. Diese Fertigungsmethode findet im Rapid Prototyping Verwendung, dem Bau von Anschauungs- und Funktionsprototypen. Produktentwicklung und Markteinführung lassen sich dadurch entscheidend verkürzen. Mittlerweile hält die Additive Fertigung zunehmend Einzug in die Serienfertigung. Sie eröffnet großen OEM-Herstellern aus unterschiedlichsten Industriezweigen die Möglichkeit, sich am Markt zu differenzieren – im Hinblick auf neue Kundennutzen, Kostenreduktionspotenziale oder zum Erreichen von Nachhaltigkeitszielen. E i t e r e r: A n f or de r u ng e n a ddi t i v e r Fe r t ig u ng s v e r fa h r e n


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Funktionsprinzip Zunächst wird eine dünne Schicht des Pulverwerkstoffs auf die Bauplattform aufgetragen. Ein starker Laserstrahl schmilzt das Pulver exakt an den Stellen auf, die die computergenerierten Bauteil-Konstruktionsdaten vorgeben. Danach senkt sich die Fertigungsplattform ab und es erfolgt ein weiterer Pulverauftrag. Der Werkstoff wird erneut aufgeschmolzen und verbindet sich an den definierten Stellen mit der darunterliegenden Schicht. Die Bauteile können je nach Ausgangsstoff und Anwendung mit Stereolithografie, Laser-Sintern oder 3D-Druckern gefertigt werden. Das Additive Verfahren des Laser-Sinterns existiert bereits seit mehr als 20 Jahren. EOS hat den Prozess und die Werkstoffe seit Bestehen des Unternehmens kontinuierlich weiterentwickelt und perfektioniert.

Abb. 01: Funktionsprinzip des EOS Additive Manufacturing

Vorteile Die Additive Fertigung zeigt dort ihre Stärken, wo die konventionelle Fertigung an Grenzen stößt. Die Technologie setzt an den Stellen an, wo Konstruktion, Design und Fertigung neu durchdacht werden müssen, um Lösungen zu finden. Sie ermöglicht einen „design-driven manufacturing process“, bei dem die Konstruktion die Fertigung bestimmt – und nicht umgekehrt. Darüber hinaus gestattet die Additive Fertigung höchst komplexe Strukturen, die gleichzeitig extrem leicht und stabil sein können. Sie gewährt ein hohes Maß an Designfreiheit, Funktionsoptimierung und -integration, das Herstellen kleiner Losgrößen zu angemessenen Stückkosten und eine starke Individualisierung von Produkten sogar in der Serienfertigung.

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Systeme und Lösungen EOS bietet Industrie- und kundenspezifische Lösungen für komplexe Herausforderungen in der Additiven Fertigung. Die Bestandteile des modular aufgebauten Lösungsportfolios sind optimal aufeinander abgestimmt und bedarfsgerecht untereinander kombinierbar. Neben Systemen für die Additive Fertigung besteht das EOS-Lösungsportfolio aus einer Vielzahl an Werkstoffen, Softwareprodukten, Prozessen, umfangreichen Services sowie ergänzenden Produkten.

Systeme und Lösungen für die Verarbeitung von Kunststoffen EOS bietet Systeme und Zubehör zur wirtschaftlichen und werkzeuglose Fertigung hochwertiger Prototypen und Endprodukte aus Kunststoff durch Additive Fertigung. Die Systeme zeichnen sich durch eine ergonomische Peripherie und einen hohen Automatisierungsgrad aus. Dadurch stellen sie höchste Benutzerfreundlichkeit, die optimale Auslastung der Maschinenkapazität und eine hervorragende Integration in ein industrielles Umfeld sicher. Abb. 02: FORMIGA P 110 ist ein flexibles, kostengünstiges und hochproduktives System zur Additiven Fertigung von Kunststoffteilen. Die türgängige Anlage eignet sich ideal als Einstieg in die Additive Fertigung, etwa für eine wirtschaftliche Kleinserienproduktion, für individualisierte Produkte mit komplexen Geometrien und für Rapid-Prototyping-Anwendungen. Das System fertigt Kunststoffteile höchster Oberflächengüte werkzeuglos direkt aus digitalen CAD-Daten bis zu einer Bauhöhe von 330 mm. Abb. 03: EOS P 396 ist ein System zur Additiven Fertigung von Serienteilen und Funktionsprototypen aus Polymerwerkstoffen. Mit einem Bauraum von 340 x 340 x 600 mm deckt die EOS P 396 den mittleren Bauvolumenbereich ab. Das modulare und hochproduktive System erlaubt die werkzeuglose Fertigung von Serienbauteilen, Ersatzteilen, Funktionsprototypen und Modellen direkt aus CAD-Daten.

E i t e r e r: A n f or de r u ng e n a ddi t i v e r Fe r t ig u ng s v e r fa h r e n


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Abb. 04: EOSINT P 760 ist ein hochproduktives, modulares Laser-Sinter-System für die Additive Fertigung von Kunststoffbauteilen. Es eignet sich ideal für Rapid Prototyping und eine wirtschaftliche, losgrößenangepasste Serienproduktion im industriellen Umfeld.

Abb. 05: EOSINT P 800 ist das weltweit erste Laser-Sinter-System für die Additive Fertigung von High-Performance-Kunststoffprodukten bei den benötigten hohen Prozesstemperaturen (High-Temperature Laser Sintering, HTLS). Das System verarbeitet hochschmelzende Polymere im Schichtaufbauverfahren bei bis zu 385 °C zu Bauteilen mit herausragenden Produkteigenschaften. Während des Fertigungsprozesses überwacht das integrierte Online Laser Power Control-Modul (OLPC) kontinuierlich die Laserleistung und sorgt so für optimale, reproduzierbare Ergebnisse an den Bauteilen.

