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Metav 2010: Gefragt sind Komplettlösungen

Die METAV 2010 zeigte vom 23. bis 27. Februar 2010 auf dem Messegelände in Düsseldorf aktuelle Produkte und Weiterentwicklungen aus der Fertigungstechnik.

Ein anhaltender Trend bei den Herstellern von Werkzeugmaschinen ist die Offerierung kompletter Fertigungslösungen, beispielsweise durch Komplettbearbeitung von Werkstücken auf einer Werkzeugmaschine bei gleichzeitiger Beibehaltung der Fertigungsflexibilität. Neben der Kombination von Dreh- und Fräsverfahren wurde die Verfahrensintegration auch bei Werkzeugmaschinen zur Oberflächenfeinbearbeitung vorangetrieben. Am Beispiel der Herstellung von Kniegelenkprothesen wird deutlich, dass die Kombination von Fräs- und Schleifverfahren in einer Werkzeugmaschine für den Wachstumsmarkt Medizintechnik sinnvoll ist. Die Steuerung der Werkzeugmaschine und die Generierung von NC-Daten werden immer komplexer, so dass der Einsatz durchgängiger Softwareunterstützung für den Prozessplaner hilfreich ist. Die Werkzeughersteller bieten angepasste Werkzeuge an, die den Anforderungen bei der Bearbeitung anspruchsvoller biokompatibler Werkstoffe gerecht werden. Auf der anderen Seite führt die stetig wachsende Energienachfrage zum Einsatz immer größerer Bauteile in der Wasser- und Energietechnik, so dass auch die präzise Großteilebearbeitung an Bedeutung gewinnt.


Für die Bearbeitung von mittelgroßen Integralbauteilen wurde ein 5-achsiges Bearbeitungszentrum vorgestellt. Es kann Werkstücke mit einem Gewicht von bis zu 1 400 kg aufnehmen. Verfahrwege in der x- und y-Achse von 800 mm und in Richtung der z-Achse von 1 000 mm ermöglichen in Kombination mit einem speziell für die Schwerzerspanung nach HPC-Kriterien angebotenen Schwenkkopf die Bearbeitung von Werkstücken aus dem Luftfahrtsektor oder dem Werkzeug- und Formenbau, die hohe Zeitspanvolumina aufweisen. Eine steuerungsseitige Kollisionskontrolle unter Berücksichtigung der Rohteilgestalt unterstützt die reibungslose 5-achs-Simultanbearbeitung. Bricht oder kollidiert das Werkzeug während des Bearbeitungsprozesses unter 5-achsiger Werkzeuganstellung, bietet die Maschinensteuerung Werkzeug-Rückzugsstrategien an (Firma Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH, Nürtingen).

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Ein anderer Hersteller präsentierte ein 5-achsiges Bearbeitungszentrum, das die Verfahrbewegungen des Werkzeugs und des Spindelkastens über eine Parallelkinematik realisiert. Durch die Verwendung von fünf Streben können Schwenkwinkel größer 90° erreicht werden. Die Kugelrollspindeln ermöglichen im Eilgang eine Geschwindigkeit von 45 m/min und eine Beschleunigung von maximal 10 m/s². Zum einen ist eine modifizierte Variante in Gantry-Bauweise für die Bearbeitung von größeren Werkstücken mit einem Gewicht von bis zu 7 t erhältlich; zum anderen ist eine mobile Variante im Angebot, die für die Bearbeitung ortsfester Werkstücke, beispielsweise zu Reparaturzwecken, eingesetzt werden kann (Firma Metrom Mechatronische Maschinen GmbH, Chemnitz).

Bohr- und Fräswerke in Fahrständerbauweise ermöglichen die Bearbeitung großer Struktur- und Verbindungsbauteile für die Energie- und Wasser-versorgung. Ein Hersteller stellte ein Fertigungssystem für mittelgroße Werkstücke vor, das mit einer hydrostatischen Lagerung mit sehr geringen Spaltmaßen Eilganggeschwindigkeiten von bis zu 30 m/min erreicht. Thermisch und nachgiebigkeitsbedingte Verlagerungen der Bohrspindel können in Echtzeit durch Positionskorrekturen über die Maschinensteuerung kompensiert werden (Firma Pama, S.p.A., Rovereto (Tn), Italien).

