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Best practiceFräsen leicht gemacht

Poseidon heißt die 32,5 x 8,5 x 4 Meter große Fünfachs-Fräsmaschine, die seit 2004 in bei Knierim für Späne sorgt. Passender kann ein Name kaum sein, denn Knierim ist ein Yachtbaubetrieb, der auf der Megafräse Formen für Bootsrümpfe und andere große Industrieteile bearbeitet. Da die maschinelle Präzisionszerspanung zunächst nicht zu den Kernkompetenzen gehörte, wählten die Verantwortlichen eine einfach zu bedienende und zuverlässige CAD/CAM-Software: WorkNC von Sescoi. Laut Knierim-Geschäftsführer Steffen Müller hat sie "uns das Fräsen leicht gemacht".

Best practice: Fräsen leicht gemacht

Am Nord-Ostsee-Kanal in Kiel liegt die Knierim Werft. Auf über 20.000 Quadratmeter Geländefläche, davon 8.000 Quadratmeter für die Produktion, entstehen unter anderem individuelle Hightech-Yachten - vom edlen Fahrtenschiff bis zum 30-Meter-Racer. Über 40 Jahre Erfahrung im Bootsbau stecken mittlerweile in der Knierim Yachtbau GmbH. Für innovative Spitzenleistungen sorgen Bootsbaumeister Gunnar Knierim, der 2000 das Familienunternehmen in zweiter Generation übernahm, und Steffen Müller, Kaufmann und Bootsbauexperte, der ihm seit 2002 in der Geschäftsführung zur Seite steht. Beide verstehen sich nicht nur aufs Boote-Bauen, sondern auch darauf, Höchstleistungen zu vollbringen. Denn 1993 haben sie in einem Team für Deutschland den Admiral´s Cup gewonnen. Die beiden Unternehmenslenker sind davon überzeugt, dass in ihrer Branche Erfolg unmittelbar mit einem erfahrenen Team sowie Hightechwerkstoffen und modernsten Maschinen verbunden ist. Für Hightech-Yachten gilt, laut Steffen Müller, einer präzisen Rumpfform die höchste Aufmerksamkeit: "Grundvoraussetzung für einen perfekten Rumpf sind besonders stabile Formen in hoher Genauigkeit. Wir setzen diesbezüglich in den meisten Fällen auf einen mehrschichtigen Aufbau mit Glas- oder Kohlefaser-Verbundwerkstoffen." Das heißt, Knierim fertigt eine Unterkonstruktion und legt die am besten geeignete Methode für den Formenbau fest. Ein stabiler Unterbau aus Styropor, Balsaholz oder ähnlichem Material wird laminiert und anschließend mit hochwertigen, faserverstärkten Epoxydharzen bepastet. Früher wurden diese Formen zur Fräsbearbeitung außer Haus gegeben, was jedoch mit einem zeitlichen und finanziellen Mehraufwand verbunden war. Um dem immer größer werdenden Anspruch an Genauigkeit und Qualität der Werkstücke gerecht zu werden sowie die Produktionszeit zu verkürzen, entschloss sich Knierim 2004, eine große CNC-Portalfräsmaschine anzuschaffen.

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Die komplette Prozesskette im eigenen Haus

Steffen Müller fügt noch ein weiteres Argument für die Investition hinzu: "Unsere Idee, die Erfahrungen im Formen- und Modellbau sowie mit CFK- und GFK- Materialien für andere Industriezweige anzubieten, trug bereits erste Früchte. Es gingen zum Beispiel Aufträge für Deckmöbel und Radarmasten für Luxusjachten ein. Auch erste Urmodelle für bis zu 70 Meter lange Rotorblätter von Windkraftanlagen wurden geordert. So war die Auslastung einer großen Fräsmaschine durchaus realistisch." Doch ein Problem galt es erst zu lösen. Weder Steffen Müller, Gunnar Knierim, noch einer ihrer Mitarbeiter hatte Erfahrung in der Fräsbearbeitung. So war ihr Plan, in eine Fräsmaschine zu investieren und die erforderliche Hallenkapazität zur Verfügung zu stellen. Das Programmieren und eigentliche Fräsen sollte ein externes Partnerunternehmen übernehmen. Die beiden Geschäftsführer entschieden sich für ein fünfachsiges Bearbeitungszentrum des italienischen Herstellers CMS, das einen Arbeitsraum von 32,5 x 8,5 x 4 Metern bietet. Für Fräskapazität war nun gesorgt, doch leider schlug der Plan mit dem externen Betreiber schon bald fehl. Also beschlossen Knierim und Müller, die Fräsbearbeitung selbst in die Hand zu nehmen. Als erstes gründeten sie 2005 innerhalb der Knierim Yachtbau GmbH eine weitere Firma, die Knierim Tooling GmbH, die sich ganz aufs Fräsen und den Formenbau konzentriert und der Muttergesellschaft sowie anderen Kunden zuarbeitet. Für die Unterbaukonstruktion und Maschinenprogrammierung engagierten sie externe Ingenieurbüros. Das Bedienen der Maschine übernahmen eigene Mitarbeiter.

