100 Prozent Werkzeugmagazin-tauglich

Titelstory der KonstruktionsPraxis 9.2021 | Redakteur: Ute Drescher

SycoTec hat die erste 100 Prozent autonom arbeitende HF-Spindel zur Integration in Standard-Werkzeughalter entwickelt.
So werden High-Speed-Bearbeitungen ohne Aufwand möglich – in jeder beliebigen CNC-Maschine.

Der neue Werkzeughalter 60 ER11 von SycoTec ist mit einer vollwertigen Motorspindel ausgestattet und arbeitet komplett autark.

Das Ziel war klar: Die nächste Generation Werkzeugspindel der SycoTec GmbH & Co. KG, Leutkirch, sollte autark funktionieren und die High-Speed-Bearbeitung auf jeder beliebigen CNC-Maschine ermöglichen. Außerdem sollte sie sich möglichst intuitiv bedienen lassen, ohne dass der Anwender auf lange Gebrauchsanweisungen angewiesen ist – ein komplett Plug-and-play-fähiges System also.
Dieses Ziel haben die Entwickler aus der Allgäuer Ideenschmiede erreicht: Die neue Werkzeugspindel 60 ER11 ist eine High-End Systemlösung mit allen notwendigen Komponenten onboard: Motorspindel, Frequenzumrichter, Versorgung durch Akkupack und Logik. So lässt sie sich in jede beliebige CNC-Maschine einsetzen – ganz ohne Umrüstarbeiten. Werkzeughalter zur Drehzahlerhöhung für Bearbeitungszentren oder Fräsmaschinen gibt es seit Jahren. Sie arbeiten mit unterschiedlichen Technologien. Dazu gehören zunächst mechanische Getriebe, darüber hinaus Turbinenspindeln, die entweder mit Fluid oder mit Luft betrieben werden sowie Elektrospindeln mit Schnittstelle. „Ohne Umbaumaßnahmen an der Hauptmaschine zu verursachen – arbeiten nur Turbinenspindeln mit Fluid, die über die innere Kühlmittelzufuhr (IKZ) angetrieben werden“ erklärt Simon Steinle, Produktmanager bei SycoTec. Diese Spindeln lassen sich zwar einfach installieren und bieten hohe Drehzahlen. Doch sobald Last an der Welle anliegt, fällt die Drehzahl signifikant ab.

Arbeitet autark und drehzahlstabil
Auch die anderen genannten Technologien haben einen entscheidenden Nachteil, erklärt Simon Steinle: „Alle Lösungen sind auf eine Schnittstelle angewiesen.“ Die Getriebe benötigen eine Permanent-Stütze, die den äußeren Teil hält, die Elektrospindeln eine Stromzufuhr und die pneumatischen Spindeln eine Luftzufuhr. Das bedeutet für den Anwender, dass er Änderungen an der Hauptspindel vornehmen muss – ein Umstand, den Anwender lieber vermeiden würden.
Ausgangspunkt der Entwicklung war die Masterarbeit zum Thema „Highspeed-Bearbeitung auf Bearbeitungszentren“ von Valentin Graf, leitender Entwicklungsingenieur bei SycoTec. Zunächst experimentierte Graf mit Getrieben und doppelt geschalteten Motoren, bevor er auf die Lösung mit Akku kam. Es galt, insgesamt vier Entwicklungsbereiche zu bearbeiten. „Unser Daily-Business, die Entwicklung der Motorspindel, hatten wir relativ schnell fertig“, erinnert sich Valentin Graf. Schwieriger war es, sowohl Leistungselektronik samt Umrichter als auch die Akku-Technologie möglichst kompakt aufzubauen. Für alle Bearbeitungszentren gilt: Die Bearbeitungszeit ist ein wesentlicher Faktor für ihre Produktivität. Die lässt sich u. a. über die Drehzahl der Spindeln beeinflussen. Hauptspindeln in Bearbeitungszentren sind ausgelegt auf 12.000 min-1, maximal 16.000 min-1. Werkzeuge für die Mikrobearbeitung etwa haben Durchmesser von 0,5 mm bis 4 mm und bearbeiten die Werkstücke mit Drehzahlen von 30.000 bis 80.000 min-1. „Würden Sie diese Werkstücke mit 12.000 bis 16.000 min-1 bearbeiten“, macht Steinle an diesem Beispiel deutlich, „würde das viel zu viel Zeit kosten“. Darüber hinaus wirken sich diese Drehzahlen nachteilig auf die Oberflächengüte aus und steigern den Verschleiß. Steinle: „Diese Nachteile können wir mit unserem Highspeed Toolholder eliminieren“. Die neue Werkzeugspindel verspricht einen deutlich höheren Durchsatz und damit eine höhere Produktivität des Bearbeitungszentrums. Auch der Verschleiß sinkt, während die Oberflächengüte steigt.
Da der Werkzeughalter als Plug-and-play-Lösung ausgelegt ist, lässt er sich während des Rüstvorgangs außerhalb der Maschine in das Magazin des Bearbeitungszentrums einsetzen und über das Display die Solldrehzahl einstellen. Weder Umbauten noch Medienzuleitungen sind nötig. „Wir sind 100 Prozent Werkzeugmagazin-tauglich“ betont Valentin Graf. Darüber hinaus ist der Toolholder mit einer Start-/Stopp-Automatik ausgerüstet, die aus sicherheitstechnischen Gründen mit zwei Abfragen arbeitet.
Signal 1 meldet über einen integrierten Induktivsensor die Aufnahme in den Maschinenkegel; die Spindel ist bereit zum Start. Zwei weitere Sensoren erfassen die Beaufschlagung durch die IKZ – sie wird über einen integrierten Kanal als Außenkühlung genutzt – sowie die Rotation der Hauptspindel. Sobald bei einer Nassbearbeitung Druck an der IKZ anliegt, erfolgt das zweite Startsignal. Bei einer Trockenbearbeitung erfasst ein Gyrosensor die minimale Rotation der Hauptspindel, in diesem Fall das zweite Startsignal.

