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Von der Konstruktion direkt zur Fertigung

Speck Pumpen, ein mittelständischer Hersteller von Flüssigkeits- und Vakuumpumpen, optimierte seine Prozesskette von der Konstruktion bis zur Fertigung. Ziel war es, während des Konstruktionsprozesses, eine parallele und zeitnahe Fertigung von Prototypen zu realisieren. Die gewonnenen Ergebnisse bei der Probefertigung und des Funktionstests des Prototypen sollten umgehend wieder in den Konstruktionsprozess mit einfließen. In Zusammenarbeit mit unicam und Siemens wurde die neue Prozesskette erfolgreich implementiert.

Prozessoptimierung bei Speck Pumpen

Die Berechnung und Simulation des Strömungsverhaltens von Flüssigkeiten und Gasgemischen, wie sie bei der Pumpenkonstruktion notwendig sind, ist seit jeher ein aufwendiger und fehlerbehafteter Prozess. Selbst bei einfachen Systemen sind Aussagen über das Praxisverhalten aufgrund der theoretischen Modelle nur schwer zu treffen und benötigen langjährige Erfahrung und Fachwissen. Genau diese Schlüsselkompetenzen, gepaart mit einem sehr hohen Innovationsvermögen, ermöglichen es Speck Pumpen seit Jahrzehnten eine führende Position im Flüssigkeits- und Vakuumpumpen Markt einzunehmen.

Der Hersteller beschreitet bei jeder Neukonstruktion die parallelen Wege von Theorie und Praxis. Mittels komplexer Simulationssoftware werden die ersten Ideen für eine neue Pumpe zuerst theoretisch überprüft und als Ergebnis entsteht ein erster Konstruktionsentwurf im CAD-System. Nach diesen Vorgaben wird im Musterbau ein Prototyp gefertigt, um erste Funktionstests durchzuführen.

Basierend auf diesen Gegebenheiten, wollte Speck Pumpen eine Prozesskette installieren, um den Entwicklungsablauf zu optimieren. Im bis dahin bestehenden Prozess lag das Problem an dem Einsatz von unterschiedlichen CAD-Systemen im Musterbau bzw. der Fertigung und der Konstruktion. Der Datenaustausch zwischen den Systemen und das gemeinsame Arbeiten auf Basis identischer Konstruktionsdaten wurden dadurch erschwert.

Ziel war es daher, mit der neuen Lösung direkt aus den gemeinsam genutzten CAD-Daten des Konstruktionsentwurfes die NC-Programme zu erstellen. Dazu musste im bestehenden Prozess ein gemeinsames CAD-System eingeführt und an das vorhandene CAM-System Mastercam angebunden werden. Ein angepasster SINUMERIK Postprozessor sollte aus den CAM-Daten die NC-Programme generieren, um erste Funktionsmuster zu fertigen.

Neben der Funktionsprüfung war es ein weiteres Anliegen, die Geometrie der Pumpenteile, ohne Einschränkungen der Funktion, für den Fertigungsprozess anzupassen. Die Gussrohlinge für die Pumpen werden in der Regel außer Haus vorgefertigt, bedürfen aber einer Reihe von mechanischen Nachbearbeitungen am Gehäuse und Flügelrad, bis letztendlich die fertige Pumpe entsteht. Diese nachgelagerten Arbeitsschritte galt es schon bei der Konstruktion zu optimieren. Schon während der ersten Entwicklungsschritte wird daher die Fertigungsvorbereitung mit ins Boot geholt, um die spätere reibungslose Fertigung unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu betrachten.

SolidWorks und Mastercam

Bei der Wahl des 3D-CAD-Systems entschied sich Speck Pumpen für SolidWorks. "Besonders gut gefallen hat uns an SolidWorks die parametrische Arbeitsweise. Da wir viel mit Gussteilen konstruieren, wird dies zuerst als Rohteil erstellt und das Fertigteil als Feature inkludiert.", erläutert der Konstrukteur Herr Wohlleben die Entscheidung. "Ein weiterer Grund war auch, dass in der Fertigungsplanung schon positive Erfahrungen mit SolidWorks vorlagen und sich damit die Einarbeitungszeit reduziert", ergänzt Fertigungsleiter Dieter Meier.

