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Lesedauer: 15 min
25. November 2021
CNC-Bearbeitungszentren
Trends für die Holzbearbeitung 2021
Anlässlich zum Digitalevent Ligna.Innovation Network (Ligna.IN) wurde vom Institut für Werkzeugmaschinen (IfW) der Universität Stuttgart eine Marktübersicht über CNC-Bearbeitungszentren erstellt. Die Studie enthält neben den technischen Neuerungen und Entwicklungen ein mehrseitiges Tabellenwerk mit den wichtigsten technischen Daten der momentan am Markt angebotenen Maschinen. In Diagrammen und Tabellen werden die Ergebnisse der Datenerhebung graphisch dargestellt und Trends erörtert.
 Abb. 1: Maschinengrundpreise, bezogen auf die kleinstmögliche Fläche des Arbeitsraumes
Abb. 1: Maschinengrundpreise, bezogen auf die kleinstmögliche Fläche des ArbeitsraumesBild: Institut für Werkzeugmaschinen, Universität Stuttgart

Marktübersicht

Die diesjährige Marktübersicht beinhaltet Daten von 11 Herstellern, davon 7 deutsche und 4 weitere aus anderen europäischen Ländern. Insgesamt wurden 75 Maschinenbaureihen ausgewertet, die mindestens 315 einzelne Maschinen umfassen. Die tabellarische Darstellung der technischen Daten von Baureihen ist alphabetisch nach Herstellername und vollkommen wertungsfrei geordnet. Aus Gründen der Vergleichbarkeit sind einige Herstellerangaben vereinfacht dargestellt, ihre grundsätzliche Gültigkeit bleibt bestehen. Jede Baureihe enthält verschiedene Maschinentypen, deren spezifische Daten durch die Angabe von Zahlenbereichen der Maschinenkenngrößen berücksichtigt werden. Bei der Analyse der Daten ist zu beachten, dass ein Großteil der angebotenen Baureihen und Maschinen individuell an spezifische Kundenanforderungen angepasst werden kann, weshalb die Daten letztlich von den hier angegebenen Tabellenwerten abweichen können. Weiterreichende Informationen können über den jeweiligen Maschinenhersteller angefordert werden. Für Änderungen und Neuerungen der Daten im Tabellenwerk durch die Maschinenhersteller und Übertragungs- und Darstellungsfehler in den tabellarischen und ausgewerteten Daten übernehmen die Autoren keine Haftung.

 Abb. 2: Typische Bauformen von CNC-Bearbeitungszentren und Anordnung der Werkzeugwechsler
Abb. 2: Typische Bauformen von CNC-Bearbeitungszentren und Anordnung der WerkzeugwechslerBild: Institut für Werkzeugmaschinen, Universität Stuttgart

Preispositionierung

Die Umfrage zur Marktübersicht beinhaltete die preisliche Einordnung der Maschinenbaureihen, bei der Einstiegspreise der Maschinen bzw. auch die Preisspanne angegeben wurde. Machten die Hersteller diesbezüglich keine Angaben, wurden die zugehörigen Baureihen in der Auswertung nicht berücksichtigt.

Zur Gegenüberstellung der verschiedenen Maschinenbaureihen wurden die Einstiegspreise der Maschine auf die kleinstmögliche Fläche des Arbeitsraumes bezogen. Abb. 1 zeigt die bezogenen Maschinenpreise seit 1995, die in den Marktanalysen des IfW der letzten Jahre ermittelt wurden.

 Abb. 3: Marktanteil der angebotenen Baureihen nach ihrer Bauweise
Abb. 3: Marktanteil der angebotenen Baureihen nach ihrer BauweiseBild: Institut für Werkzeugmaschinen, Universität Stuttgart

Der Trend zu steigenden Maschinengrundpreisen seit 2001 erreichte 2015 mit 24,14 T€/m2 ein Maximum. Ab 2015 kann ein abfallender Trend beobachtet werden, der nun unterbrochen wird. Der diesjährige Mittelwert liegt mit 22,08 T€/m2 über dem Niveau von 2019 (21,33 T€/m2) und über dem durchschnittlichen Niveau von 21,84 T€/m2 der Jahre 2003 bis 2019.

