Waarom is de interesse voor draai-freescombinaties met B-as zo groot?
Multitasking na bijna vier decennia populairder dan ooit
Multitaskingmachines zijn inmiddels niet langer de supergeavanceerde verspanende machines voor specialisten en grote bedrijven. De afgelopen jaren hebben machinebouwers het aanbod sterk verbreed door modellen te introduceren die financieel voor een grotere groep bedrijven haalbaar zijn. De vraag is namelijk groot, doordat multitaskingmachines bijdragen aan onbemande productie, doorlooptijden verkorten en deels een oplossing zijn voor het tekort aan vakmensen. Ontwikkelaars van CAM-software en AI-tools helpen gebruikers van de meer complexe machines de volgende stap te zetten.
Meer dan een frees-draaicombinatie
Het concept multitasking heeft het afgelopen decennium een vlucht genomen. Marketeers gebruiken deze term overigens nogal eens onterecht als ze spreken over frees-draaicombinaties. Een echte multitasking-CNC-machine in de klassieke betekenis is een CNC-draaicentrum met volwaardige 5-assige freescapaciteit (B-as).
Dit betekent dat de machine minstens over een hoofd- (en sub)spil beschikt met een B-as, eventueel aangevuld met één of twee onderturrets. Dat is het concept dat de Japanse machinebouwer Mazak begin jaren negentig voor het eerste introduceerde, als oplossing om de handling in de CNC-verspaning terug te dringen doordat men werkstukken compleet kon bewerken op één machine. De echte productietijd van een werkstuk wordt immers niet bepaald door de tijd dat de machine spanen maakt, maar door de totale doorlooptijd, inclusief opspannen, wisselen van gereedschappen en eventueel verplaatsingen naar andere CNC-machines voor vervolgbewerkingen. Bovendien begon zich toen al de trend naar kleinere series af te tekenen.
Eenvoudigere versies
Ere wie ere toekomt: de Japanners hebben het concept multitasking uitgevonden, in een tijd waarin de besturing nog lang niet zo geavanceerd was als nu, de B-as vrij eenvoudig was en er van kunstmatige intelligentie in CNC-machines nog helemaal geen sprake was.
In de loop van de jaren zijn de meeste fabrikanten op de multitaskingtrein gesprongen. De technische evolutie gaat twee kanten op: zowel richting geavanceerdere machines, met hoofd- en subspil, met twee turrets of zelfs met dubbele B-as; alsook richting eenvoudigere machines. In deze laatste versie wordt de onderturret weggelaten; deze machines hebben enkel een hoofd- en subspil met een B-as. De nadruk ligt dan op het bewerken met de B-as; draaibewerkingen worden gedaan door het gereedschap in de freesspindel te fixeren. Daarmee komen de multitasking-CNC-machines zowel technisch als vooral financieel binnen handbereik van een grotere doelgroep.
Machinebouwers zien deze machine niet enkel als een alternatief voor bewerkingen die nu op meerdere machines worden gedaan, maar net name als een alternatief voor een 5-vlaksbewerkingscentrum (4+1). Gecombineerd met een stangenlader kan men zo een productiecel voor onbemande productie maken zonder robot. Dankzij de overnamespil kan men uit rond materiaal heel goed prismatische werkstukken compleet verspanen, inclusief de zesde kant. Stafmateriaal is doorgaans goedkoper dan gezaagd materiaal. Daar bovenop komt dat de spanningen in stafmateriaal fors lager zijn dan in gezaagd materiaal doordat het volledig plastisch wordt vervormd en dan vaak nog wordt gestrekt. Bij aluminium (6082, 6060 en 7075) zijn restspanningen in stafmateriaal typisch kleiner dan 30 MPa en gelijkmatig verdeeld; bij gezaagd aluminium kunnen restspanningen oplopen tot 80 à 150 MPa. Dit levert voordelen op als men gaat bewerken, zoals minder vervormingen, een betere maatvastheid en een hogere proceszekerheid.
De beperkingen van stafmateriaal zijn wel dat de werkstukafmetingen begrensd worden door de doorlaat en dat men geen componenten kan verspanen die absoluut geen kras of andere beschadiging mogen hebben, omdat er geen robot is die de stukken uitneemt. Een andere beperking is dat deze vereenvoudigde instapmodellen een 4+1-machine zijn; om kosten te besparen, hebben fabrikanten de mogelijkheid van 5-assig simultaan frezen weggelaten, zowel hard- als softwarematig. Voor een groot deel van het werk is dat niet per se een probleem.