Das CAD-System wurde von Unicam in der Konstruktion und der Fertigung installiert und miteinander vernetzt. Als Workflow- und Archivierungssystem kam ein Basis ERP-System (Enterprise-Resource-Planing) von Abas zum Einsatz. Dies regelt unter anderem die Versions- und Rechteverwaltung im Prozess. Unicam stimmte die gesamte Prozesskette auf die gewünschten Anforderungen von Speck Pumpen ab und ermöglichte die reibungslose Zusammenarbeit von Konstruktion und Fertigung.

Mittels Mastercam werden aus den 3D-Konstruktionsdaten von SolidWorks die SINUMERIK spezifischen NC-Programme erstellt. Für den ersten Einsatz der optimierten Prozesskette wurde der Postprozessor von unicam speziell auf die 5-Achs-Fräsmaschine DMU 65 monoBLOCK, ausgestattet mit SINUMERIK 840D sl und der Bedienoberfläche SINUMERIK Operate, ausgelegt. Das erfahrene Mastercam Team in der Fertigungsvorbereitung von Speck Pumpen konnte innerhalb kurzer Zeit die Vorgaben aus der Konstruktion in NC-Programme umsetzen und die ersten Prototypen fertigen.

SINUMERIK in der Serienfertigung

Die laufende Optimierung von Prozessen ist bei Speck Pumpen ein großes Thema und wurde schon bei zahlreichen Projekten in der Serienfertigung durchlebt. Bei der Maschinenausstattung wird überwiegend auf CNC-Maschinen mit SINUMERIK Steuerungen gesetzt. Die SINUMERIK Steuerung hat sich wegen der breit gefächerten Programmiermöglichkeiten und der Offenheit für die automatisierte Serienfertigung langfristig bewährt. Der Maschinenpark beinhaltet einfachere CNC-Maschinen zum Bürsten, Schleifen und Entgraten der Gussteile, wie auch komplexe 5-Achs-Fräsmaschinen und mehrkanalige Dreh-Fräsmaschinen mit SINUMERIK 840D sl und SINUMERIK Operate.

In der Fertigung werden alle Möglichkeiten der Maschinen und der Steuerungen für einen hocheffektiven Betrieb genutzt. Vollautomatisierte, mannlose Fertigungsabläufe sind durch automatische Bestückung und Weitertransport zwischen den Bearbeitungseinheiten, wie z. B. zwischen Fräs- und Vertikaldrehmaschinen, gewährleistet. Automatisierte Mess- und Prüfvorgänge sorgen für die Einhaltung des hohen Qualitätsstandards.

Die Programme für die Serienfertigung werden in der Arbeitsvorbereitung mit Mastercam oder CNC-Editoren erstellt. Nur in Einzelfällen erfolgt die Programmierung direkt an der Maschine. Aufgrund der langjährigen Erfahrung mit Mastercam, war dies auch das gesetzte CAM-System für die neue Prozesskette.

Umfangreicher Befehlsumfang der SINUMERIK

Ein Grund für den Einsatz von SINUMERIK in der Serienfertigung von Speck Pumpen, ist der große Befehlsumfang. Beispielsweise konnte durch den Einsatz von R-Parametern die Variantenfertigung von langen Wellen optimiert werden. Das Drehen der Wellen erfolgt in der Haupt- und Gegenspindel in fliegender Aufspannung. Die Varianten der unterschiedlichen Wellentypen werden dabei im Haupt- und den Unterprogrammen über frei definierbare R-Parameter programmiert, bzw. abhängig vom Typ automatisch andere Unterprogramme aufgerufen. Bei der Fertigung werden die R-Parameter mit den für diesen Wellentyp richtigen Werten vorbelegt und so ist es möglich, Varianten eines Wellentyps mit einem Satz von NC-Programmen zu erstellen. Der Fertigungsablauf ist dadurch flexibel auf Änderungen eines Wellentyps anpassbar.