Systeme und Lösungen für die Verarbeitung von Metall EOS Systeme zeichnen sich durch eine ergonomische Peripherie und einen hohen Automatisierungsgrad aus. Dadurch stellen sie höchste Benutzerfreundlichkeit, die optimale Auslastung der Maschinenkapazität und eine hervorragende Integration in ein industrielles Umfeld sicher. Abb. 06: Als führendes System für die Additive Fertigung eignet sich EOSINT M 280 zur wirtschaftlichen Fertigung von hochwertigen Werkzeugeinsätzen, Prototypen und Endprodukten direkt aus Metall. Seine hohe Produktivität und ergonomische Peripherie machen das System zu einem idealen Produktionssystem für eine wirtschaftliche, losgrößenangepasste Additive Fertigung von Bauteilen in allen Phasen des Produktlebenszyklus.

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Herausforderungen an mechatronische Mehrachssysteme beim Einsatz in Röntgeninspektionsanlagen Martin Sokolowski, Leiter Entwicklung CTO, MatriX Technologies GmbH

Röntgeninspektionstechnologie hat sich bei der Herstellung elektronischer Baugruppen als effizientes Mittel zur Echtzeit-Qualitätsüberwachung etabliert. Durch den zunehmenden Einsatz von Bauelementen mit verdeckten Anschlüssen wie BGA- oder QFN-Bauformen sowie sich überlagernden Komponenten sind Röntgeninspektionsgeräte als Ergänzung zu optischen oder elektrischen Tests unabdingbar geworden. Die automatische Röntgeninspektion in der Fertigungslinie hat in den letzten Jahren weit über die SMT-Fertigung hinaus eine bedeutende Stellung im Markt erobert. Insbesondere im Bereich der Qualitätssicherung von ganzen Baugruppen (FATP) hat die Röntgeninspektion kontinuierlich an Bedeutung gewonnen. Neben der klassischen Verkettung in SMT-Fertigungslinien werden heute auch in der Montage einsetzbare Lösungen bis hin zu Rundtaktautomaten angeboten. Das Inspektionsspektrum umfasst dabei nahezu das gesamte Potential an Fehlerquellen – Verwechslung, fehlende und überflüssige Komponenten sowie mangelhaft montierte Bauteile bzw. Baugruppen. Der Ausschluss dieser Fehler garantiert Unternehmen den eigenen qualitativen Anspruch zu steigern bei gleichzeitiger Verringerung der Rücklaufquote und daraus resultierender möglicher Regressforderungen (z. B. „Schraube auf Batterie“). Matrix Technologies – weltweit führender Anbieter von automatischen Inline Röntgensystemen (Inline AXI Systemen) und Anbieter von State-of-the-Art Inspektionstechnologie – bietet mit seinem breiten Spektrum die optimale Integrationslösung für den jeweiligen Fertigungsprozess: Die XT-1000 – eine Inspektionsstation für Rundtaktautomaten ermöglicht die Röntgenanalyse auf kleinstem Raum. Um schnelle Takt-Zeiten zu gewährleisten, reicht es oftmals das Sample mit lediglich einem Bild aufzunehmen. Zur Sicherstellung des Strahlenschutzes wird das Sample mittels einer Hubachse aus dem Rundtakttisch ausgehoben und in die Röntgenkabine eingeführt. Ein klassisches Anwendungsgebiet ist die Prüfung von Airbagzündern. Hier spielt insbesondere der Aspekt der zerstörungsfreien Prüfung und der vollständigen Dokumentation eine entscheidende Rolle.

Sokolow sk i: H e r a u sf or de r u ng e n a n m ec h at ron i sc h e M e h r ac hssys t em e


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Abb. 01: Airbagzünder Mit der XT-1200 wird die Hubachse um eine Drehachse erweitert und ermöglicht damit Aufnahmen unter mehreren Winkeln. Dies ist besonders relevant, wenn es auf die Lage der Prüfstellen bzw. Fehler im 3D-Raum ankommt. Hierfür werden mindestens zwei Aufnahmen aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln benötigt, die gemeinsam ausgewertet werden. Die kombinierte Hub-Dreheinheit erfüllt die durch die Prüfstrategie bedingten, mechanischen Anforderungen und gleichzeitig die Strahlenschutzbedingungen (sicherer Verschluss der Kabine). Typische Prüfungen sind Lufteinschlüsse oder Lunker in der Nähe von Hotspots sowie die korrekte Ausrichtung von Bonddrähten, z. B. bei der Prüfung von ABS-Drucksensoren („Drive-by-wire“). Abb. 02: Drucksensor auf WT Abb. 03: Drucksensor unter Röntgen

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Die XT-1300 eignet sich speziell für die Prüfung von besonders hohen Modulen und kompletten Funktionseinheiten (bis zu 300 mm Höhe). Zur idealen Anbindung an die Fertigung kann die Zu- und Abführung der Prüfsamples oftmals mit den vorhandenen Werkstückträgern erfolgen. Die Bildgebung erfolgt durch das Positionieren von Sample und Detektor durch zwei unabhängige XY-Manipulatoren. Während der erste Manipulator als klassischer Kreuztisch aufgebaut ist, stellt der zweite durch die Röntgenprüfung eine besondere Herausforderung dar. Die Achsen müssen zwingend außerhalb des Inspektionsbereiches angeordnet werden. Realisiert werden konnte dies durch ein hängend montiertes Achssystem direkt neben der zentral angeordneten Röntgenröhre. Dies erlaubt die störungsfreie Aufnahme von Prüfstellen mit Hilfe unterschiedlichster Projektionen (Perspektive). Eine herausragende Anwendung ist die Inspektion von kompletten Getriebesteuerungen inklusive Sensordom.