Für die Bearbeitung von Werkstücken mit 5-achsig simultan angesteuerter Werkzeugorientierung ist der Einsatz durchgängiger CAD-CAM-Software unabdingbar, um die Leistungsfähigkeit der Werkzeugmaschinen auszunutzen. Verfügbare Softwarepakete bieten für die NC-Daten-Generierung neben der CAD-Schnittstelle die Möglichkeit der Flächenrekonstruktion und Scandaten-Verarbeitung. Werden bereits in der Konstruktion Featureelemente im CAD-Datenmodell verwendet, können diese von der CAM-Software erkannt, entsprechende NC-Sets ausgewählt und in das NC-Programm übernommen werden. Mittlerweile sind auch Erweiterungen der Softwarepakete für Werkzeugmaschinen mit mehreren Bearbeitungsspindeln, Verfahrenskombinationen, wie beispielsweise das Drehfräsen, das Laserschneiden oder Beschnittfräsen von Composite-Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen erhältlich (Firma Tebis AG, Martinsried/Planeggi; Firma Missler Software, Evry, Frankreich).


Für die Herstellung medizinischer Produkte, deren Reib- und Fügeflächen aus komplexen Freiformflächen mit hoher Oberflächengüte bestehen, wurde eine mit Linearantrieben ausgestattete 5-achsige Schleifmaschine vorgestellt. Die Maschine verfügt neben den fünf bis 24 Magazinplätzen für verschiedene Schleifscheiben auch über die Möglichkeit, eine Bandschleifeinheit und Fräswerkzeuge zu spannen. Asymmetrische Formen können wirtschaftlich durch das Fräsen mit Vollhartmetall-Kugel- oder Schaftwerkzeugen vorbearbeitet und im Anschluss fertig geschliffen werden. Ein Kettenlader für bis zu 170 Halbzeuge ermöglicht das Be- und Entladen des Maschinenarbeitsraumes (Firma Schütte-Schleiftechnik GmbH, Köln).

Speziell für die Herstellung unterschiedlicher Gewinde an rotationssymmetrischen Bauteilen für den chirurgischen und medizinischen Bereich, beispielsweise Knochenschrauben, wurde eine Gewindewirbelmaschine gezeigt: Vorgedrehte Rohteile unterschiedlicher Länge werden nach der orientierten Zuführung durch einen Schwingförderer durch eine Lichtschranke vermessen. Das NC-Programm wird in Abhängigkeit für die aktuell zu bearbeitende Schraubenlänge angepasst, so dass Knochenschrauben von 10 bis 150 mm Länge in nicht geordneter Reihenfolge hergestellt werden können. Der Durchmesserbereich variiert von 2 bis 15 mm. Das Gewindewirbeln zeichnet sich durch unterschiedliche Schnitttiefen der einzelnen Schneiden aus. Hinzu kommt die exzentrische, entsprechend der Gewindesteigung angestellte Lage des Werkzeugs im Bezug zur Werkstückdrehachse. Geringe Prozesskräfte und kommaförmige Späne begünstigen die Bearbeitung rostfreier Edelstähle und Titanlegierungen mit einer hohen Prozesssicherheit. Damit können schädigungsfreie Bauteile hergestellt werden (Firma Leistritz Produktionstechnik GmbH, Nürnberg).


Diamant- und bornitridbasierte Werkzeuge ermöglichen es vielfach, die Prozesshauptzeiten bei der Zerspanung zu reduzieren. Um insbesondere in diese Schneidstoffe Spanbrecher und Spanleitstufen einbringen zu können, zeigte ein Hersteller ein Laserbearbeitungssystem, das in ein Bearbeitungszentrum integriert ist. Wahlweise können ein Faser-, Vanadat- oder ein alternativer Laser, der im Pikosekundenbereich arbeitet, dazu verwendet werden, aus Diamant- oder Bornitridrohlingen die Werkzeuggestalt herauszutrennen, Spanleitstufen zu erstellen und definierte Freiwinkel zu erzeugen. Der Pikosekundenlaser verspricht durch die hohe Pulsation eine niedrigere thermische Belastung im Randzonenbereich des Bauteils (Firma DMG Sauer GmbH, Stipshausen).