Während der Abarbeitung der NC-Programme wird zusätzlich der aktuelle Bearbeitungszustand in R-Parametern netzaussicher gespeichert. Bei einem Stopp, z. B. auch durch Netzausfall an der Maschine, kann das NC-Programm und damit die Bearbeitung wieder sehr einfach an der Unterbrechungsstelle fortgesetzt werden. Beim Neustart des NC-Programms werden die hinterlegten Werte der R-Parameter erfasst und das jeweilige Unterprogramm an der Unterbrechungsstelle fortgesetzt. Schäden an Werkstück oder Maschine sind daher weitestgehend ausgeschlossen
Während der Abarbeitung der NC-Programme wird zusätzlich der aktuelle Bearbeitungszustand in R-Parametern netzaussicher gespeichert. Bei einem Stopp, z. B. auch durch Netzausfall an der Maschine, kann das NC-Programm und damit die Bearbeitung wieder sehr einfach an der Unterbrechungsstelle fortgesetzt werden.

Offen für Sonderlösung

Neben dem großen Befehlsumfang sind die vielfältigen Programmierwege ein weiterer Grund für den Einsatz der SINUMERIK Steuerung. Eine typische Aufgabe in der Fertigung bei Speck Pumpen ist das Ausspindeln (Ausdrehen) von außerhalb der Drehachse sitzenden Bohrungen. Die Bohrwandungen sind Funktionsflächen und haben hohe Ansprüche bezüglich Oberflächengüte, Form- und Lagetoleranz. Zum Einsatz kommen hier Fräsmaschinen mit Rundtisch. Um die hohen Schnittgeschwindigkeiten für diese Oberflächenqualität zu erreichen, ist es notwendig, sowohl den Rundtisch, wie auch das Ausspindelwerkzeug mit maximal möglichen Drehzahlen zu fahren. Aufgrund der gegenläufigen Bewegung von Rundtisch und Ausspindelwerkzeug addieren sich die beiden Geschwindigkeiten und es können hier hohe relative Schnittgeschwindigkeiten an der Werkzeugspitze erreicht werden.

Da sich die Bohrungen außerhalb der Drehachse des Tisches befinden, muss das Ausspindelwerkzeug während der Drehbewegung des Tisches Ausgleichsbewegungen der X- und Y-Achsen ausführen, um im Mittelpunkt der Bohrung zu bleiben. Für diese Anwendung wurde extra eine Sonderlösung entwickelt. Mittels automatisch generierter Korrekturtabellen werden den Rundachspositionen des Frästisches die Korrekturwerte in X und Y zugeordnet, um während der Abarbeitung des Programms die Ausgleichsbewegungen auszuführen. Eine spezielle Programmierlösung, die sich im Einsatz bewährt hat.

Erfolgreiche Neuentwicklung auf Basis der eingeführten Prozesskette

Während der Neuentwicklung der Flüssigkeits-Vakuumpumpe BluVac bewies die neu eingeführte Prozesskette ihre Leistungsfähigkeit. Diese Pumpenart wird bei der Herstellung von Kunststoffprofilen mittels Extrusionstechnik eingesetzt. Bei diesem Herstellungsverfahren wird zähflüssiger Kunststoff durch eine formgebende Öffnung gepresst und erhält so das geforderte Profil. Auf einem sogenannten Kalibriertisch wird das Profil während der Abkühlphase in Form gehalten. Dazu wird das extrudierte Kunststoffprofil durch eine Kalibrierhülse geschoben, in der ein Vakuum das Profil an die Innenwände saugt. Zur schnelleren Abkühlung umspült Wasser das Profil. Die Pumpe hält während des Abkühlvorgangs das Vakuum auf dem vorgegebenen Unterdruck.

Ziel der Neuentwicklung war es, das Pumpensystem strömungs- und funktionstechnisch so zu optimieren, dass im Zusammenspiel mit intelligenter Regelung ein hoher Wirkungsgrad bei geringem Wartungsaufwand erreicht wird.

Mit Hilfe der von unicam und Siemens installierten Prozesskette, konnte das gesetzte Ziel voll erreicht werden. Im Betrieb erreicht die neue Flüssigkeits-Vakuumpumpe eine Energieeinsparung von bis zu 67% im Vergleich zu bestehenden Systemen. Für Speck Pumpen hat sich daher die Investition in die neue Prozesskette ausgezahlt. Während der Konstruktionsphase können nun sehr schnell Prototypen gefertigt und getestet werden. Die Ergebnisse können in die Konstruktion einfließen. Die neue Pumpengeneration BluVac konnte dadurch so weiterentwickelt werden, das diese den entscheidenden Wettbewerbsvorteil gegenüber den Mitbewerbern sichert.