Abb. 04: Video XT-1300

Abb. 05: Automotive Stecker (PTH)

Abb. 06: Aluminium Gussteil

Mit der Matrix Systemfamilie X2, X2.5 und X3 bietet das Unternehmen High-Speed Inspektionslösungen für die anspruchsvolle, automatische Inspektion in der Elektronikfertigung. Abb. 07: Matrix X3 Serie

Sokolow sk i: H e r a u sf or de r u ng e n a n m ec h at ron i sc h e M e h r ac hssys t em e


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Abb. 08: X3 Manipulator Konzept

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Mastering speed and precision in SMT HĂĽkan Sandell, Chief Architekt Jetting, Mycronic AB

Introduction Mycronic AB is a Swedish high-tech company engaged in the development, manufacturing, and marketing of production equipment to the electronics industry. Mycronic headquarters is located in Täby, north of Stockholm, and the Group has subsidiaries in China, France, Germany, Japan, Singapore, South Korea, Taiwan, the Netherlands, United Kingdom, and the United States. The products consist of pattern generators including mask writers and direct writers for the production of photo masks and substrates, as well as advanced surface mount technology (SMT) equipment. Different product needs necessitate a range of solutions for the machine base.

Picture 01: MY200 Pick & place robot Cost sensitive product; point-to-point motion Machine base: Welded steel

S a nde l l : M a s t e r i ng sp e ed a nd p r ec i s ion i n SM T


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Picture 02: MY600 Jet printer Trajectory following; high acceleration Machine base: Casted mineral

Picture 03: P80 Mask writer Nanometer accuracy; more than 24h write time Machine base: Floating Diabase/ ZERODURÂŽ

Jet printing system In modern electronic manufacturing processes, solder paste is applied to copper lands on a printed circuit board (PCB) prior to placement of electrical components. The assembly process is then completed by heating the solder paste to form solder joints. Traditionally, the solder paste application has been done using screen printing. Mycronic high speed jet printing technology offers the advantage of software controlled patterns. This allows for faster changeovers and shortens time for new product introductions. The system consists of a three-axis machine with PCB handling and a jet head. The jet printing head ejects droplets of solder paste using a small piston driven by a piezo actuator. Paste is fed into the ejection chamber by an auger pump design from a media reservoir, and the piston ejects the droplet. Droplets in the range of 300-500 Âľm diameter can then be ejected, one at a time or in groups with constant frequency, typically 50-300 Hz. Picture 04: Jet head working principle 62 | 63


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Jet printing needs System productivity can be expressed in terms of average jet frequency if all droplets are of equal volume, or mass flow per second in case of droplets of different size. In both cases, minimizing the motion time increases productivity. Even if the motion time is heavily dependent on the individual PCB layout, it can be decreased by careful selection of the traveling salesman algorithm, as well as the systemâ&#x20AC;&#x2122;s dynamic properties including acceleration and jerk. Furthermore, the benefit of not stopping is significant, using a continuous motion path while jet printing is a requirement for a high-speed system. Two conclusions can be made from the analysis of typical PCB layouts. First, the raw jet frequency mainly matters when it comes to covering large areas or creating continuous lines of dots. More important is the motion between components. Typical PCBâ&#x20AC;&#x2122;s contain enough medium long moves to make acceleration and jerk equally important for a high throughput design. Second, PCB designs contain a lot of repetitive patterns that can trigger resonance frequencies in the system if care is not taken. The fundamental motion frequency in these patterns varies from low 10 Hz to high 100 Hz, which could be repeated for seconds.

Picture 05: Typical PCB pattern with repetitive motion

S a nde l l : M a s t e r i ng sp e ed a nd p r ec i s ion i n SM T


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System design considerations The jet printing platform is designed to offer 3 g acceleration, in an XY plane over a 500 x 500 mm PCB, with a maximum speed of 1.5 m/s while allowing shooting on the fly. While the application is inherently non-contact, i.e. the print head doesn’t touch the work object, static force requirements are given less focus. Critical design parameters are > Motion system dynamics to limit the following error > Thermal deformation to achieve needed accuracy > Machine movement to avoid disturbing adjacent machines To achieve a path following error less than 10 µm in combination with high acceleration, the stiffness of moving parts is essential. The design process started with minimizing payload and the size of the “last” moving piece of mechanics, in this case the X-wagon. This ensures a good starting point for the gantry design, where a low weight requires less supporting structures, smaller motors and guides, which in its turn lowers the weight even more. The anti-pattern is when the need for a larger motor with higher weight requires larger guides and structures and perhaps an even larger motor. As a consequence, a low-weight flex cable construction replaces a standard cable chain between moving beam and print head on the jet printer.

Picture 06: Gantry with low inertia cable chain 64 | 65


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Lastadäquate Gestellstrukturen – die Basis innovativer Maschinenkonzepte Marc Dizdarevic, Leiter Entwicklung / Konstruktion, RAMPF Machine Systems GmbH & Co. KG

