Im Allgemeinen sind thermische Effekte die Ursache für 40 Prozent des Gesamtfehlers einer Werkzeugmaschine

Ultrapräzise Fräsmaschinen noch präziser machen – so könnte man Tim Knoblochs Arbeit beschreiben. Thermische Effekte spielen in seinem Bereich eine immer größere Rolle. Deshalb hat er die Schulung‚Thermische Effekte in mechatronischen Systemen‚ besucht.

Die Kern Microtechnik GmbH baut seit mehr als sechzig Jahren ultrapräzise CNC-Maschinen im süddeutschen Bayern. Dies geschieht mit über 250 Mitarbeitern, die über die ganze Welt verteilt sind. Für den deutschen Spezialisten ist Präzision wichtiger denn je.

Kern liefert Präzisionsfertigung im oberen Marktsegment der Genauigkeit. Kunden sind Hersteller in der Uhrenindustrie, der Medizintechnik und dem Halbleitermaschinenbau.

Innerhalb der Kern Micro Plattform entwickeln wir verschiedene Maschinenversionen. „Wir verwenden hydrostatische Lager mit sehr geringer Reibung“, sagt Tim Knobloch, Feinmechaniker bei Kern Microtechnik. Wo man bei Standard-CNC-Maschinen normalerweise Schlieren auf den gefrästen Teilen sieht, haben die Oberflächen der Werkstücke von Kerns Maschinen Spiegelqualität. Die Maschinen können Teile bis zu einem Gewicht von etwa 50 Kilogramm mit einem Durchmesser von bis zu 350 Millimetern fräsen. Der übliche Wert liegt bei 200 Millimetern.

Feinmechaniker

Knobloch ist ein Präzisionsingenieur, aber sein Hauptaugenmerk liegt auf der Systemtechnik für Präzision. Ich beschäftige mich mit den Herausforderungen der Qualität. Unsere Maschinen müssen sehr hohe Standards erfüllen. Deshalb testen wir intensiv, um Probleme zu erkennen und zu beheben.‘

Das macht Knoblochs Arbeit sehr vielseitig. Bei Kern arbeiten meine Kollegen aus der Feinmechanik und ich mehr oder weniger als Projektingenieure. Wir arbeiten in vielen Bereichen wie mechanische Konstruktion, Softwareprogrammierung, experimentelle Tests entlang des Problemlösungsprozesses.‘

Wir betrachten ein Problem oder eine Frage aus vielen Blickwinkeln und betrachten den gesamten Prozess. Wir entwerfen und modellieren zuerst, dann erstellen wir Prototypen und testen sie, um dann mit der eigentlichen Entwicklung und Integration in die Plattform fortzufahren. Maschinenbau-, Software- und Elektroingenieure arbeiten bei diesem Prozess Seite an Seite.

Tim Knobloch von Kern Microtechnik arbeitet an Fräsmaschinen, die ultrapräzise arbeiten, egal ob sie in einem Reinraum oder in einem nicht klimatisierten Raum stehen. Foto Kern Microtechnik.

Thermische Effekte

Zusammen mit einem Kollegen besuchte Knobloch den Lehrgang Thermische Effekte in mechatronischen Systemen am High Tech Institute. Diese Entscheidung resultierte aus dem Ziel von Kern, seine Maschinen so präzise wie möglich zu machen und gleichzeitig die Fehler zu minimieren. Heutzutage sind thermische Effekte im Allgemeinen die Ursache für etwa 40 Prozent des Gesamtfehlers einer allgemeinen Werkzeugmaschine wie einer Fräsmaschine. Ich spreche von dem Gesamtfehler der Werkzeugmaschine, dem geometrischen Fehler am Werkstück nach der Bearbeitung wie Fräsen oder Schleifen. Das ist wirklich erheblich. Jedes Teil kann davon betroffen sein. Da wir bei Kern viel Aufwand in die Kühlung der Maschine stecken, sind wir vielleicht besser als 40 Prozent, aber eine genaue Zahl kann ich Ihnen nicht nennen.
Manchmal landet eine Maschine von Kern in einer Universität, wo sie in einem Reinraum mit guter Klimakontrolle eingesetzt wird. Aber bei anderen Kunden kann eine solche Maschine in einer etwas unkontrollierteren Produktionsumgebung mit starken Temperaturschwankungen landen. Um auch in diesen unvorhersehbaren Umgebungen präzise arbeiten zu können, baut Kern spezielle Teile für seine Maschinen, wie z.B. Wärmetauscher. Auch hier ist das Wissen um die thermischen Effekte von großem Nutzen. Das ist ein wichtiges Thema, denn wir arbeiten mit Öl unter hohem Druck. Ein solcher Wärmetauscher ist ein Teil, das man nicht einfach von einem anderen Unternehmen kaufen kann. Mich hat unter anderem interessiert, wie man einen Wärmetauscher ohne sehr lange Rechenzeiten modellieren kann.‘