Zusätzliche Funktionalitäten und Aggregate werden als optionale Lösungen angeboten, sodass die Maschinenausstattung individuell an die Bedürfnisse des Anwenders bzw. dessen Produktion angepasst werden kann. Die Preispositionierung hängt damit einerseits von der Leistungsfähigkeit der Maschine sowie deren Ausstattung ab und wird andererseits auch von der maximal bearbeitbaren Bauteilgröße beeinflusst.

 Abb. 4: Marktanteil der angebotenen Baureihen nach ihrer Bauweise
Abb. 4: Marktanteil der angebotenen Baureihen nach ihrer BauweiseBild: Institut für Werkzeugmaschinen, Universität Stuttgart

Maschinenstruktur und Bauweise

Die Gestellstruktur und Bauform legen die grundlegenden Eigenschaften einer Bearbeitungsmaschine fest und bestimmen damit wesentlich die Bearbeitungsgenauigkeit und Leistungsfähigkeit von Bearbeitungszentren. Zudem wird das bearbeitbare Spektrum an Werkstückdimensionen wesentlich durch die Bauform festgelegt. Zur Veranschaulichung der aktuell am Markt verfügbaren Maschinen sind die verschiedenen Bauformen in Abb. 2 zusammengefasst. Die Bezeichnungen stammen aus der systematischen Einteilung der variantenreicheren Metallbearbeitungszentren. Am Markt kommen hauptsächlich die drei Bauweisen Portalmaschinen in Gantrybauweise, Portalmaschinen in Tischbauweise und Maschinen in Auslegerform (C-Bauweise) vor.

Abb. 3 zeigt die Marktanteile der aktuell angebotenen Bauformen von CNC-Bearbeitungszentren für die Holzbearbeitung.

Bei der Analyse der Marktanteile lässt sich feststellen, dass nun deutlich mehr Bearbeitungszentren mit festem Portal (Tischbauweise) angeboten werden und mit 43% nun den größten Anteil ausmachen. Während 2007 noch Auslegermaschinen den ersten Platz belegten waren anschließend Maschinen mit Fahrportal (Gantrybauweise) dominierend. Im Unterschied zum Fahrportal ist bei der Tischbauweise der Maschinentisch nicht fest, sondern kann das Werkstück entlang der x?Achse positionieren. Insbesondere bei der Plattenbearbeitung wird hierdurch eine hohe Flexibilität ermöglicht, da große Spannweiten und Verfahrwege realisiert werden können. Zudem ist ein schneller Transport zwischen Lagerort und dem Bearbeitungszentrum automatisiert realisierbar. In Abb. 4 ist der Maschinenpreis den jeweiligen Maschinenbauformen gegenübergestellt. Hierbei wird vor allem deutlich, dass die Gantrybauweise in allen Preisklassen vertreten ist. Währenddessen Maschinen in Tischbauweise, die in dieser Umfrage den höchsten Marktanteil ausmachen, nur im mittleren Preissegment vertreten sind.

 Abb. 5: Übersicht der angebotenen Tischkonzepte
Abb. 5: Übersicht der angebotenen TischkonzepteBild: Institut für Werkzeugmaschinen, Universität Stuttgart