Einleitung Für Produktionsmaschinen werden zunehmend Anforderungen an kürzere Zykluszeiten und erhöhte Präzision gestellt. Die Hersteller von Antriebstechnik können diese erhöhten Anforderungen zunehmend durch schnelle Antriebe und hochauflösende Messsysteme begleiten. Durch die Auswahl des richtigen Antriebspakets ist ein Konstrukteur in der Lage, von der Antriebs- und Steuerungsseite diesen Forderungen gerecht zu werden. Die Herausforderung besteht nun darin, durch die Werkstoffauswahl des Untergestells und der bewegten Komponenten diese erhöhte Dynamik bei gleichbleibender oder höherer Präzision lastadäquat auszulegen. Der Werkstoff Grauguss und ungefüllte Stahlkonstruktionen als Gestellwerkstoff stoßen hierbei teilweise an ihre Grenzen. Dies liegt in den Materialeigenschaften und den Konstruktionsregeln dieser Werkstoffe begründet. Bereits in der Vergangenheit wurde versucht, über das Füllen von Gestellbauteilen die Masse zu erhöhen und somit einen positiven Einfluss auf die Funktion des Gestells zu erreichen. So wurden zum Beispiel Schweißkonstruktionen zur Erhöhung der Steifigkeit und Verbesserung der Schwingungsdämpfung mit Beton befüllt. Um den Anforderungen nach höherer Dynamik und Präzision nachzukommen und gleichzeitig die Wirtschaftlichkeit solcher Gestelle zu verbessern, wurden neue Werkstoffe entwickelt und es entstanden Gestellwerkstoffe wie z. B. epoxidharzgebundener Mineralguss und Hochleistungs-Betonwerkstoffe. Neben der Entwicklung dieser neuen Werkstoffe wurde die Bearbeitungs- und Fügetechnologie von natürlichem Hartgestein weiterentwickelt, um diesen auch für Gestelle mit komplexen Geometrien nutzbar zu machen.

Di zda r e v ic: L a s ta däqu at e G e s t e ll s t r u k t u r e n


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Übersicht der Gestellwerkstoffe und dereN Eigenschaften Über die Jahre haben sich somit eine Vielzahl von Gestellwerkstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften entwickelt. Jeder dieser Werkstoffe bringt seine Vor- und Nachteile mit sich; zudem unterscheiden sich diese durch werkstoffspezifische Konstruktions- und Auslegungsregeln. So sollen z. B. im Grauguss keine sprunghaften Wechsel der Wandstärken erfolgen, Materialanhäufungen vermieden werden und Kanten immer mit Radien ausgestattet sein. Bei den Werkstoffen Mineralguss und Ultrahochleistungsbeton (Ultra High Performance Concrete, kurz UHPC) kann das Gestell sehr massiv ausgelegt und konstruiert werden, ein sprunghafter Wechsel von Wandstärken stellt kein Problem dar. Bei Mineralguss sind Kanten mit Radien nicht zwingend erforderlich, zur Reduzierung der Kerbwirkung können Innenkanten aber mit Radien oder Fasen versehen werden. Bei UHPC sind Radien oder Fasen an Innen- und Außenkanten aufgrund der Sprödigkeit und geringen Zugfestigkeit vorzusehen. Bei diesen beiden Kaltgusswerkstoffen können aufgrund der maximalen Aushärtetemperatur von ca. 40 bis 55 °C Funktionsteile aus Kunststoff, Gummi, Stahl und weiteren Werkstoffen bereits beim Gießen in das Gestell eingebracht werden. Die Auslegung und Konstruktion mit natürlichem Hartgestein stellt sich wiederum ganz anders dar. Entgegen Mineralguss und UHPC sind hier einfache quadratische Blöcke mittels spezieller Fügetechnologie zu einem gesamten Gestell zu komplettieren. Nachfolgend findet sich eine Übersicht der gängigsten Gestellwerkstoffe mit den wichtigsten physikalischen Eigenschaften. Auf weitere Eigenschaften der von RAMPF Machine Systems angebotenen Werkstoffe – gefüllte Schweißkonstruktionen (EPUFILL), Mineralguss (EPUMENT), UHPC (EPUDUR) und natürliches Hartgestein (EPUSTONE) – wird nachfolgend eingegangen.

Tab. 01: Eigenschaften der Gestellwerkstoffe und Kombinationen 70 | 71


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Maschinengestelle als gefüllte SchweiSSkonstruktionen – EPUFILL Schweißkonstruktionen können zur Erhöhung der Steifigkeit und Verbesserung der Schwingungsdämpfung gefüllt werden. Hier sind Füllungen mit Sand, Beton oder epoxidharzgebundenem Mineralguss Stand der Technik. Die Schweißkonstruktion wird aus Blechen zusammengesetzt und dicht verschweißt. Anschließend wird die Schweißkonstruktion zum Abbau von Spannungen spannungsarm geglüht. Nach dem Glühen erfolgt das Strahlen der Innenseite und die Befüllung mit Mineralguss. Durch die Anhaftkraft von Mineralguss an gestrahlten Stahlflächen von >10 N/mm² geht die Füllung eine „feste Verbindung“ mit der Stahlhülle ein. Da es sich bei epoxidharzgebundenem Mineralguss um einen hydrophoben Werkstoff handelt, nimmt dieser keine Feuchtigkeit auf und es kommt nicht zum Quellen und somit zu keiner Geometrieänderung des Gestells. Wegen der hervorragenden Dämpfungseigenschaften von Mineralguss ergibt sich eine optimale Schwingungsdämpfung. Durch das Kaltgussverfahren kommt es zu keinem Spannungseintrag und es können Funktionen durch das Eingießen von Komponenten realisiert werden. Die Füllung trägt zur Erhöhung der Steifigkeit bei und es ist möglich, die Blechstärken zu reduzieren. Es wurden bereits 7.000 mm lange Gestelle und einem Füllgewicht von 9.000 kg in einer Schweißkonstruktion mit 5mm Blechstärke realisiert. Durch den angepassten Ausdehnungskoeffizient von epoxidharzgebundenem Mineralguss (15x106K-1) an Stahl (12x10-6K-1) ergibt sich kein Bimetall-Effekt. Dieses Verfahren ist für Prototypen und Gestelle mit geringen Stückzahlen geeignet. Durch das Herstellen der Schweißkonstruktion und die mechanische Bearbeitung dieser entsteht ein höherer Teilepreis gegenüber eines aus einer Gießform gegossenen Gestells aus Mineralguss.