Moderne CAD- und CNC-Technik als Schlüssel zum Erfolg

Doch bald war klar, dass die Prozesse noch immer nicht optimal liefen. "Über kurz oder lang mussten wir mit eigenen Mitarbeiter das komplette Procedere übernehmen. Die wichtigste Investition war dafür ein geeignetes CAD/CAM-Programm", erklärt Steffen Müller. "Denn in der Regel erhalten wir CAD-Daten des gewünschten Endprodukts, aus denen wir einen geeigneten Unterbau konstruieren und die Formen ableiten. Die Fräsprogramme sollten in der gleichen Software generiert werden können." Es begann die Suche nach einer geeigneten Lösung. Verschiedene Softwareanbieter kamen ins Haus, um ihre Produkte vorzuführen. Zudem hörten sich Gunnar Knierim und Steffen Müller bei anderen Unternehmen um, die schon längere Erfahrung mit dem Fräsen und entsprechender Software hatten. Bei einem Ingenieurbüro stießen sie auf WorkNC - begleitet von dem Kommentar, dass die damit erstellten Programme immer störungsfrei liefen. Schließlich kam der Anbieter Sescoi ins Haus, um an einem praktischen Beispiel, einem Schiffsdeck, zu zeigen, wie intuitiv und schnell man mit WorkNC zum gewünschten Ergebnis kommen kann. Müller war überzeugt: "Das schien uns für unsere Aufgaben ideal. Da wir fast ausschließlich Einzelteile produzieren, haben uns ganz darauf konzentriert, dass sich die Programme einfach erstellen lassen und zuverlässig laufen." Außerdem mussten Simulation und Kollisionskontrolle funktionieren sowie CAD und CAM mit großen Datenmengen zurechtkommen. Anforderungen, die WorkNC erfüllt, wie Steffen Müller bestätigt. "Obwohl weder Gunnar Knierim noch ich Erfahrung mit dem Programmieren hatten, konnten wir nach wenigen Stunden Schulung funktionierende, sichere Ergebnisse erreichen. Sogar für freigeformte Teile konnten wir fünfachsige Programme erstellen." Nun ist das Zerspanen von Formen und Modellen sicher nicht Aufgabe der Geschäftsführung. So gaben Knierim und Müller ihr erworbenes WorkNC-Wissen an ihren Mitarbeiter Lars Berner weiter, der seinerseits Erfahrung aus dem CAD-Bereich mitbrachte und sich mit Unterstützung des Sescoi-Supports intensiv in Konstruktion und Programmierung einarbeitete. Er trägt heute einen großen Teil dazu bei, dass Knierim Tooling sehr erfolgreich ist und immer mehr Anfragen erhält. Darum hat die erste Poseidon inzwischen Unterstützung von einer zweiten bekommen, die sogar noch 2,5 Meter länger ist. Eine dritte CMS-Portalfräsmaschine mit einem Arbeitsraum von 6 x 5 x 2 Metern nimmt den beiden großen die "Kleinarbeit" ab. Auch in eine weitere WorkNC-Lizenz wurde investiert.