Mit einem Durchmesser von 80 mm und einer Länge von 220 mm baut der Werkzeughalter sehr kompakt. Der Akkupack benötigt zwar viel Platz, ist aber notwendig, um das Werkstück ausreichend lange bearbeiten zu können. Die Entwickler von SycoTec haben die Abmessungen der Werkzeugmagazine aller gängigen Bearbeitungszentren geprüft. „Die maximale Aufnahmelänge liegt in der Regel zwischen 250 mm und 350 mm“, berichtet Graf. „Das heißt, mit einer Länge von 220 mm lässt sich unser Werkzeughalter einspannen, für das Werkzeug bleiben noch 30 mm“.

Auch das Service-Konzept überzeugt
Darüber hinaus ist das Service-Konzept sehr einfach: Der Akkupack als Ganzes ist steckbar, die insgesamt 18 LiIon Rundzellen lassen sich einfach auswechseln.
Knackpunkt für die Lebensdauer der gesamten Einheit sind die Lager. SycoTec hat auf lebensdauerfettgeschmierte Kugellager zurückgegriffen, die eine Lebensdauer bis 10.000 h erreichen. Müssen sie gewechselt werden, kann die Motoreinheit über drei Schrauben von der Grundeinheit demontiert und durch eine Ersatzeinheit getauscht werden. Zeitaufwand: 2 bis 3 min. Ein weiterer, nicht zu vernachlässigender Punkt war die Abdichtung des gesamten Systems. „In Bearbeitungszentren haben Sie es immer mit Kühlschmiermittel und Spänen zu tun“ erklärt der Produktmanager. In der Regel werden daher sperrluftgestützte Labyrinth-Dichtungen zur Abdichtung eingesetzt. Diese Lösung kam nicht in Frage, da eine Medienzuleitung vermieden werden sollte. „Daher musste auch diese Abdichtung druckluftfrei realisiert werden“, nennt Steinle die Herausforderung. Unter Zuhilfenahme der Zentrifugalkraft, die bei rotierenden Maschinen zwangsläufig gegeben ist, konnte Graf ein neuartiges Abdichtsystem entwickeln und integrieren. Aktuell laufen die ersten Vorserienmodelle bei Partnern und Großkunden im Dauertest/Dauerbetrieb. Mitte nächsten Jahres will SycoTec Vollserien ausliefern. Doch abgeschlossen ist die Entwicklung damit nicht. „Wir arbeiten an weiteren Schnittstellen, die die direkte Kommunikation mit der Maschine ermöglichen“, verrät Steinle. Man darf also gespannt sein.

Auf einen Blick: die Eckdaten des neuen High-Speed-Werkzeughalters
Bei dem Werkzeughalter 60 ER11 handelt es sich um ein kompaktes Frässpindelset, bestehend aus einer Motorspindel, einem Umrichter und der Leistungsversorgung. Die integrierte Motorspindel – ausgerüstet mit einem BLDC-Synchronmotor und Hybridkugellagern – erreicht 60.000 min-1 bei einer Leistung von 300 W bis 500 W und ist mit einem ER11-Spannsystem ausgestattet. Das Spannsystem kann Werkzeuge mit Schaftdurchmessern bis 8 mm aufnehmen. Der HF-Umrichter verfügt über ein Batteriemanagementsystem mit Info-Display, das den Ladezustand und die Restkapazität der Akkus anzeigt. Die integrierten Akkus sind wechselbar und die Kapazität reicht für bis zu 8 h Dauerbetrieb, wodurch eine übliche Arbeitsschicht ohne Akkuwechsel möglich ist.

KonstruktionsPraxis 9.2021 | Redakteur: Ute Drescher