Abb. 01: Schweißkonstruktion eines Gestells mit 5 mm Blechstärke – Außenansicht

Abb. 02: Schweißkonstruktion – Innenansicht Di zda r e v ic: L a s ta däqu at e G e s t e ll s t r u k t u r e n


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Abb. 03: Funktionsintegration durch das Eingießen von Komponenten, eingeschweißte Stahlstäbe zur Sicherung der Leitungen gegen Auftrieb

Maschinengestelle aus Mineralguss – EPUMENT Bei Maschinengestellen aus Mineralguss handelt es sich um Bauteile, die aus einer Gießform gegossen werden. Die Füllstoffe (Mineralien verschiedener Korngrößen) werden mittels Bindemittel Epoxidharz „verklebt“. Zur Verdichtung und Entlüftung des Materials werden die Gießformen während des Befüllens auf einem Verdichtungstisch gerüttelt. Durch das Kaltgussverfahren mit einer Aushärtetemperatur von 40 bis 55 °C ist eine vielseitige Funktionsintegration möglich. So können beispielsweise Hydraulikund Pneumatikleitungen, Leerrohre, Ablaufrohre und vieles mehr eingegossen werden. Hierdurch ergibt sich bei der späteren Endmontage der Maschine ein Zeit- und Kostenvorteil gegenüber konventionellen Gestellwerkstoffen. Ein weiterer Vorteil der geringen Aushärtetemperatur ist ein reduzierter Schwund. Somit entstehen keine inneren Spannungen, die in einer nachträglichen Behandlung abgebaut werden müssen oder gar im Prozess frei werden können.

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Trends elektromechanischer Systemperipherie für High-End-Technologien Dipl.-Ing. Roland Greubel, Entwicklungsleiter, Bosch Rexroth

1. Weshalb ist eine direkte Positionserfassung in vielen Fällen sinn voll? Hochpräzise Werkstücke zu fertigen ist nur möglich, wenn wesentliche Störfaktoren ausgeschaltet werden. Neben dem Linearmotor ist der Kugelgewindetrieb heute das dominante Vorschubelement in der Werkzeugmaschine. Direktantriebe benötigen systembedingt eine direkte Positionserfassung. Ohne direktes Messsystem ist der Betrieb von Linearmotoren technisch in den meisten Fällen nicht sinnvoll. Bei Maschinen mit Gewindetrieben gilt es, vor allem die Kraftdehnungsund Längendehnungs-Spindel zu berücksichtigen. Im Bemühen, die Ausfallraten der produzierten Bauteile stetig zu reduzieren, sind heute nur noch Ausfallraten von deutlich weniger als 50 ppm je nach Branche und Einsatzfall akzeptiert. Dies verstärkt weiter die Forderung, hochpräzise direkte Wegmesssysteme in den Maschinen einzusetzen, da deutlich präziser gefertigt werden muss, um die notwendigen statistischen Kenngrößen zu realisieren.

2. Betrachtung marktübliche, direkte Wegmessysteme Indoor GPS ist für den angepeilten Genauigkeitsbereich überhaupt nicht in Diskussion und gibt es heute nur im Bereich der Forschung, nicht jedoch in real ausgeführten Volumen-Maschinen. Dominant ist seit vielen Jahren der Glasmaßstab in unterschiedlichen Ausprägungen. Diese hochpräzisen Messsysteme haben jedoch prinzipbedingte Nachteile. Da eine optische Abtastung der Maßverkörperung notwendig ist, ergibt sich je nach Ausführung und Umgebungsbedingung eine endliche Einsatzdauer durch Verschmutzung und Abrieb, welche oft deutlich unter der Lebensdauer der Werkzeugmaschine liegt. G r eu be l : T r e nds e l e k t rom ec h a n i sc h e r Sys t em p e r i p h e r i e


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Oft ist es notwendig, mit Sperrluft zu arbeiten. Dies bedarf Feinstfilter, welche den Installations- und Wartungsaufwand weiter erhöhen und den Energiebedarf erhöhen. Seit einigen wenigen Jahren sind in die Führung integrierte direkte Messsysteme IMS am Markt erhältlich. Diese arbeiten zumeist nach dem magnetischen oder dem induktiven Wirkprinzip. Diese Systeme erreichten bis vor wenigen Monaten nicht die Präzision, um für Werkzeugmaschinen in weitem Anwendungsbereich tauglich zu sein. Einige Fabrikate am Markt arbeiten selbst mit gleitenden, verschleißbehafteten Abtastsystemen. Betrachtet man die IMS Systeme mit dem TCO-Gedanken, so bieten diese deutliche Vorteile gegenüber dem klassischen Glasmaßstab.

3. Aufbau IMS von Rexroth Rexroth ist es in mehreren Entwicklungszyklen gelungen, ein in die Führung integriertes Messsystem IMS in der Genauigkeit so zu steigern, dass es für die Anforderungen der Volumen-Werkzeugmaschine gut geeignet ist. Das IMS arbeitet auf Basis der berührungsfreien und induktiven Abtastung eines hochpräzisen Stahlbandes, welches die Maßverkörperung darstellt. Dieses Stahlband ist in die Führungsschiene integriert und flüssigkeitsdicht mit einem Laser verschweißt. Eine Führungsschiene mit integrierter Maßverkörperung ist so in der Anwendung kaum von einer konventionellen Schiene zu unterscheiden. Die Genauigkeit des Bandes wird im Wesentlichen durch den verwendeten Werkstoff und die darauf abgestimmte hochpräzise Fertigungsmethode bestimmt. Das Herzstück jedoch ist der Sensor. Dieser besteht aus einem Spulenarray, welches aus einer Anordnung von Sender- und Empfänger-Spulen gebildet wird. Die Sendespulen werden hochfrequent erregt. Dieses Magnetfeld der Senderspulen wird durch die Maßverkörperung in der Schiene beeinflusst. Dies geschieht dadurch, dass die Maßverkörperung kleine, zyklisch angeordnete „Fensterchen“ besitzt. Das so durch die Maßverkörperung positionsabhängig bedämpfte, magnetische Wechselfeld induziert in den Empfängerspulen einen Strom. Dieser wird noch im Sensor verstärkt. So wird ein sehr stabiles Messsignal nach der Demodulation erreicht. Die Güte des Messsignals ist im hohen Maße vom Abstand des Sensors zur Maßverkörperung abhängig. Dieser Abstand wird stark durch die Fertigung des Sensors und seine Montage bestimmt. Derartige Abweichungen werden durch präzises Kalibrieren gegenüber einer Referenzschiene sehr stark reduziert. Es wird hier bewusst gegenüber einer Referenzschiene kalibriert und nicht mit der IST-Schiene. Damit kann dem Rexroth-Prinzip des Austauschbaues folgend jeder Lesekopf auf jeder Schiene mühelos arbeiten. Der verbleibende Fehler und alle Effekte aus der Einfederung der Führung werden durch einen 82 | 83