Filigrane Strukturen und kleine Werkstücke erfordern angepasste Werkzeuge. Für Chrom-Kobalt- oder titanbasierte Werkstoffe wurden Mikrowerkzeuge vorgestellt, die aus Feinst- und Ultrafeinstkornhartmetall bestehen und entsprechend des Anwendungsfalls im Bereich der Schneidkante präpariert werden. Ein Hersteller zeigte ein Werkzeug zum Einbringen von Mikrobohrungen mit dem Durchmesser von 50 µm. Ebenso wurden weitergehende Werkzeuge für die Kleinteilefertigung, zum Beispiel zum Vorwärts- und Rückwärtsentgraten oder zum Reiben, vorgestellt (Firma SPPW Spanabhebende Präzisionswerkzeuge GmbH, Lich).

Bei der Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe höherer Festigkeit, beispielsweise Titanlegierungen oder Nickelbasiswerkstoffe, bietet der Einsatz von Hochdruckkühlschmierstoffsystemen Vorteile bei der Werkzeugstandzeit und bei der Spanbruchkontrolle. Bisher wird der Kühlschmierstoffstrahl beim Drehen unter Einsatz der Hochdruckkühlschmierung über die Werkzeugspanfläche durch starre Zuführdüsen in der Spannpratze des Wendeschneidplattenhalters möglichst nah an die Wirkstelle zugeführt. Ein Werkzeughersteller zeigte nun einen angepassten Wendeschneidplattenhalter, der auch die gezielte Kühlung und Schmierung der Werkzeugfreifläche ermöglicht. Weiterhin ist die spanflächenseitige Zuführung durch verdrehbare und damit an den Prozess anpassbare Zuführdüsen optimiert worden (Firma Iscar Germany GmbH, Ettlingen).

Für das Einbringen von Tiefbohrungen in schwer zu zerspanende Stahlwerkstoffe wurde der Einsatz von Vollhartmetall-Einlippentiefbohrwerkzeugen gezeigt. Ein Hersteller präsentierte sie für den Durchmesserbereich von 0,7 bis 12 mm. Die Verwendung eines durchgängigen hartmetallbasierten Werkzeugaufbaus bietet im Vergleich zu konventionellen Einlippentiefbohrwerkzeugen höhere Werkzeugsteifigkeit und eine geringere Torsionsneigung. Im Vergleich zu wendelgenuteten Tiefbohrwerkzeugen können in Abhängigkeit vom Werkstoff höhere Vorschübe von bis zu f = 0,18 mm erreicht werden. Für größere Bohrungsdurchmesser von 15 bis 30 mm wurde ein Einlippentiefbohrwerkzeug mit auswechselbaren Wendeschneidplatten und Führungsleisten gezeigt. Je nach zu zerspanendem Werkstoff kann die Schneidstoffpaarung und das Führungsleistenmaterial ausgetauscht werden (Firma botek Präzisionsbohrtechnik GmbH, Riederich).


Praxistaugliche Messtechnik nutzt das gesamte Potenzial eines Fertigungssystems aus und stellt gleichzeitig die Produktqualität sicher. Es wurde ein Körperschallmesssystem, bestehend aus einem so genannten Accustic-Emmission-Sensor (AE-Sensor), einer Filtereinheit und einem Steuerungs- und Auswerte-PC präsentiert. Der in einem Stahlmantel gekapselte AE-Sensor ermöglicht die hochfrequente Prozessanalyse. In der Zerspanung kann damit beispielsweise der Zustand der Werkzeugschneide, scharf oder bereits verrundet, Prozess begleitend beurteilt werden. Auch beim Fügen von Bauteilen durch Schweißen oder in Umformvorgängen kann das System, beispielsweise zur Rissdetektion beim Biegerichten von Wellen, angewendet werden. Die bei der Rissentstehung auftretende Druckwelle wird messtechnisch erfasst. Produktionsbedingte Nebengeräusche werden laut Hersteller in der Regel ausgeblendet, da die Zustandsüberwachung bei Frequenzen zwischen 40 kHz und 100 MHz stattfindet (Firma Qass GmbH, Wetter).