Waarom is multitasking gewild?
De geavanceerde multitaskingmachines vergen een forse investering; ze zijn doorgaans veel duurder in aanschaf dan een klassieke CNC-draaibank met aangedreven gereedschappen. Toch hebben verspaners de meerkosten er graag voor over omdat dit type machine veel efficiënter is in de high-mix-low-volumeomgeving die de maakindustrie in de Benelux typeert.
Dit komt niet alleen doordat men de werkstukken compleet kan bewerken. De B-as, de freeskop, gebruikt een gewoon kettingmagazijn uit de freesmachine, dat meer posities kent dan het aantal in een revolver. De gereedschapswissel tijdens de bewerking duurt weliswaar langer dan in een draaibank met revolvers, het omstellen op een ander product dat wellicht andere gereedschappen verlangt, gaat veel sneller. Met een groot magazijn is deze omsteltijd quasi nul. Het vermogen en koppel van de B-as zijn tegenwoordig groter dan dat van aangedreven gereedschappen. De freesspillen zijn volwaardige freesspillen, met toerentallen tussen de 12.000 en 20.000 tpm. En dankzij de compacte constructie kennen ze een zeer hoge stijfheid. Hiermee leggen de fabrikanten een basis om met zo’n meerassige CNC-machine heel nauwkeurig te werken.
Met een multitaskingmachine haalt men praktisch de volledige capaciteiten van CNC-draai- en freesmachines in huis, maar dan gecombineerd in één machine. Dit betekent minder opspannen, hogere nauwkeurigheden, minder vloeroppervlak nodig en uiteindelijk een hogere machinebezetting.
Vooruitgang thermische compensatie
Minder hoeven omspannen op een tweede machine betekent dat de nauwkeurigheid verbetert of in ieder geval makkelijk te halen valt. Ook de overstap van VDI- of BMT-houders in turrets naar gereedschapshouders zoals de Captop of HSK-T serie draagt bij aan een hogere kwaliteit. Toch vraagt de typische opbouw van deze machines speciale aandacht voor de thermische stabiliteit.
Als gevolg van de constructie en de positie van de verschillende bewerkingsassen is de thermische groei van een multitaskingmachine niet in alle richtingen gelijk. Daarom is er méér nodig om de invloed van warmteontwikkeling in de machine tegen te gaan en te compenseren. Tegenwoordig gebruiken machinefabrikanten AI-gestuurde thermische modellen om de thermische drift van de verschillende componenten te voorspellen en hiervoor te compenseren. Hierdoor blijft de machine thermisch over een langere periode stabiel. De informatie die het model nodig heeft, komt van de verschillende sensoren in zowel het machineframe als de B-as, de positie van het gereedschap, koeling aan of uit en andere factoren. Dit alles wordt gecombineerd met het actuele toerental van de spindel.
Deze AI-modellen worden gevoed met de resultaten van in-machinemetingen na de bewerking om zo de nauwkeurigheid van de modellen continu te verbeteren. Eigenlijk geeft dit al aan dat de innovaties in multitaskingmachines vooral in de besturing zitten en in de compensatie, minder in de hardware zelf.
Programmeren specialistenwerk
Nog niet zo heel lang geleden was het programmeren van zo’n machine werk voor ervaren programmeurs. De overstap van traditioneel draaien/frezen naar multitasking is een cultuuromslag in de werkvoorbereiding. Recente ontwikkelingen in de CAM-software zorgen voor een heel nieuwe benadering, die niet alleen het programmeren vereenvoudigt maar ook de complexe meerassige bewerkingen in de machine optimaliseert.
Waar deze software voorheen vooral de vertaalslag maakte van de geometrie van het werkstuk naar de gereedschapsbanen, neemt de moderne CAM-software die voor multitaskingmachines is ontwikkeld veel meer de rol van proces engineer op zich. Deze ontwikkeling is een reactie op de doorbraak van de meerkanaalsbesturingen in CNC-machines.