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präzisen Abstandsregler eliminiert. Eine Ausrichtung / Justage bei der Montage entfällt vollständig, da der Messkopf präzise vom Führungswagen im Abstand geführt wird. Es wäre viel einfacher gewesen, den Lesekopf einfach auf der Schiene schleifen zu lassen. Dies hätte aber Verschleiß und damit Wartung bedeutet, und genau diesen Nachteil bestehender Systeme wollten wir verbessern. Die Information des Sensors wird in einer schnellen analog-digitalen Folgeelektronik weiter aufbereitet und entsprechend weiter verarbeitet. Das Ergebnis ist ein Signal, welches an der Schnittstelle als analoge oder digitale Variante in den üblichen Standards für inkrementelle Messsignale (1VSS oder TTL) zur Verfügung gestellt wird.

4. Wichtige Eigenschaften

Tab. 01: Wichtige Eigenschaften

G r eu be l : T r e nds e l e k t rom ec h a n i sc h e r Sys t em p e r i p h e r i e


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5. TCO Unter TCO “Total Cost of Ownership” subsummiert man alle Kosten, welche den Eigentümer einer Sache, beginnend mit der Planung bis zur Entsorgung, also über die gesamte Lebensdauer belasten. Ein IMS unterscheidet sich hier wesentlich von einem optischen System, da folgende TCO-Treiber systembedingt nicht anfallen oder deutlich reduziert sind.

Tab. 02: TCO In vielen durchgerechneten Fällen hat sich gezeigt, dass sich die sehr geringen Mehrkosten für eine IMS schnell amortisieren. Wichtig ist hierbei, die individuellen Verhältnisse zu betrachten, da z. B. Kosten für die Inbetriebnahme oder Energie stark unterschiedlich sein können. Die meisten erfolgreichen Firmen nutzen heute schon den TCO-Ansatz. Um die TCO mit individuellen Parametern abzuschätzen, hat Rexroth ein Tool entwickelt. Dies ist von Rexroth erhältlich.

6. Ausblick Aktuell wird IMS weiterentwickelt, um unmittelbar auch die Absolutposition zu liefern. In den nächsten Monaten werden erste Muster mit den marktüblichen Schnittstellen zur Verfügung stehen.

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Direktantriebe von Morgen – Potenziale für Produktivität und Präzision in Fertigung, Montage und Automatisierung Dr. Ir. Thorwald van Vuure, Senior Designer, Tecnotion

Tecnotion ist weltweit der Experte im Bereich der linearen Antriebstechnologie. Als globaler Marktführer ist das Unternehmen auf die Produktion von kundenspezifischen High-End-Linearmotoren spezialisiert. Das Hauptaugenmerk besteht seit der Abkopplung vom Philips Konzern ausschließlich in der Entwicklung und Fertigung von Linearmotoren für industrielle Anwendungen. Linearmotoren weisen bezüglich Beschleunigung und Positioniergenauigkeit Vorteile gegenüber anderen Antriebssystemen auf. Trotz des Mehraufwands bezüglich der Steuerung werden sie immer öfter in verschiedenen Applikationen eingesetzt. Meist finden Linearmotoren dort ihren Einsatz, wo die Anforderungen des Bewegungsprofils von anderen Antrieben nicht mehr bewältigt werden können; manchmal sind auch andere Vorteile wie Wartungsfreiheit entscheidend. Da heutige Maschinen sehr komplex sein können, ist es auf den ersten Blick nicht immer ersichtlich, anhand welcher Kriterien man die Qualität eines Linearmotors bewerten kann. In der Folge ist es auch nicht sofort klar, auf welche Eigenschaft man sich bei der weiteren Optimierung und Entwicklung konzentrieren soll. Zusätzlich zur Dauerkraft per Einheit Motormasse – seit eh und je ein wichtiger Parameter, den es zu optimieren gilt –, können neue Systeme mittels reduzierter Bauhöhe verbessert werden. Für Systeme mit schlechter Wärmeleitung ist eine hohe Motorkonstante pro Einheit Motormasse wichtig, da hierdurch die Energieeffizienz erhöht und so die Wärmeableitung verringert wird. Das Linearmotor-Produktportfolio von Tecnotion kann in zwei Kategorien aufgeteilt werden: eisenbehaftete Linearmotoren und eisenlose Linearmotoren. Der wesentlichen Unterschied zwischen den zwei Produktklassen besteht darin, dass der eisenbehaftete Linearmotor eine sehr hohe Kraft pro Masseneinheit produzieren kann, während die Vorteile des eisenlosen Linearmotors eher in der Geschwindigkeit und Präzision liegen. va n V u u r e: Di r e k ta n t r i e be von Morg e n


