Präzision sichern: Sicherstellung der Leistung von Werkzeugmaschinen im Automobilbau

Im Volkswagenwerk in Wolfsburg wird der ETALON LASERTRACER-NG von Hexagon seit 2016 für die Instandhaltung von Werkzeugmaschinen eingesetzt, um die Leistungsfähigkeit der Maschinen vor Ort durch regelmäßige Optimierung und Kalibrierung zu erhalten

Im geschäftigen Volkswagen-Automobilwerk in Wolfsburg, Deutschland, ist Präzision das A und O. Wenn im Werkzeugbau eine unerwartete Panne auftritt – eine Maschinenkollision mit einem Werkstück, die zu einer Unterbrechung der Fertigung führen könnte – spielt die Technologie von Hexagon die zentrale Rolle bei der schnellen Diagnose des Maschinenzustands, um eine kontinuierliche Produktion zu ermöglichen. Seit 2016 ist der ETALON LASERTRACER-NG ein unverzichtbarer Verbündeter des VW-Instandhaltungsteams bei der Überprüfung der Genauigkeit und Leistung der Fräsmaschinen. 

Wolfsburg, Deutschland, 08:20 Uhr: Der Werkzeugbau im Versuchsbau meldet eine Maschinenkollision mit einem Werkstück. Das sollte nicht passieren, weil es den gesamten Fertigungsprozess gefährdet, aber der Vorschub war einfach etwas zu schnell. Materialschwankungen können manchmal zu übermäßigen Fräskräften führen, sollte es aber eigentlich nicht. Nun ist guter Rat teuer: Ist die Maschine verzogen? Kann die Arbeit fortgesetzt werden?

Das 1938 gegründete Wolfsburger Automobilwerk in Deutschland ist das Hauptwerk des Volkswagen-Konzerns. Mit einer Fläche von 6,5 km² und einer Produktionskapazität von bis zu 800.000 Fahrzeugen pro Jahr ist es der größte zusammenhängende Automobilproduktionskomplex der Welt und beschäftigt rund 70.000 Mitarbeiter.

Allein im Werkzeugbau des Versuchsbaus und im angrenzenden Versuchsbau sind rund ein Dutzend Werkzeugmaschinen im Einsatz. Diese Maschinen dienen nur einem Zweck: Sie sollen aus einem Quader Rohmaterial auf der Grundlage von 3D-Daten die gewünschten Formen oder Bauteile herausfräsen. Dies geschieht durch 3-, 4- oder 5-Achs-Fräsbearbeitung, teilweise kombiniert mit Dreh- und Schwenktischen und Schwenkfräsköpfen. Die geforderten Toleranzen der Bauteile variieren je nach Anwendung und Größe, aber wenige Mikrometer sind keine Seltenheit. Und nicht jedeMaschine erreicht diese Genauigkeit. Es gehört also einige Planungsarbeit dazu, die richtigen Maschinen auszuwählen, um den gewünschten Arbeitsschritt auszuführen. Nur dann stimmt auch das Ergebnis.

Um die erreichbare Genauigkeit ihrer Fräsmaschinen zu ermitteln, setzt das Wartungsteam auf moderne Technik, nämlich den ETALON LASERTRACER-NG von Hexagon. Mit diesem lasergestützten Messsystem können sie den Zustand einer Maschine innerhalb einer halben Stunde umfassend beurteilen, wobei alle einzelnen Linearachsen der Fräsmaschine nach den erforderlichen Standards vermessen und analysiert werden.

Um 08:30 Uhr erreicht der Notruf aus dem Werkzeugbau die Instandhaltung. Das zu fräsende Teil ist Bestandteil eines neuen Werkzeugs, das ein bereits an der Verschleißgrenze befindliches Werkzeug ersetzen soll. Doch nun müssen zunächst die Auswirkungen der Kollision untersucht werden. Äußerlich scheint die Fräsmaschine unverändert zu sein, doch es ist ungewiss, ob sie die hohen Genauigkeitsanforderungen noch erfüllt.

