Das 5-Achs-Bearbeitungszentrum Kern Micro HD.

Die Kern Micro HD im Einsatz bei Cemec Intelligente Mechanik. Auf geringer Stell­fläche vereint das 5-Achs-Bearbeitungszentrum höchste Präzision und Effizienz. (Bild: Kern Microtechnik/Cemec)

Die Firma Cemec Intelligente Mechanik überzeugt mit ihrer High-End-Entwicklung und -Produktion auch anspruchsvollste Kunden, etwa aus der Luft- und Raumfahrt. Durch den Einsatz des 5-Achs-Bearbeitungszentrum Kern Micro HD hat das Unternehmen die Grenzen des Machbaren deutlich erweitert. Nun fräst es auch schwierigste Materialien mit reproduzierbarer Präzision im Sub-Mikrometerbereich.

Wenn Martin Schwab in den Himmel schaut, dann weiß er, dass dort, bis in den tiefen Weltraum hinein, Bauteile umherfliegen, die sein Unternehmen, die Cemec Intelligente Mechanik, hergestellt hat. Denn die Luft- und Raumfahrtindustrie ist eine der Hauptbranchen, für die der 58-jährige Firmengründer und Geschäftsführer sowie seine sieben Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter High-End-Produkte entwickeln und mit maximaler Präzision fertigen.

Um für seine Kunden optimale Lösungen zu finden und Produkte zu ermöglichen, die zuvor als nicht herstellbar galten, benötigt der Feinwerktechnik-Ingenieur High-End-Maschinen. So beschaffte er 2019 das 5-Achs-Bearbeitungszentrum Micro HD, das neue Top-Modell der Kern-Micro-Reihe des Maschinenbauers Kern Microtechnik. Damit gelang Cemec der Sprung auf ein neues Level der Präzision und Reproduzierbarkeit – auch im Bereich größerer Volumina. Das Unternehmen in Spalt bei Nürnberg fertigt bislang meist Kleinserien. Oft müssen Toleranzen von wenigen Mikrometern bis einigen hundert Nanometern reproduzierbar eingehalten werden.

Anspruchsvolles Projekt: Cemec baut Optik für Weltraumteleskop

Heute entwickelt und produziert Cemec Produkte für verschiedene Branchen, etwa Lösungen für Antriebstechnik, optische oder elektronische Baugruppen. Um eine optische Baugruppe handelt es sich auch beim jüngsten Vorzeigeprojekt, das bald im Weltraum fliegen wird und das Schwab ohne die Kern Micro HD nicht hätte realisieren können, wie er betont.

Das eigentlich unscheinbare, etwa 66 Millimeter lange ‚Teleskop‘ mit 20 Millimeter Durchmesser hat es in sich. Es muss mit zwei Linsen in der Kommunikationseinheit eines Satelliten helfen, einen Laserstrahl mit fünf Millimeter Durchmesser so zu bündeln, dass er in 100.000 Kilometer Entfernung auf maximal zehn Millimeter aufgeweitet ankommt – und das in einem Temperaturfenster von –40 bis +60 Grad Celsius.

Zudem muss diese Optik, die zu einem größeren System gehört, die enormen Belastungen beim Raketenstart überstehen und darf dabei nichts an Präzision einbüßen.

Bis zu 210 Plätze im Werkzeugwechsler.
Gut bestückt: Für ihre komplexen Bearbeitungen nutzt Cemec die bis zu 210 Plätze im Werkzeugwechsler der Kern Micro HD oft komplett aus. (Bild: Kern Microtechnik/Cemec)

Schwieriges Material nur mit Kern Micro HD bearbeitbar

Schon die Alu-Legierung, die Cemec zusammen mit dem Auftraggeber Tesat-Spacecom wegen ihrer Homogenität und besonderen Wärmeleitfähigkeit auswählte, ist eine Herausforderung. Sie besteht zu 40 Prozent aus Silizium, ist also extrem spröde und schwer zerspanbar. „So ein schwieriges Material habe ich schon lange nicht mehr bearbeitet“, sagt Schwab und ergänzt mit deutlichem Stolz: „Mit der Kern Micro HD können wir trotzdem mit Mikrometer-Genauigkeit feinste Gewinde hineinfräsen.“ Die Parallelität der beiden Linsensitze muss besser als zwei Mikrometer sein, und weil dazwischen noch ein Ring zur Kompensation thermischer Ausdehnung verbaut wird, müssen die Einzelteile bis auf weniger als ein Mikrometer genau gearbeitet sein.