Tischkonzepte und Spannsysteme

Aufgrund des breiten Spektrums von Werkstückgrößen und -formen in der Holzbearbeitung, hat sich ein vielseitiges Angebot von Tisch- und Spannsystemen etabliert. Dabei stellt jeder Anwendungsbereich andere Herausforderungen an die Werstückspannung. In Abb. 5 sind die Anteile der für die Maschinen verfügbaren Tischkonzepte zusammengefasst. Dabei ist festzustellen, dass sich die Verteilung über die letzten Jahre nahezu konstant gehalten hat. Die Bearbeitung von Türen, Platten sowie das Nesting fordern spezielle Spannsysteme zum Spannen von plattenförmigen Werkstücken, während in der Fenster- und Treppenbearbeitung aufgrund der prismatischen Werkstücke andere Lösungen zur Fixierung der Werkstücke gefordert sind. Als Tischkonzepte in Bearbeitungszentren werden Vakuumraster- und Konsolentische mit Anteilen von jeweils 31 % angeboten. Diese eignen sich besonders zum Spannen von plattenförmigen Werkstücken, können aber auch durch vielfältige Zusatzmodule prismatische Werkstücke verlässlich spannen. Auf Konsolentischen ist zudem ein vollautomatisches Spannen von Werkstücken möglich, weshalb diese bei der Fertigung von größeren Stückzahlen im Bereich von Möbelbauteilen und Fenstern häufig zum Einsatz kommen. Weiterhin sind Sondertische und T-Nutentische verbreitet, welche beispielsweise zum Spannen spezieller Werkstücke dienen oder sich durch eine hohe Flexibilität in der Aufnahme von Vorrichtungen auszeichnen. Durch elektronische Rüsthilfen wie Laser oder LED werden Maschinenbediener bei der manuellen Ausrichtung von Spannsystemen oder Werkstücken unterstützt, vgl. Abb. 6. Der Trend zur automatisierten Werkstückspannung setzt sich weiterhin fort. Der Marktanteil für Maschinen, die ein manuelles Spannen bedingen, ist erstmals unter 40 % gefallen. Durch automatisch verfahrende Konsolen und Blocksauger können weiter Rüstzeiten reduziert werden. Die zunehmende Funktionalisierung von Bearbeitungszentren führt zudem dazu, dass durch Integration zusätzlicher Aktorik in Spannelementen, z.B. zum vertikalen Verfahren des Werkstücks zum Kantenanleimen, die Flexibilität der Bearbeitung erhöht werden kann. Dem Trend der Digitalisierung folgend werden mittlerweile in der Spanntechnik zunehmend intelligente Komponenten eingesetzt, die Daten generieren um beispielsweise eine Energieüberwachung und vorausschauende Wartung zu ermöglichen.

 Abb. 6: Marktanteil der angebotenen Automatisierungseinrichtungen zum Rüsten
Abb. 6: Marktanteil der angebotenen Automatisierungseinrichtungen zum RüstenBild: Institut für Werkzeugmaschinen, Universität Stuttgart

Achsantriebe

In der Verteilung der Achsanstriebssysteme kann für die letzten Jahre keine Veränderung beobachtet werden. Die längste Maschinenachse (X-Achse) wird zu 86,4 % 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 97 % 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 (45,5 %) und Ritzel-Zahnstangen-Antrieb (53 %) zu beobachten. Der Anteil der angebotenen Bearbeitungszentren mit Lineardirektantrieben ist in den letzten Jahren auf einem sehr niedrigen Niveau von ca. 1 % verharrt. Abb. 7 zeigt die Verteilung der Achsantriebssysteme für die drei linearen Maschinenachsen von CNC-Bearbeitungszentren für die Holzbearbeitung.

 Abb. 7: Marktanteil der einzelnen Achsantriebssysteme der angebotenen Maschinenbaureihen
Abb. 7: Marktanteil der einzelnen Achsantriebssysteme der angebotenen MaschinenbaureihenBild: Institut für Werkzeugmaschinen, Universität Stuttgart

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. Die Spindeldrehzahlen und -leistungen beeinflussen dabei zusammen mit der Wahl der Zerspanwerkzeuge maßgeblich die erreichbare Schnittleistung der Bearbeitungsprozesse. Abb. 8 zeigt die Verteilung der Hauptspindeln der ausgewerteten Maschinenbaureihen nach Leistung und Drehzahl.

 Abb. 8: Einordnung der Maschinen auf dem Markt nach Spindeldrehzahl und Spindelleistung
Abb. 8: Einordnung der Maschinen auf dem Markt nach Spindeldrehzahl und SpindelleistungBild: Institut für Werkzeugmaschinen, Universität Stuttgart

Der rot markierte Bereich in Abb. 8 stellt den Medianwert der angebotenen Spindelleistungen sowie der Spindeldrehzahlen für die CNC-Bearbeitungszentren dar. Die Hälfte der angebotenen Maschinen verfügt dabei über Spindeln um den Bereich der Drehzahl von 24.000 min-1 bei einer Leistung von 17 kW. 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 16,6 kW und die maximalen Drehzahlen zu durchschnittlich 29.800 min-1 berechnen. Bei der letzten Marktanalyse aus dem Jahr 2019 betrug die durchschnittliche Spindelleistung 20,3 kW und war damit deutlich höher angesiedelt. Im Gegensatz zur Spindelleistung ist bei den durchschnittlichen Drehzahlen weiterhin ein steigender Trend zu verzeichnen.