Ein weiteres ausgestelltes System zur 100-Prozent-Überwachung der Werkstückqualität arbeitet mit dem Streulichtverfahren. Die LED-Lichtquelle sendet monochromatisches Licht auf eine Oberfläche. Durch die Erfassung und Quantifizierung der Streulichtverteilung können Formabweichungen wie Rundheit und Welligkeit oder Oberflächendefekte in Form von Mikrorissen erfasst werden. Das abstandsunabhängige Verfahren arbeitet mit einer Abtastrate von 2 kHz. Es eignet sich für alle reflektierenden Oberflächen und ist durch den VDA genormt. Das Verfahren wird bereits zur Überwachung der Werkstückqualität bei der Herstellung von Zahnstangen, Kurbelwellen oder in Rollier- und Polierprozessen eingesetzt (Firma Optosurf GmbH, Ettlingen)


Bereits heute liegen die Energiekosten bei ca. 6 Prozent der Gesamtkosten eines Unternehmens (IHK Baden-Württemberg, Karlsruhe). Waren in der Vergangenheit insbesondere hohe Rohstoff- und Materialkosten ein signifikanter Kostentreiber in der Produktion, so wird mit einem Anteil von ca. 21 Prozent an den Betriebskosten einer Werkzeugmaschine deutlich, dass energiesparsame Produktionsprozesse immer notwendiger werden (Institut für Produktionsmanagement, Darmstadt).

Das Symposium "Die energieeffiziente Werkzeugmaschine" und die Blue Competence-Initiative des VDW zeigten im Rahmen der METAV 2010 auf, dass sich die Hersteller von Werkzeugmaschinen und Fertigungssystemen intensiv mit der Thematik beschäftigen. Die Eigeninitiative der Branche zielt darauf ab, die EuP-Richtlinie mit einem Selbstregulierungskonzept zu erfüllen. Sie gibt den Herstellern Handlungsspielräume und zeigt sogar Wachstumsmärkte durch die Bereitstellung neuer Technologien auf. Bereits heute sind herstellerseitig erste Komponenten und Funktionsmodule zur Energieeinsparung in der Produktionstechnik verfügbar. Durch die komplexe Verkettung von Produktionseinheiten beim Anwender bedarf es eines intelligenten Zusammenspiels der einzelnen Bestandteile des Fertigungssystems. Damit kann der Energiebedarf situationsabhängig reduziert werden. Ein einfaches Ausschalten einzelner Systeme, um die Grundlast zu verringern, kann daher im Rahmen der erwünschten Systemverfügbarkeit, beispielsweise durch verschiedene Stand-by-Modi, realisiert werden. Die Vorträge verschiedener Referenten verdeutlichten, dass die Energieeffizienz bestehender Fertigungssysteme iterativ erhöht werden kann: Einen Kreislauf aus Energieverbräuchen visualisieren, Komponenten mit dem Potenzial für Energieeinsparungen identifizieren und gezielte Anpassung dieser Systembestandteile.

In den Messehallen zeigten einige Hersteller von Werkzeugmaschinen und Funktionsmodulen Produkte, in denen bereits angepasste Aggregate Energie einsparen. Rückspeisefähige Spindel- und Achsmotoren mit einem Wirkungsgrad von bis zu 96 Prozent führen die Bremsenergie in Speicher. Sie stehen für nachfolgende Verfahrbewegungen bereit oder werden bei Nichtnutzung in das Netz zurückgespeist. Hydraulikaggregate können im Speicherladebetrieb mit angepassten Ventilen und einer Leistungsaufnahme von 8 W betrieben werden.

Ein Hersteller von Pumpensystemen stellte eine Schraubenspindelpumpe kombiniert mit einem Frequenzumrichter vor. Sie ist je nach Anwendung hinsichtlich des Fördervolumens steuerbar. Der Betriebspunkt kann damit an variable Verbraucher angepasst werden. Eine Software unterstützt die Berechnung des Druckverlustes in Abhängigkeit vom Aufbau und der Struktur des Pumpen- und Rohrleitungssystems, um etwaige Reibungsverluste zu quantifizieren (Firma Brinkmann Pumpen K.H. Brinkmann GmbH & Co. KG, Werdohl).