Die Niederlande sind der Vorreiter

Deutschland ist natürlich als ein Land des Maschinenbaus bekannt. Aber laut Knobloch ist es kein Zufall, dass er diese Ausbildung in den Niederlanden und nicht in seinem Heimatland gemacht hat. ‚Die Niederlande und das Vereinigte Königreich sind in der Feinmechanik weiter als Deutschland. Es gibt zwar kleinere Module oder Kurse, die man an den Universitäten belegen kann, aber so richtig lernen kann man es nicht. Mein Chef, der Entwicklungschef von Kern, hat zufällig vorher bei Philips gearbeitet. Daher wussten wir von der Existenz des High Tech Institute.‘

Effizientes Modell

Ein wichtiger Aspekt der Schulung war die Abbildung von thermischen Effekten und thermischen Modellierungsmethoden. In der Schulung lernen die Teilnehmer, die so genannte pauschale Massenmodellierung um ein gutes Verständnis zu erlangen. Mit dieser Methode können Sie grob das Wesentliche durch Massen – im thermischen Kontext: die Wärmekapazitäten – und den Wärmeaustausch zwischen den verschiedenen Teilen modellieren. In der Konzeptionsphase ist dies ein sehr effektives Werkzeug, denn wenn Sie noch nicht über ein vollständig ausgearbeitetes CAD-Modell mit allen Details verfügen, können Sie überhaupt kein detailliertes FEM-Modell erstellen.

Knobloch: ‚Wir haben gelernt, damit viel effizienter zu modellieren als mit den Methoden der finiten Elemente. FEM-Berechnungen brauchen viel Zeit. Ich selbst verbringe immer sehr viel Zeit damit. Die Modellierung von Klumpenmasse ist oft viel effizienter. Der Vorteil ist ganz einfach, dass Sie besser über Ihr System nachdenken müssen, darüber, wie Sie es auf seine Essenz reduzieren können. So erhalten Sie ein besseres Verständnis Ihres Modells und können herausfinden, ob etwas damit nicht stimmt.‘

Knobloch war mit der Modellierung von Lumped Mass vertraut. Sie ist eine der grundlegenden Modellierungstechniken, die er an der Universität gelernt hat. Die Modellierung der verklumpten Kapazität im Kurs war jedoch auf sein Niveau und sein Interesse zugeschnitten. Ich hatte darüber gelesen, es aber nie wirklich ausprobiert. Ich hatte auch nie die Möglichkeit, an der Universität einen Kurs über Wärmeaustausch zu belegen. Dieser Teil des Themas war also neu für mich. Es war nicht schwierig für mich, denn ich habe thermodynamische Grundkenntnisse. Aber ich habe viel Neues über den Wärmeaustausch gelernt und wie man ihn modelliert.

Knobloch sagt, dass das Wissen über thermische Effekte Kern auch bei seiner wichtigsten Arbeit hilft. Ein Großteil des Aufwands in der Fertigung des Unternehmens besteht darin, nach der Montage einen Fingerabdruck der Maschine zu erstellen. Knobloch sagt: „Wir charakterisieren die Maschine und kompensieren die Fehler, die noch in ihr stecken.“

Nicht verrückt

Knobloch über die Ausbilder: ‚Ich habe meinen Kollegen empfohlen, ebenfalls an der Schulung teilzunehmen. Die Trainer waren sehr gut. Sie haben nicht nur gelehrt, sondern sind von ihren eigenen praktischen Erfahrungen ausgegangen. Sie verknüpften diese Erkenntnisse mit Ihrem eigenen Hintergrund und Ihrer eigenen Situation. Sie haben nicht nur erklärt, sondern auch gezeigt, wie man es macht. Es war, als würde man mit einem Kollegen sprechen, nicht mit einem Professor an der Universität.‘

Knobloch genoss auch die Interaktion mit anderen Auszubildenden. Dabei wurde mir klar, dass meine Probleme auch in vielen anderen Unternehmen eine Rolle spielen. Es waren zum Beispiel Leute von ASML und Zeiss anwesend. Sie sind natürlich auf Halbleiter oder Optik spezialisiert, aber es war sehr interessant zu sehen, mit welchen Problemen sie konfrontiert waren.‘ Er lacht: „Manchmal schienen unsere Probleme im Vergleich zu ihren klein.

Es wurde auch ein Band geknüpft. Wenn wir mit unseren Lieferanten sprechen und spezifische Anforderungen für Teile haben, erklären sie uns manchmal für verrückt. Manchmal sagen sie, es sei einfach nicht verfügbar. Bei der Schulung habe ich von anderen Teilnehmern gehört, dass ihnen das auch regelmäßig passiert. Es war schön, bestätigt zu bekommen, dass wir bei Kern nicht verrückt sind, ha ha. Es ist beruhigend zu wissen, dass andere mit den gleichen Problemen zu kämpfen haben.‘

Dieser Artikel wurde von Tom Cassauwers, technischer Redakteur bei High-Tech Systems, geschrieben.