Jetzt sind Jens Melahn und Heiko Tomala, Instandhalter im Werk, und sein Team am Zug. Schnell wird der LASERTRACER-NG auf dem Maschinentisch installiert, und nach nur 30 Minuten hat Melahn die Antwort: Alles ist in Ordnung, die Maschinengeometrie hat nicht gelitten. Die Arbeit kann weitergehen. Um 09:00 Uhr spannen die Maschinenführer den neuen Rohling ein und korrigieren die Vorschubgeschwindigkeit, um einen weiteren Crash zu vermeiden. Diesmal geht alles gut und das neue Werkzeug wird rechtzeitig fertig.

Jeder, der mit Werkzeugmaschinen plant und fertigt, kennt solche Vorfälle. Fragen zum Zustand oder dem Potenzial von Bearbeitungszentren gehören zur täglichen Arbeit. Und da die Toleranzen der Werkstücke immer enger werden, reicht es oft nicht mehr aus, eine schnelle Kontrolle mit Messuhr und Lineal durchzuführen.

Darüber hinaus gehört es zum Umfang der Wartungsarbeiten, eventuell vorhandene Abweichungen und Fehler an der Werkzeugmaschine zu korrigieren. In der Vergangenheit wurden dazu Geradheitsnormale, Messuhren und Linearlaser eingesetzt. Die Abweichungen aller Achsen wurden einzeln gemessen und dann mit großem Aufwand mechanisch und elektronisch korrigiert. Bei größeren Maschinen mit Achsen von mehreren Metern Länge konnte dies leicht mehrere Tage in Anspruch nehmen. „Eine Kompensationsmessung an unseren größten Maschinen hat früher bis zu zwei Wochen gedauert“, erklärt Melahn. „Das war einfach nicht schnell zu erledigen. Und in dieser Zeit war eine Bearbeitung nicht möglich, was Stillstand bedeutete.“

Darüber hinaus ist die erreichte Qualität der Werkstücke von größter Bedeutung. „Früher hatten wir immer das Problem, dass ein Werkstück Konturen, Grate und Risse hatte, die wir mühsam nachbearbeiten mussten“, sagt Melahn. „Zum Glück sind wir vor einigen Jahren auf den LASERTRACER-NG gestoßen.“

Genaue Kontrolle und Kompensation über den gesamten Arbeitsbereich einer Werkzeugmaschine

Nach anfänglicher Skepsis gegenüber dem neuartigen Verfahren wurden die Vorteile schnell deutlich. Das System überzeugte in den beiden wesentlichen Aufgaben, die das Instandhaltungsteam zu erfüllen hat: die genaue Überprüfung von Werkzeugmaschinen sowie deren Kompensation und Verbesserung. „Von Anfang an konnten wir die Leistung der Maschinen in eine Dimension heben, die sie vorher nicht erreichen konnten“, sagt Melahn.

Mit dem LASERTRACER-NG entfällt die Notwendigkeit einer manuellen Ausrichtung. Anwenderfehler, die bisher durch eine unzureichende Ausrichtung mit klassischen Messwerkzeugen verursacht wurden, können mit dem System, das sich bei Überprüfungsmessungen automatisch normgerecht an den Achsen ausrichtet, nicht auftreten.

Kompensationsmessungen und tiefer gehende Achsanalysen erfordern keinerlei Systemausrichtung mehr. Ein Techniker muss lediglich den Laserkopf in einer Maschinenecke aufstellen und einen Reflektor in die Spindel spannen. Nun fährt die Maschine einen vorgegebenen Pfad im gesamten Maschinenvolumen ab. Der Laser folgt dem Reflektor und misst permanent den Abstand zwischen dem LASERTRACER-NG und dem Reflektor in der Spindel mit einer Genauigkeit von weniger als einem Mikrometer. Nach etwa 20 Minuten ist die Messung beendet, und der Laser kann in der nächsten Ecke der Maschine platziert werden. Der Vorgang wird so lange wiederholt, bis der gleiche Bewegungsweg der Spindel von allen Maschinenecken aus mit hoher Präzision gemessen wurde.