„Früher hätte ich eine solche Anfrage ablehnen müssen, und ich glaube, es hätte auch kein anderer realisieren können. Jetzt haben wir hier eine Neuentwicklung, die mit der hochpräzisen Fräsmaschine in Kombination mit unserem Wissen möglich geworden ist“, betont Schwab und belegt das konkret: „Mit der Kern Micro HD realisieren wir Ebenheiten von weniger als 800 Nanometer und können mikrometerweise nacharbeiten, wenn es nötig ist.“

Blick in den Arbeitsraum.
Blick in den Arbeitsraum. Mit der Anlage von Kern erzielt Martin Schwab Ebenheiten von weniger als 800 Nanometer und kann Werkstücke mikrometerweise nacharbeiten. (Bild: Kern Microtechnik/Cemec)

Spezielle Technologien in der Maschine ermöglichen hohe Präzision

Eigentlich wäre das Teleskop ein klassisches Drehteil. Doch auf der Drehmaschine wurde die erforderliche Präzision nicht erreicht. Daher fertigt Cemec es komplett in einer Aufspannung auf der Kern Micro HD. Die Bearbeitung dauert auf der einen Seite 40 Minuten, auf der gegenüberliegenden etwa zwei Stunden.

Um die hohe Präzision und Reproduzierbarkeit der Bearbeitung zu erreichen, haben die Maschinenentwickler bei Kern in die Micro HD einige Innovationen integriert. Vor allem die Mikrospalt-Hydrostatik, lineare Direktantriebe und das neue Temperaturmanagement bringen den Anwendern erhebliche Vorteile.

Dabei sind alle drei Technologien eng verzahnt, sodass ein schlüssiges Gesamtsystem entsteht. Bei der Mikrospalt-Hydrostatik handelt es sich um eine zum Patent angemeldete Weiterentwicklung der hydrostatischen Antriebe, mit denen Kern schon lange die Pyramid Nano ausstattet.

Hydrostatik der Maschine ist "besonderes Etwas"

Der grundsätzliche Vorteil besteht darin, dass die hydrostatischen Führungen und Antriebe keinem mechanischen Verschleiß unterliegen. Zudem erlaubt die Hydrostatik hohe Beschleunigungen bei gleichzeitig hervorragender Vibrationsdämpfung sowie eine deutlich schonendere und absolut ruckfreie Bewegung der Werkzeuge, was deren Standzeiten erhöht.

Die Mikrospalt-Hydrostatik in der Kern Micro HD ist aber ein Novum im Maschinenbau. Durch das integrale Design in Kombination mit Linearmotoren ist sie robuster und benötigt etwa 80 Prozent weniger Energie als herkömmliche hydrostatische Systeme. Gleichzeitig verbessern sich durch den kleinen Spalt Steifigkeit und Dämpfungseigenschaften der Maschine, was für höchste Oberflächengüte und Genauigkeit am Werkstück sorgt. Erreicht werden etwa bei Bedarf Ra-Werte von 0,05 Mikrometer in Serie ohne Poliervorgang.

Auch weitere Maschinen-Eigenschaften überzeugen die Anwendenden

Großdimensionierte und aktiv temperierte Linearmotore sind ein weiteres Highlight. Sie bringen gegenüber Kugelgewindeantrieben deutliche Vorteile in Dynamik und Regelgenauigkeit. Damit die Integration gelingen konnte, war es unter anderem entscheidend, die hohe Wärmeentwicklung der Linearmotor-Technologie in den Griff zu bekommen.

Die Kühlflüssigkeiten werden sehr genau geregelt und mit einem Volumenstrom von bis zu 200 l/min durch Maschinenständer, Dreh-/Schwenkachsen, Linearachsen und Spindel geschickt. Das Ergebnis dieser Neuerung zeigt sich bei einem thermischen Stresstest. Barbara Bergmann, Gebietsverkaufsleiterin bei Kern, erläutert: „Die Regelgenauigkeit des zentralen Temperaturmanagements beträgt lediglich ±0,05 Kelvin und bildet die perfekte Basis für höchstpräzise Bearbeitung.“

Dies und die Mikrospalt-Hydrostatik waren für Cemec wesentliche Gründe bei der Entscheidung für die Kern Micro HD. Die Fertigung des Teleskops für die Satellitenkommunikation beispielsweise wäre auf einer thermisch nicht absolut stabilen Maschine kaum möglich, betont Schwab.

Bislang fertigt Cemec meist Prototypen und Kleinserien von fünf bis 2.000 Stück. Mit der neuen Maschine hat Schwab sich dafür gerüstet, auch größere Volumen in der gleichen Präzision herzustellen. „Mein Plan ist, noch wenigstens zwei oder drei weitere Kern-Maschinen einzusetzen“, beschreibt er die Perspektive.

Quelle: Kern Microtechnik GmbH

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