Im Bereich der Spannmittel wurde von einem Hersteller ein Leichtbau-Spannfutter aus Carbon gezeigt, das neben der geringeren Masse erhöhte Festigkeits- und Steifigkeitswerte aufweist. Durch das geringere rotatorische Massenträgheitsmoment ergibt sich ein verbessertes Beschleunigungs- und Bremsvermögen, so dass die Arbeitsdrehzahl einer Spindel um bis zu 30 Prozent schneller erreicht wird (Firma Hainbuch Spanende Technik GmbH, Marbach).

Nachdem spindelseitig zuletzt ein rein elektromechanisch arbeitendes Spannsystem vorgestellt wurde, stellte ein Hersteller einen Werkzeugrevolver für Drehmaschinen vor, der auf den Einsatz von Hydraulik verzichtet. Über einen Elektromotor im Zentrum des Revolvers werden das Einschwenken und das Antreiben von Werkzeugen mit einer Drehzahl von bis zu 10 000 min-1 ermöglicht, wobei die Höchstdrehzahl in 0,35 s erreicht wird. Bei einer Einschaltdauer von 100 Prozent steht eine maximale Leistung von 13 kW zur Verfügung, das Drehmoment beträgt 30 Nm. Der Verzicht auf ein Knickgetriebe ermöglicht eine kompakte Bauweise (Firma Sauter Feinmechanik GmbH, Metzingen).

Die Mehrkosten bei der Maschineninvestition für den Einsatz energiesparender und energieeffizienter Systeme rechnen sich über die geringeren Betriebskosten eines Fertigungssystems bereits in kurzer Zeit. So besteht bei den Dichtungen der Werkzeugspindel durch den Einsatz einer Fettnachschmierung im Vergleich zur Öl-Luft-Schmierung die Möglichkeit, die Betriebskosten für die Schmierung auf 0 Euro pro Jahr zu reduzieren. Das trifft ebenso für die Verwendung von Bürstendichtungen im Vergleich zu Sperrluftsystemen zu.


Die Rahmenveranstaltung "Produktionstechnik auf dem Weg zur Elektromobilität" des Clusters ProduktionNRW bot auf der METAV 2010 einen umfassenden Einblick in die Herausforderungen, Potenziale und Chancen bei der Herstellung von Automobilen mit Elektroantrieb. Fachvorträge zeigten aus verschiedenen Blickwinkeln auf, wie sich die derzeitige Antriebstechnik und ein Fahrzeugkonzept zukünftig verändern werden und welche Einflüsse und Anforderungen auf die etablierte Produktionstechnik im Automobilbau und der Automotive-Industrie zu erwarten sind.

Aus heutiger Sicht werden in den nächsten Jahren Mikro-, Mild- und Voll-Hybrid-Kraftfahrzeuge den Markt dominieren. Das bestätigen die derzeitigen Anstrengungen der Entwicklungsabteilungen der Automobilhersteller. Die vielfältigen Kombinations- und Integrationsmöglichkeiten von Verbrennungs- und Elektromotor in anteilig unterschiedlicher Gewichtung wird zunächst im Vordergrund stehen. Die vorhandene Batterietechnologie beschränkt den universellen Alltagsgebrauch reiner E-Fahrzeuge derzeit noch. Die Hersteller von Produktionsmitteln können durch die Bereitstellung ihres Fertigungs-Know-hows die optimale Verkettung der Antriebskonzepte unterstützen. Solange der Verbrennungsmotor Bestandteil des Motorenkonzepts ist, werden auch die zukünftigen Weiterentwicklungen aller Motorenkomponenten (höhere Kraftstoffeinspritzdrücke und Verbrennungstemperaturen, Einsatz höher- und hochfester Werkstoffe, tribologische Aspekte, im speziellen Reibungsminimierung und gezielte Randzonenbeeinflussung, Leichtbau, etc.) die technologische und wirtschaftliche Expertise von Werkzeugmaschinen-, Werkzeug- und Zubehörherstellern fordern.

