Achsantriebe
In der Verteilung der Achsantriebssysteme kann für die letzten Jahre keine Veränderung beobachtet werden. Die längste Maschinenachse (X-Achse) wird zu 86 Prozent mit Ritzel-Zahnstangen-Antrieben ausgeführt. Der Ritzel-Zahnstangen-Antrieb stellt dabei die kostengünstigste Lösung zum Verfahren auf der X-Achse dar. Zum Antrieb der Z-Achsen werden in knapp 92 Prozent der Fälle Kugelgewindetriebe eingesetzt. Durch große Steigungen im Gewinde kann dabei eine hohe Dynamik der Achsen erreicht werden. Bei den Y-Achsen ist eine etwas ausgeglichene Aufteilung zwischen Kugelgewindetrieb (41 Prozent) und Ritzel-Zahnstangen (58 Prozent) zu beobachten. Der Anteil der angebotenen Bearbeitungszentren mit Lineardirektantrieben ist in den letzten Jahren auf einem sehr niedrigen Niveau von ca. 1 Prozent verharrt. Abb. 5 zeigt die Verteilung der Achsantriebssysteme für die drei linearen Maschinenachsen von CNC-Bearbeitungszentren für die Holzbearbeitung.
Spindeldrehzahlen und -leistungen
Die Hauptspindel stellt trotz steigender Anzahl an Nebenaggregaten den Kern eines jeden CNC-Bearbeitungszentrums dar. Die Spindeleigenschaften sind dabei, ebenso wie die Achsantriebe, wesentlich für die Produktivität der Fertigung verantwortlich. Die Spindeldrehzahlen und -leistungen beeinflussen dabei zusammen mit der Wahl der Zerspanwerkzeuge maßgeblich die erreichbare Schnittleistung der Bearbeitungsprozesse. Abb. 6 zeigt die Verteilung der Hauptspindeln der ausgewerteten Maschinenbaureihen nach Leistung und Drehzahl.
Der rot markierte Bereich in Abb. 6 stellt den Medianwert der angebotenen Spindelleistungen sowie der Spindeldrehzahlen für die CNC-Bearbeitungszentren dar. Die Hälfte der angebotenen Maschinen verfügt dabei über Spindeln mit einem Drehzahl- und Leistungsbereich von 24.000 min-1 bei einer Leistung von 16kW. Die andere Hälfte wird mit höheren Leistungen und Drehzahlen angeboten.
Aus den Angaben der Maschinenhersteller lässt sich die durchschnittlich verfügbare Spindelleistung auf den Maschinen zu 17,1kW und die maximalen Drehzahlen zu durchschnittlich 25500 min-1 berechnen. Im Vergleich zur letzten Marktanalyse aus dem Jahr 2021, bei der die durchschnittliche Spindelleistung 16,6kW betrug, entspricht dies also einer leichten Steigerung. Bei den durchschnittlichen maximalen Drehzahlen der Maschinen ist jedoch ein Rückgang zu verzeichnen. Betrug diese 2021 noch 29800 min-1, so ist sie dieses Jahr mit 25500 min-1 deutlich geringer. Tabelle 1 zeigt die Entwicklung der mittleren Spindelleistungen und Drehzahlen der Maschinen der letzten Jahre.
Hohe Spindeldrehzahlen werden sowohl für eine höhere Produktivität durch potentiell höher fahrbare Vorschubgeschwindigkeiten bei gleicher Bearbeitungsqualität benötigt und gleichzeitig für die Bearbeitung von neuen, schwer zerspanbaren Werkstoffen und faserbasierten Verbundwerkstoffen gefordert. Die Herausforderungen bei der Bearbeitung mit hohen Spindeldrehzahlen liegen jedoch in der zunehmenden Beanspruchung der Spindellager durch Flieh- und Unwuchtkräfte.
In Abb. 7 ist die Ausstattung der angebotenen Maschinen bezüglich der maximalen Spindeldrehzahl dargestellt. Hierbei ist deutlich zu erkennen, dass der größte Teil der in dieser Marktrecherche analysierten Bearbeitungszentren mit einer maximalen Drehzahl der Hauptspindel von 24.000 min-1 angeboten werden. Knapp 20 Prozent der angebotenen Maschinen ist jedoch auch mit größeren Spindeldrehzahlen verfügbar. Maschinen mit einer maximalen Spindeldrehzahl von unter 24.000 min-1 werden dagegen selten angeboten.
Zusätzlich zur Drehzahl ist die Spindelleistung maßgeblich für die Leistungsfähigkeit der Hauptspindel. In Abb. 8 sind die angebotenen Maschinen nach der Leistung ihrer Hauptspindeln klassifiziert. Im Diagramm ist zu erkennen, dass Spindeln mit einer Antriebsleistung von ca. 19kW mit über 50 Prozent den größten Marktanteil ausmachen. Das Angebot an Spindeln mit Leistung zwischen 7 und 19kW hat sich im Vergleich zu 2021 etwas verringert. Weiterhin sind auch Maschinen mit Hochleistungsspindeln mit Leistungsklassen von über 25kW verfügbar, wobei sich deren Anteil im Vergleich zu 2021 sogar etwas erhöht hat. Die in der aktuellen Umfrage ermittelte höchste Spindelleistung liegt bei 55kW.
Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungszerspanung
Die Hochgeschwindigkeitszerspanung (HSC) ist fester Bestandteil der spanenden Holz- und Holzwerkstoffbearbeitung. Bedingt durch die Struktur von Massivholz und Holzwerkstoffen ist eine hohe Schnittgeschwindigkeit bei der Zerspanung notwendig, um einer Vorspaltung des Holzes entgegenzuwirken und ausreichend gute Bearbeitungsqualitäten zu erreichen. Der Begriff Hochleistungsbearbeitung (HPC) stammt aus der Metallbearbeitung und bedeutet eine Bearbeitung mit erhöhtem Zeitspanvolumen durch Erhöhung des Arbeitseingriffs des Werkzeugs oder durch Erhöhung von Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit. Werden bei schnelldrehenden Werkzeugen keine ausreichend hohen Vorschubgeschwindigkeiten erreicht, so treten suboptimale Zerspanbedingungen an der Werkzeugschneide auf. Diese äußern sich neben einem hohen Wärmeeintrag in die Werkstückoberfläche auch in einer schnellen Abstumpfung der Werkzeugschneiden. Bei der Bearbeitung von Stahl wird ab Schnittgeschwindigkeiten von ca. 1000m/min von HSC-Bearbeitung gesprochen, während Schnittgeschwindigkeiten von 4000m/min in der Holzbearbeitung als durchaus normale Prozessparameter angesehen werden können. Die Abgrenzung der HSC-Bearbeitung zur konventionellen Bearbeitung an Bearbeitungszentren wird im Rahmen dieser Studie bei einer Drehzahl von 30.000 min-1 vorgenommen. Abb. 9 zeigt den Zusammenhang zwischen Spindeldrehzahl und maximaler Vorschubgeschwindigkeit der angebotenen Bearbeitungszentren.
Die HSC-Bearbeitung hat als Zielgröße die Steigerung der Ausbringung, also die Steigerung der Leistungsfähigkeit, um einen wirtschaftlichen Betrieb der Maschinen zu gewährleisten und wird häufig beim Nesting eingesetzt. Nachteilig stehen der höheren Produktivität einer HSC-Bearbeitung höhere Investitionskosten sowie höhere Lärmemissionen und gegebenenfalls ein höherer Werkzeugverschleiß gegenüber. Die neueste Marktanalyse zeigt, dass 2023 im Vergleich zu 2021 ein Rückgang im Angebot an HSC-fähigen Baureihen stattgefunden hat.
In Abb. 9 ist die Häufigkeit der angebotenen Bearbeitungszentren in Abhängigkeit von Spindeldrehzahl und Vorschubgeschwindigkeit dargestellt. Während der Drehzahlbereich bei der HSC-Bearbeitung ein relativ weites Spektrum umfasst, ist bei der konventionellen Bearbeitung eine deutliche Konzentration bei 24000 min-1 erkennbar. Es ist außerdem zu sehen, dass die Vorschubgeschwindigkeiten bei der HSC-Bearbeitung prinzipiell geringer ausfallen, als bei der konventionellen Bearbeitung. Generell umfassen die angebotenen Maschinen ein sehr breites Spektrum an maximalen Vorschubgeschwindigkeiten.
Aggregatetechnik
Der Trend der letzten Jahre im Bereich der Aggregatetechnik setzt sich weiter fort. Die Produktprogramme der Hersteller sind so breitgefächert wie noch nie. Das Angebot umfasst dabei alle Bearbeitungsoperationen vom Sägen, Bohren, Fräsen bis hin zum Schleifen und Beschichten. Zudem gibt es allerhand Aggregate, die eine Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten auf einem CNC-Bearbeitungszentrum ermöglichen. Von der schweren Zerspanung bis hin zu filigranen Tastbearbeitungen können somit allerlei Anwendungsgebiete (Küchen-, Türen-, Fenster-, Treppen-, Möbelfertigung) abgedeckt werden. So können insbesondere die Funktionalitäten von 3- bzw. 4-Achs-Bearbeitungszentren flexibler hinsichtlich der Bearbeitungsaufgaben erweitert werden. In 5-Achs-Bearbeitungszentren wiederum können durch den Einsatz von Mehrspindelaggregaten gleichartige bzw. unterschiedliche Bearbeitungsoperationen zusammengefasst und somit Rüstzeiten reduziert und die Produktivität erhöht werden. Auch die Aggregatetechnik trägt zur fortschreitenden Digitalisierung der Fertigung in holzbe- und -verarbeitenden Betrieben bei. Durch Aggregate, die mit Hilfe von Sensorik und Datenchips ausgestattet sind, können Prozessdaten in Echtzeit aufgezeichnet und ausgewertet werden. Aktuell am Markt angebotene Produkte können neben Drehzahlen und Betriebsstunden auch Vibrationen und Temperaturen analysieren und diese auf Endgeräten visualisieren. Eine detaillierte Marktrecherche mit einem Überblick über Hersteller und technische Daten über das vielfältige Gebiet der Aggregate für CNC-Bearbeitungszentren ist in der HOB-Ausgabe 7 und 8/2023 veröffentlicht.