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Eisenbehaftete Linearmotoren

Abb. 01: Eisenbehafteter Linearmotor Um einen Eisenkern aufgebaut, bieten diese Linearmotoren für ihre Größe sehr hohe Dauerkräfte von 60 N bis 3000 N; Kraftspitzen sind noch höher: bis zu 6000 N können hier erreicht werden. Diese enorme Kraft wird von einer überraschend kompakten Einheit generiert. Die kleine Montagefläche, modulare Bauweise und hohe Kraftdichte ermöglichen eine hohe Flexibilität bezüglich des Anwendungsdesigns. Die Fähigkeit, mehrere Motoren zusammen zu schalten, entweder in Reihe oder parallel, erweitert die Palette an möglichen Anwendungen noch weiter. Vor allem folgende Industriebereiche profitieren von den spezifischen Eigenschaften eisenbehafteter Linearmotoren: > Halbleiter > Druckerei > Laser / Hochdruckwasserstrahlschneiden > Werkzeugmaschinen > Inspektion von Komponenten > Pick & Place-Anwendungen > Medizin / Life Science / Laborautomation > Fabrikautomation / Transport > Elektronik > Solar

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Eisenlose Linearmotoren

Abb. 02: Eisenloser Linearmotor Im Gegensatz zu eisenbehafteten Linearmotoren sind diese Motoren mit einer eisenlosen Spuleneinheit konstruiert, so dass keine Anziehungskraft oder Verzahnung zwischen der Spuleneinheit und der Magnetspur besteht. Das verleiht eisenlosen Motoren ihr geringes Gewicht, ihre hohe Präzision, eine lineare Kraftkonstante und die extrem dynamische Schnelligkeit, Beschleunigung und Verzögerung. Die Dauerkraft liegt im Bereich von 10 N bis hin zu 846 N; die Kraftspitzen liegen bei bis zu 4200 N. Die Eigenschaften von eisenlosen Linearmotoren kommen in jenen Anwendungen am besten zur Geltung, in denen geringe Massen mit höchster Präzision und bei hoher Taktgeschwindigkeit bewegt werden, insbesondere in Bereichen wie: > Halbleiter > Flat Panel Display > Inspektion von Komponenten > Ultrapräzisionsstufen > Medizin / Life Science / Laborautomation > Optik

va n V u u r e: Di r e k ta n t r i e be von Morg e n


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Antriebssysteme Linearmotoren wandeln elektrische Energie direkt in eine lineare Bewegung um, was Vorteile gegenüber den nachfolgend dargestellten Alternativen birgt:

Abb. 03: Riemen – Beschleunigung: 50 m/s2; Genauigkeit: ~50 µm

Abb. 04: Spindelsystem – Beschleunigung: 10 m/s2; Genauigkeit: 5 µm

Abb. 05: Zahnstange mit Ritzel – Beschleunigung: 40 m/s2; Genauigkeit: ~40 µm

Abb. 06: Linearmotor – Beschleunigung: 100 m/s2; Genauigkeit: < 1µm Riemen und Spindelsystem können beträchtliche Beschleunigungen generieren, aber die erreichbare Genauigkeit ist mangelhaft. Gleiches gilt für die Zahnstange mit Ritzel. Eine Schraube bewirkt das Gegenteil: In der Regel wird eine gute Präzision und schlechte Beschleunigung erzielt. 90 | 91


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Der ewige Spagat zwischen Dynamik und Genauigkeit – Optimierungspotenzial durch Regelung und Steuerung Dr.-Ing. Elmar Schäfers, Leiter Mechatronic Support, Siemens AG

1. Einleitung Die Erfüllung hoher Anforderungen an Dynamik und Genauigkeit sind für die meisten Anwendungen elektrischer Antriebs- und Steuerungstechnik von besonderer Bedeutung. Allerdings sind die quantitativen Größen zur Spezifizierung der Anforderungen naturgemäß applikationsabhängig: Bei Verzahnungsmaschinen sind Abweichungen am Werkstück im Sub-µm Bereich bereits kritisch, bei Handlingsystemen können dagegen auch Auslenkungen von Millimetern verkraftet werden. Ähnliches gilt für Dynamikparameter: Eine Werkzeugmaschine, bei der Massen von beispielsweise 20 Tonnen bewegt werden, ist mit einem Beschleunigungsvermögen von 5 m/s² als dynamisch zu bezeichnen. Laserschneidmaschinen dagegen bewegen einige Hundert Kilogramm Masse mit Beschleunigungswerten, die sich als Vielfaches der Erdbeschleunigung ausdrücken. Trotz dieser unterschiedlichen Größenordnungen lassen sich einige grundlegende regelungs- und steuerungstechnische Verfahren zur Erhöhung der Dynamik und Genauigkeit für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzen. Dieser Beitrag stellt exemplarisch entsprechende Ansätze vor, mit denen deutliche Fortschritte hinsichtlich Produktivität und Bearbeitungsqualität erzielt werden können. Voraussetzung für deren Anwendung ist die vollständige Integration der Antriebssysteme – Motoren, Geber und Umrichter – in die Automatisierungslösung. Im Folgenden werden zwei Verfahren beschrieben, die beide auf der Nutzung von Modellwissen beruhen. Im zweiten Kapitel wird ein Ansatz vorgestellt, mit dem sich das Führungsverhalten einer Maschine auf Basis eines dynamischen Maschinenmodells anpassen lässt. Kapitel 3 beschreibt einen Ansatz zur Schwingungsdämpfung. Er beruht auf sogenannten nicht-parametrischen Modellen, die in Form von Frequenzkennlinien messtechnisch ermittelt werden. Sc h ä f e rs: De r e w ig e Spag at z w i sc h e n Dy n a m i k u nd G e n a u ig k e i t