Moderne CAD- und CNC-Technik sind Erfolgsfaktoren

Lars Berner, der nicht nur mit WorkNC arbeitet, sondern auch die Leitung verschiedener Projekte übernimmt, ist von der Leistungsfähigkeit WorkNCs begeistert: "In die meisten Projekte ist WorkNC vom CAD bis zum Fräsen und Bepasten voll eingebunden." Als Beispiel schildert er das Vorgehen, beim Erstellen von Formen für Windradflügel, die zwischen 24 und 70 Meter lang sein können. Der Kunde liefert normalerweise das CAD-Daten der Oberfläche. Über die entsprechende Schnittstelle - WorkNC bietet neben IGES- und STEP- auch direkte Schnittstellen zu allen wichtigen CAD-Systemen - werden die Daten ins WorkNC-CAD importiert. Dort werden große Flügel in bis zu 30 m lange Segmente aufgeteilt. Im CAD leitet Berner dann die Kurven für den Unterbau ab und bearbeitet unter anderem die Formränder. Er konstruiert ein Stahlgestell und die Spanten, die aus Holz gefräst werden. Diese Spanten - eine Technik aus dem Bootsbau - werden auf das Stahlgestell in einem bestimmten Abstand aufgebracht. Darauf kommt eine Sperrholzschicht als Träger fürs vakuumdichte Laminat. Als nächste Schicht folgt Balsaholz. Dieser Balsa-Kern wird gefräst, um das Modell zu kalibrieren. "Dazu übernehme ich die Daten aus dem CAD- in den CAM-Teil", schildert der Programmierer. "Je nach Art der Flächen lege ich verschiedene Strategien fest. Das NC-Programm wird von WorkNC praktisch auf Knopfdruck generiert." Es folgt eine weitere Laminatschicht, die mit der ersten verbunden wird, um eine vakuumdichte Struktur zu erreichen. Es folgt das Bepasten des Formkerns mit faserverstärktem Epoxydharz. Diesen Vorgang übernehmen in den meisten Fällen wiederum die Bearbeitungszentren. Berner erklärt: "Um einen gleichmäßigen Abstand zur Oberfläche zu erhalten, werden hierfür fünfachsige Bahnen generiert, was mit WorkNC ebenso einfach ist wie dreiachsiges Fräsen." Nach dem Härten wird die Form erst geschruppt, dann auf etwa ein Zehntel Millimeter genau geschlichtet und schließlich von Hand noch aufbereitet. So entsteht eine langlebige, vakuumdichte Form, mit der zahlreiche Windflügel produziert werden können. Lars Berner ist von WorkNC überzeugt: "Bei unseren Formen, seien sie für Windflügel oder Bootsrümpfe, nutzen wir eine Vielzahl an Funktionen - sowohl im CAD- als auch im CAM-Teil. Denn da sind Bohrungen ebenso dabei wie freigeformte Elemente. Manche Flächen fräsen wir dreiachsig mit Anstellung. Wir nutzen verschiedene Strategien wie zum Beispiel mit variablem Bahnabstand oder an Führungskurven entlang. Bisher habe ich noch kein anderes Programm kennen gelernt, das so einfach zu bedienen ist und so schnell zu einem sicheren Ergebnis führt. Ein Programm zum Schruppfräsen eines Flügels ist zum Beispiel in wenigen Stunden fertig."

Projekt für die Zukunft: das Solarboot Planet Solar

Im Bootsbau ist das Vorgehen ähnlich - zumindest wenn hochwertige Formen gefragt sind, wie beim jüngsten, prestigeträchtigen Projekt der Knierim Werft: dem PlanetSolar. Dieser Riesenkatamaran ist das größte jemals gebaute, nur von Sonnenenergie angetriebene Wasserfahrzeug. Auf dem Deck sind 536 Quadratmeter von Solarpaneelen bedeckt, die 93 kWpeak erzeugen. Als Speicher dient eine Lithium-Ionen-Batterie mit 1,3 MWh Kapazität. Für eine geschätzte Marschfahrt von 7,5 Knoten soll das Schiff, das im Jahr 2011 die Erde komplett ohne fossile Brennstoffe umfahren soll, bei glattem Wasser nur zirka 20 kW Antriebsleistung benötigen. Steffen Müller ist sichtlich stolz darauf, an diesem Hightech-Boot maßgeblich beteiligt zu sein: "Wir waren schon in die Entwicklung eingebunden, denn schließlich mussten nicht nur schiffbauliche Anforderungen erfüllt werden, sondern auch die Photovoltaikanlage mit ihrem Flächenbedarf sowie der Platz und das Gewicht des Speichermediums berücksichtigt werden." All diese Werte wirken sich auf die Konstruktion und Leistungsbilanz aus. Denn um mit möglichst wenig Energie auszukommen, darf das seetüchtige Schiff nur so schwer wie notwendig sein. An der praktischen Herstellung der Komponenten war wiederum WorkNC beteiligt. Denn die Formen für Hauptrumpf und Deck wurden gefräst. Da das Schiff 30 m lang ist, passte es gut in die Knierim-Fräsmaschine. Allerdings erzwang die Breite von 15 m, dass es der Länge nach gedrittelt wurde. Auf dem benachbarten Gelände einer Großwerft wurde die Form schließlich zusammengefügt und das Boot darin gebaut. Der Erfolg ist sichtbar. Denn zeitweise liegt das Planet Solar im Nord-Ostsee-Kanal, vor der Knierim-Werft. lg

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