Der weltweite Marktanteil von ausschließlich elektrisch angetriebenen Fahrzeugen wird im Jahr 2020 auf ca. 10 Prozent geschätzt. Dabei handelt es sich überwiegend um viertürige Kleinwagen mit einer Reichweite von 200 km. Bereits heute werden reine E-Fahrzeuge erfolgreich von Kommunen eingesetzt, solange sie für den Anwendungsfall speziell dimensioniert und gefertigt werden. Zukünftig wird China als großer Produzent in diesem Marktsegment gehandelt. Die Eigenschaften und der Nutzen eines E-Fahrzeugs hängen von verschiedenen Faktoren ab. Die Kosten für die Batterie werden 50 Prozent der Herstellkosten eines Fahrzeugs ausmachen. Um die Akzeptanz von Batterie getriebenen Fahrzeugen zu steigern, sind viele Fragen zu beantworten: Beispielsweise die Massenselektion und Charakterisierung geeigneter Zellen, thermisches Management durch gezieltes Kühlen, elektrische Sicherheit bei Unfällen sowie die flächendeckende Bereitstellung von Lade- und Recyclingstationen. Da sich auch die Wirtschaft wandelt, muss Strom, der mit regenerativen Systemen und Kraftwerken erzeugt wird, auch den zusätzlichen Bedarf für E-Fahrzeuge decken.


Das vom Institut für Spanende Fertigung der Technischen Universität Dortmund im Rahmen der METAV 2010 durchgeführte Schleifseminar präsentierte aktuelle Weiterentwicklungen aus der Schleiftechnik. Verschiedene Fachvorträge aus der Industrie stellten heraus, dass die Anbieter von Maschinen zur Oberflächenfeinbearbeitung verschiedene Fertigungsverfahren in einer Maschine integrieren und damit Komplettlösungen anbieten.

Beispielhaft wurde eine Werkzeugmaschine zur Kombinationsbearbeitung vorgestellt. Drehen, Außenrundschleifen und das neu entwickelte Innenrundschälschleifen waren integriert. Letzteres ist für die Innen- und Stirnseitenbearbeitung mit hohen Zeitspanvolumina bei gleichzeitig hoher Oberflächengüte entwickelt worden. Für die Anwender mehrachsiger Werkzeugmaschinen ist auch beim Schleifen die Programmierunterstützung sehr wichtig, um die Potenziale des Systems ausnutzen zu können. Die Integration von Zusatzfunktionen in eine Fertigungszelle, z.B. Messtechnik, Reinigung oder Zusatzbearbeitung wie Entrat- oder Bürstverfahren, ist in der Großserienfertigung eine Anforderung, um Werkstücke wirtschaftlich zu bearbeiten. Die Realisierung niedriger Maschinenanschaffungskosten ist dabei nicht immer Ziel führend. Vielmehr müssen die Total Costs of Ownership bei der Maschinenauswahl berücksichtigt werden.

Gleiches gilt auch für die in Schleifprozessen verwendete Peripherie. Am Beispiel vom Kühlschmierstoff wurde ein Fluid auf Wasserbasis vorgestellt, das in einem Anwendungsfall zum Tiefschleifen von Hartmetallwerkzeugen verwendet werden kann. Das Kühlschmierkonzept zeichnet sich durch den Verzicht auf mineralölhaltige Bestandteile aus und kann in seiner Viskosität an den Prozess angepasst werden. Trotz der Mehrkosten für den Kühlschmierstoff ergeben sich Kostenvorteile durch den Wegfall von Brandschutzeinrichtungen, eine einfachere Teilereinigung und die Möglichkeit, deutlich größere Zeitspanvolumina im Vergleich zu öl-basiertem Kühlschmierstoff zu realisieren.

Fazit
Mit einem breiten Angebot aktueller Produkte und Neuheiten für die Fertigungstechnik konnte die METAV 2010 auf dem Messegelände Düsseldorf die Besucher beeindrucken. Werkzeugmaschinenhersteller zeigten Maschinen zur Komplettbearbeitung von Werkstücken durch eine 5-achsige Bearbeitung oder den Einsatz von Kombinationsmaschinen. Werkzeughersteller präsentierten eine breite Produktpalette für die Bearbeitung anspruchsvoller Werkstoffe und kleinster Strukturen. In den Rahmenveranstaltungen wurden u.a. die Herstellung medizintechnischer Produkte, energiesparende Werkzeugmaschinen und Komponenten, Elektroantriebe in der Automobilindustrie sowie die neusten Entwicklungen in der Schleiftechnik vertieft und konnten so den Messebesuch bereichern.

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