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2. Engineered Motion Control – Dynamische Maschinenmodelle zum Generieren von FührungsgröSSen Eigenfrequenzen kennzeichnen das Schwingungsverhalten einer Maschine. Diese bilden sich im Führungsverhalten besonders deutlich aus. Bemerkenswert bezüglich der Wirkung der Eigenfrequenzen ist deren hohe Reproduzierbarkeit. Die Abbildung der Eigenfrequenzen auf die Bewegung des TCPs lässt sich sehr gut vorausberechnen. Sie ändert sich während der Lebensdauer einer Maschine nicht signifikant (außer bei extrem starken Verschleiß steifigkeitsrelevanter Komponenten wie dem Kugelgewindetrieb). Auch die Reibungscharakteristik der Maschinenachsen hat bedeutenden Einfluss auf das Führungsverhalten. Eine hinreichend exakte Beschreibung führt allerdings zu äußerst komplexen mathematischen Modellen, weswegen der Einsatz im industriellen Umfeld nahezu unmöglich ist. Auch die notwendige messtechnische Erfassung ist nicht immer möglich. Somit ist es sinnvollerweise angebracht, Abhilfe direkt durch geeignete maschinenbauliche Gestaltung z. B. der Führungen herbeizuführen. Das im Weiteren beschriebene Verfahren beruht darauf, dass die störenden oszillatorischen Effekte einer Maschine zunächst modelliert werden. Für das Modell kommt dann ein geeignetes regelungstechnisches Verfahren zur Anwendung, das die Auswirkung der modellierten Effekte minimiert. Das geregelte Modell wird steuerungsseitig abgelegt und mit den Führungsgrößen aus dem NC-Kern beaufschlagt. Das Modell liefert zum einen berechnete Motor-Momente bzw. -Kräfte zur Vorsteuerung der Antriebe und zum anderen Referenzverläufe für die Kaskaden der Drehzahl- und LageRegelung. Die Regelkreise reagieren schließlich nur noch auf Abweichungen vom Modellverhalten. Unter der Voraussetzung, dass das modellierte Maschinenverhalten das reale Verhalten hinreichend gut wiedergibt, lässt sich damit eine Trennung des Führungs- und Störverhaltens bewirken. Abbildung 1 zeigt vereinfacht dargestellt die Struktur dieses „Engineered Motion Control“ (EMC) genannten Ansatzes [1].

Abb. 01: Grundstruktur des Engineered Motion Control (EMC) 96 | 97


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Das folgende Anwendungsbeispiel zeigt das Potenzial des Verfahrens. Betrachtet wird eine direkt angetriebene Achse eines Bearbeitungszentrums. Durch das Beschleunigen und Bremsen der Achse wird vor allem die Aufstellfrequenz der Maschine angeregt. In Abbildung 2 ist das Positionierverhalten bei einer dynamischen Bewegungsvorgabe dargestellt. Das Überschwingen mit einer Frequenz von etwa 20 Hz ist deutlich zu erkennen und beschränkt die Dynamik bei Verfahrbewegungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen (z. B. Schlichtbearbeitung).

Abb. 02: Positionierverhalten bei konventioneller Ansteuerung Abbildung 3 zeigt ein mechanisches Ersatzmodell dieser Achse. In Abbildung 4 ist der Frequenzgang der Regelstrecke (Eingangsgröße Motorkraft Fmot, Ausgangsgröße Motorgeschwindigkeit am Maßstab vmot = ymot) gemeinsam mit dem entsprechenden Frequenzgang des Achsmodells dargestellt. Im Bereich der problematischen 20-HzSchwingung stimmt das Modell gut mit der Messung überein.

Abb. 03: Modell der Maschinenachse

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Abb. 04: Frequenzgang der Regelstrecke aus Messung und Modell Die Ber체cksichtigung des Achsmodells in der Steuerung entsprechend der in Abbildung 1 dargestellten Struktur f체hrt dazu, dass die Aufstellfrequenz kaum mehr in Erscheinung tritt. In Abbildung 5 ist das damit erreichbare Positionierverhalten bei gleicher Dynamik des Verfahrprofils abgebildet.

Abb. 05: Positionierverhalten mit EMC Dass gleichzeitig das Interpolationsverhalten der Achse von sehr hoher G체te ist, zeigt der Kreisformtest in Abbildung 6. Soll- und Ist-Kreis liegen aufeinander. Zu sehen sind lediglich die Reibnasen an den Stellen der Achsumkehr. Eine Reibkompensation wurde nicht aktiviert. Ein solches Verhalten w채re mit einer einfachen Sollwertfilterung nicht zu erreichen. 98 | 99


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4. Zusammenfassung Der vorliegende Beitrag beschreibt zwei Ansätze zur Verbesserung von Dynamik und Genauigkeit an Maschinen. Steuerungstechnische Maßnahmen bekämpfen gezielt die störenden Auswirkungen von Schwingungsformen in der Maschinendynamik. Die modellbasierten Steuerungs- und Regelungskonzepte entfalten ihre volle Wirkung durch die vollständige mechatronische Integration der Antriebskomponenten. Die mit diesen Verfahren ausgestatteten Maschinen werden damit höchsten Ansprüchen an Präzision und Dynamik gerecht.

5. Literatur [1] Schäfers E, Denk J, Geißdörfer K, Hamann J and Wedel B: Verfahren und Einrichtung zur Bewegungsführung eines bewegbaren Maschinenelements einer Maschine. EP 1934660 B1 [2] Schäfers E, Künzel S, Reichel Tand Uhlich: A Verfahren zur Dämpfung mechanischer Schwingungen von Achsen von Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen oder Robotern. DE 10246093 C1

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Vortragsband Wangener Maschinentage 2015  

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