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 vor allem in der zunehmenden Beanspruchung der Spindellager durch Flieh- und Unwuchtkräfte.

 Abb. 9: Angebotene Hauptspindelquote in Abhängigkeit der maximalen Spindeldrehzahl
Abb. 9: Angebotene Hauptspindelquote in Abhängigkeit der maximalen SpindeldrehzahlBild: Institut für Werkzeugmaschinen, Universität Stuttgart

In Abb. 9 ist die Ausstattung der angebotenen Maschinen bezüglich der maximalen Spindeldrehzahl dargestellt. Hierbei ist deutlich zu erkennen, dass Bearbeitungszentren größtenteils mit einer maximalen Drehzahl der Hauptspindel von 24.000 min-1 angeboten werden. Etwas mehr als ein Drittel der angebotenen Maschinen ist jedoch auch mit größeren Spindeldrehzahlen verfügbar. Maschinen mit einer maximalen Spindeldrehzahl von unter 20.000 min-1 werden dagegen selten angeboten.

Zusätzlich zur Drehzahl ist die Spindelleistung maßgeblich für die Leistungsfähigkeit der Hauptspindel. In Abb. 10 sind die angebotenen Maschinen nach der Leistung ihrer Hauptspindeln klassifiziert. Im Diagramm ist zu erkennen, dass Spindeln mit einer Antriebsleistung von ca. 19 kW mit über 45 % den größten Marktanteil ausmachen. Das Angebot an Spindeln mit einer Leistung zwischen 7 kW und 19 kW hat sich im Vergleich zu 2019 deutlich erhöht. Dies deckt sich auch mit dem Trend, dass vermehrt Einstiegsmodelle angeboten werden. Weiterhin sind auch Maschinen mit Hochleistungsspindeln mit Leistungsklassen von über 25 kW verfügbar. Die in der aktuellen Umfrage ermittelte höchste Spindelleistung beträgt dabei 55 kW.

 Abb. 10: Marktanteile der verfügbaren Spindelleistungen der Hauptspindel
Abb. 10: Marktanteile der verfügbaren Spindelleistungen der HauptspindelBild: Institut für Werkzeugmaschinen, Universität Stuttgart

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 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. 1000 m/min von HSC-Bearbeitung gesprochen, während Schnittgeschwindigkeiten von 4000 m/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. 11 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 auch 2019 ein Anstieg im Angebot an HSC-fähigen Baureihen stattgefunden hat. Insbesondere in Spindeldrehzahlbereichen von 30.000 min-1 bis 60.000 min-1 ist eine Etablierung der angebotenen Maschinen am Markt zu erkennen.

 Abb. 11: Einordnung der Maschinen auf dem Markt nach Spindeldrehzahl und Vorschubgeschwindigkeit
Abb. 11: Einordnung der Maschinen auf dem Markt nach Spindeldrehzahl und VorschubgeschwindigkeitBild: Institut für Werkzeugmaschinen, Universität Stuttgart

In Abb. 11 ist die Häufigkeit der angebotenen Bearbeitungszentren in Abhängigkeit von Spindeldrehzahl und Vorschubgeschwindigkeit dargestellt. Im Gegensatz zu den Marktanalysen der vergangenen Jahre scheinen sich nun die Cluster der konventionellen Bearbeitung und HSC-Bearbeitung einander zu nähern und die Grenze immer weiter aufzulösen. Der Großteil der Maschinen für die HSC-Bearbeitung hat sich eindeutig auf dem Niveau für Drehzahlen von 30.000 min-1 eingependelt. Zudem ist eine deutliche Konzentration der Bearbeitungszentren im Drehzahlbereich von 24.000 min-1 und maximalen Vorschubgeschwindigkeiten zwischen 60 m/min und 130 m/min erkennbar.

Autoren

Dipl.-Ing. Kamil Güzel, Leiter Forschungsgruppe Holzbearbeitung;
Institut für Werkzeugmaschinen (IfW) der Universität Stuttgart

M.Sc. Christoph Zizelmann, akademischer Mitarbeiter, Forschungsgruppe Holzbearbeitung,
Institut für Werkzeugmaschinen (IfW) der Universität Stuttgart

Thematik: C-Technik
Universität Stuttgart
http://www.ifw.uni-stuttgart.de

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