Aus der Differenz zwischen der angefahrenen Sollkoordinate und den gemessenen Werten lassen sich alle Fehlerparameter der Linearachsen ableiten. Die Ergebnisse lassen sich leicht interpretieren und gegebenenfalls mechanischen Ursachen zuordnen. Ist die Wiederholgenauigkeit der Achsen hoch genug, kann am Ende eine Kompensationsdatei zur Korrektur der Maschinensteuerung geschrieben werden, was zu genaueren Bewegungspfade der Spindel und besser gefrästen Teilen führt.

Die Toleranzen von Werkzeugmaschinen wandern im Laufe der Zeit aufgrund verschiedener Ursachen, wie Temperaturschwankungen und Verschleiß während des Betriebs.

„Unsere Aufgabe ist es, dafür zu sorgen, dass eine Maschine das ganze Jahr über mit hoher Präzision produziert“, sagt Melahn. Deshalb muss sein Team die Maschinen regelmäßig kompensieren, um sicherzustellen, dass sie sich immer im bestmöglichen Zustand befinden. Bei manchen Maschinen reicht eine sporadische Kontrolle, bei anderen müssen sie regelmäßig kompensieren.

„Durch die Kompensation lassen sich die Maschinenabweichungen oft um bis zu 90 % reduzieren“, sagt er. „Je nach Maschinenklasse reduzieren wir den Fehler bei unseren großen Maschinen von einigen Zehntelmillimetern auf einige Hundertstel. Mit unseren hochpräzisen Fräszentren können wir von 80 μm auf 5 μm verbessern.“

Für den Instandhalter ist es außerdem wichtig, die Maschine vollständig zu vermessen und im gesamten Arbeitsvolumen zu kompensieren. „Mit herkömmlichen Messgeräten konnten wir die Abweichungen der Maschine nur auf einer Messlinie erfassen“, sagt Melahn.

Dank des Messprinzips des LASERTRACER-NG sehen sie die gesamte Maschine – das gesamte Volumen einer Maschine wird erfasst, und die Kompensation kann auf die gesamte Maschine angewendet werden. „Das ist ein enormer Vorteil, denn so haben wir nicht nur an einem Punkt in der Maschine höchste Genauigkeit, sondern über das gesamte Maschinenvolumen. Dieses System gibt unseren Bedienern die Freiheit, den gesamten Arbeitsbereich zu nutzen.“

Und es ist schnell. „Wir setzen das schnellste verfügbare Messsystem für die Maschinenkompensation ein und tragen so dazu bei, die Prozesse in der Fabrik am Laufen zu halten“, sagt Melahn. „Wenn wir heute das gesamte Volumen einer Maschine messen und kompensieren, sind wir nach etwa zwei Tagen mit dem kompletten Service inklusive aller notwendigen Einstellungen fertig. Früher brauchten wir mindestens eine Woche, und selbst dann hatten wir die Maschine nur in einer Achse vermessen.“

Meister Kevin Piotrowski fasst zusammen: „Der Einsatz des LASERTRACER-NG bringt uns mehrere große Vorteile: Erstens sind wir schneller fertig und hinterlassen bessere Maschinen mit höherer Maschinenverfügbarkeit. Zweitens können wir die Maschinen besser verstehen und uns präventiv auf die notwendige Wartung vorbereiten. Und drittens ersparen wir uns die Koordination und die Kosten eines externen Dienstleisters. In Anbetracht der Anzahl unserer Maschinen ist dies eine hervorragende Investition, die uns einen enormen Nutzen gebracht hat. Wir sind von der Technologie überzeugt!“

„Außerdem ist der Service erstklassig“, ergänzt Melahn. „Wir haben immer das Gefühl, dass alle Mitarbeiter von Hexagon bestrebt sind, uns so schnell wie möglich zu helfen. Und das ist etwas, was man heutzutage nicht mehr oft hört.“