Er zijn drie belangrijke aspecten. Allereerst herkent de nieuwste CAM-software voor multitasking de bewerkingen op de verschillende assen en zal deze zodanig synchroniseren dat de belasting van de assen gelijkmatig is en dat het hele proces zo optimaal als mogelijk verloopt. De oriëntatie van de CAM-software verschuift nadrukkelijk naar het proces. Wat hier een belangrijke rol bij speelt, de tweede verbetering, is de nieuwe tijdgebaseerde simulatie op basis van de G-code. Dit geeft een beeld dat praktisch overeenkomt met de feitelijke bewerking in de machine. Simulatie op basis van G-codes lever het meest nauwkeurige resultaat. Juist bij deze complexe bewerkingen op kostbare machines is het essentieel dat de programmeur of operator volledig kunnen vertrouwen op het NC-programma. Omdat een botsing in de compacte werkruimte van een multitaskingmachine catastrofale financiële gevolgen heeft, is G-code simulatie geen luxe, maar een noodzakelijke verzekeringspolis. Door de simulator volledig te integreren in de CAD/CAM-software kan men tijdens het programmeren al een simulatie doen inclusief botsingcontrole. Deze oplossing vraagt om extra investeringen boven op de aanschafprijs van de multitaskingmachine. Zo moet de postprocessor voor de digitale tweeling heel precies zijn. Nog niet alle CAM-programma’s zijn geschikt voor meerkanaalssynchronisatie. Nog niet alle CAM-programma’s assisteren de programmeur in zijn rol as proces engineer.
Nog kleinere series
Een van de redenen waarom bijna veertig jaar geleden de ontwikkeling van multitaskingmachines in Japan op gang kwam, was dat men destijds al zag dat seriegroottes in de verspaning kleiner werden. Die ontwikkeling gaat door tot op de dag van vandaag. Fabrikanten van automatiseringsoplossingen ontwikkelen daarom systemen om spantangen, vingers van klauwplaten of zelfs hele klauwplaten te wisselen. Zo past de multitaskingmachine heel goed in de geautomatiseerde productie van kleine series.
In de high-end multitaskingmachines mét B-as en onderturret (revolver) is er een interessante ontwikkeling. De beperking bij dit type machine lag tot nog toe in het aantal gereedschapsposities van de turret. Per definitie is dit aantal beperkt. In het verleden is al vaker geprobeerd om de robot deze gereedschappen te laten wisselen. Dat is nooit doorgebroken. Recent heeft een Duitse machinebouwer een nieuw concept voorgesteld om geautomatiseerd de gereedschappen in de turrets te wisselen. Hierbij kiest men voor een andere insteek om het eenvoudiger te maken. Men wisselt niet de hele gereedschapshouder maar enkel het snijgereedschap zelf. Daarvoor was het wel noodzakelijk dat men een nieuwe interface ontwikkelde.
Voorwaarde is dat het een VDI-houder betreft waarin een rechte of gebogen HSK-basishouder voor het snijgereedschap zit. Deze is voorzien van een schroef die de robot gebruikt om het span- en ontgrendelmechanisme te activeren. Het wisselen van één gereedschap kost weliswaar relatief veel tijd, maar men kan de tijd dat de machine autonoom kan werken verlengen door zustergereedschappen te wisselen.
Oplossing voor tekort aan vakmensen?
Is de multitaskingmachine een oplossing voor het gebrek aan CNC-frezers en -draaiers? Zeker. Tegelijkertijd moet men zich realiseren dat het programmeren van zo’n geavanceerde machine heel iets anders is dan een standaard CNC-frees- of -draaimachine. Er is een ander type operator of programmeur voor nodig, die veel meer op zoek gaat naar het potentieel in het totale proces dan naar de kortste cyclustijd van één bewerking of de hoogste nauwkeurigheid.
Met multitaskingmachines probeert men alle drie de aspecten optimaal te combineren, binnen de eisen die aan het werkstuk worden gesteld. Software biedt hierbij steeds meer en betere ondersteuning, maar vraagt ook weer voor extra investeringen in zowel de software zelf als in scholing van medewerkers. Dat loont als men het juiste werk voor dit type machine heeft en de juiste automatisering, want de geavanceerde multitaskingmachines zijn te duur om enkel in één shift te worden ingezet. De economische afweging voor deze investering gaat over uurtarief versus bezettingsgraad. De bezettingsgraad moet hoog zijn, maar juist de mogelijkheid om geautomatiseerd series van 5 of 10 stuks rendabel te produceren draagt bij aan de hogere bezettingsgraad.
Daarom blijft er een toekomst voor de gewone CNC-draaibank, maar bedrijven die de juiste complexiteit van werkstukken hebben met de juiste – kleine – series én het goede personeel, kunnen met dit bijna veertig jaar oude machineconcept nog steeds een grote stap maken, zowel qua kwaliteit als productiviteit.
