Epoxidgranit, auch bekannt als Kunstgranit, ist eine Mischung aus Epoxidharz und Granit, die häufig als alternatives Material für Werkzeugmaschinengestelle verwendet wird. Anstelle von Gusseisen und Stahl bietet Epoxidgranit eine bessere Schwingungsdämpfung, längere Werkzeugstandzeiten und geringere Montagekosten.
Werkzeugmaschinenbasis
Werkzeugmaschinen und andere Hochpräzisionsmaschinen benötigen für ihre statische und dynamische Leistungsfähigkeit ein Grundmaterial mit hoher Steifigkeit, Langzeitstabilität und ausgezeichneten Dämpfungseigenschaften. Die gängigsten Werkstoffe für diese Konstruktionen sind Gusseisen, geschweißte Stahlkonstruktionen und Naturgranit. Aufgrund mangelnder Langzeitstabilität und sehr schlechter Dämpfungseigenschaften werden Stahlkonstruktionen selten dort eingesetzt, wo hohe Präzision gefordert ist. Hochwertiges, spannungsarmgeglühtes Gusseisen verleiht der Konstruktion Formstabilität und ermöglicht das Gießen komplexer Formen, erfordert jedoch nach dem Gießen eine aufwändige Nachbearbeitung zur Herstellung präziser Oberflächen.
Hochwertiger Naturgranit wird immer seltener, besitzt aber eine höhere Dämpfungskapazität als Gusseisen. Wie bei Gusseisen ist auch die Bearbeitung von Naturgranit arbeitsintensiv und teuer.
Präzisions-Granitgussteile werden hergestellt, indem Granitaggregate (die zerkleinert, gewaschen und getrocknet werden) mit einem Epoxidharzsystem bei Umgebungstemperatur vermischt werden (d. h. Kalthärtung). Quarzaggregate können ebenfalls als Füllstoff verwendet werden. Durch Vibrationsverdichtung während des Formprozesses werden die Aggregate fest miteinander verbunden.
Gewindeeinsätze, Stahlplatten und Kühlmittelleitungen können im Gießprozess integriert werden. Für noch mehr Flexibilität lassen sich Linearführungen, geschliffene Gleitbahnen und Motorhalterungen nachbilden oder eingießen, wodurch eine Nachbearbeitung entfällt. Die Oberflächengüte des Gussteils entspricht der der Formoberfläche.
Vor- und Nachteile
Zu den Vorteilen gehören:
■ Schwingungsdämpfung.
■ Flexibilität: Kundenspezifische Linearführungen, Hydraulikflüssigkeitstanks, Gewindeeinsätze, Schneidflüssigkeit und Leitungsrohre können alle in die Polymerbasis integriert werden.
■ Durch den Einsatz von Einsätzen etc. kann die Nachbearbeitung des fertigen Gussteils erheblich reduziert werden.
■ Die Montagezeit wird durch die Integration mehrerer Komponenten in ein einziges Gussteil verkürzt.
■ Erfordert keine einheitliche Wandstärke, was eine größere gestalterische Flexibilität Ihres Sockels ermöglicht.
■ Chemische Beständigkeit gegenüber den meisten gängigen Lösungsmitteln, Säuren, Laugen und Kühlschmierstoffen.
■ Kein Anstrich erforderlich.
■Der Verbundwerkstoff hat eine Dichte, die in etwa der von Aluminium entspricht (die Teile sind jedoch dicker, um eine gleichwertige Festigkeit zu erreichen).
■ Das Gießverfahren für Verbundpolymerbeton benötigt deutlich weniger Energie als Metallguss. Polymergießharze lassen sich mit sehr geringem Energieaufwand herstellen, und der Gießprozess erfolgt bei Raumtemperatur.
Epoxid-Granit weist einen bis zu zehnmal besseren inneren Dämpfungsfaktor als Gusseisen, einen bis zu dreimal besseren als natürlicher Granit und einen bis zu dreißigmal besseren als Stahlkonstruktionen auf. Es ist unempfindlich gegenüber Kühlmitteln, zeichnet sich durch hervorragende Langzeitstabilität, verbesserte thermische Stabilität, hohe Torsions- und dynamische Steifigkeit, ausgezeichnete Schallabsorption und vernachlässigbare innere Spannungen aus.
Zu den Nachteilen zählen die geringe Festigkeit bei dünnen Querschnitten (weniger als 1 Zoll (25 mm)), die geringe Zugfestigkeit und die geringe Stoßfestigkeit.
Eine Einführung in Mineralgussrahmen
Mineralguss zählt zu den effizientesten und modernsten Konstruktionswerkstoffen. Hersteller von Präzisionsmaschinen gehörten zu den Pionieren in der Anwendung dieses Verfahrens. Heute findet es zunehmend Verwendung bei CNC-Fräsmaschinen, Bohrmaschinen, Schleifmaschinen und Funkenerosionsmaschinen, und seine Vorteile beschränken sich nicht nur auf Hochgeschwindigkeitsmaschinen.
Mineralguss, auch als Epoxid-Granit-Material bekannt, besteht aus mineralischen Füllstoffen wie Kies, Quarzsand, Gletschermehl und Bindemitteln. Das Material wird nach genauen Vorgaben gemischt und kalt in die Formen gegossen. Ein solides Fundament ist die Grundlage für den Erfolg!
Modernste Werkzeugmaschinen müssen immer schneller laufen und präziser arbeiten als je zuvor. Hohe Verfahrgeschwindigkeiten und die Bearbeitung unter hoher Belastung führen jedoch zu unerwünschten Vibrationen des Maschinengestells. Diese Vibrationen beeinträchtigen die Werkstückoberfläche und verkürzen die Werkzeugstandzeit. Gestelle aus Mineralguss reduzieren Vibrationen deutlich – etwa sechsmal schneller als Gusseisen- und zehnmal schneller als Stahlgestelle.
Werkzeugmaschinen mit Mineralgussbetten, wie Fräsmaschinen und Schleifmaschinen, arbeiten deutlich präziser und erzielen eine bessere Oberflächenqualität. Zudem wird der Werkzeugverschleiß erheblich reduziert und die Standzeit verlängert.
Die Gussform aus mineralischem Verbundwerkstoff (Epoxid-Granit) bietet mehrere Vorteile:
- Formgebung und Festigkeit: Das Mineralgussverfahren bietet eine außergewöhnliche Gestaltungsfreiheit für die Bauteile. Die spezifischen Eigenschaften des Materials und des Verfahrens führen zu einer vergleichsweise hohen Festigkeit und einem deutlich geringeren Gewicht.
- Integration der Infrastruktur: Das Mineralgussverfahren ermöglicht die einfache Integration der Struktur und zusätzlicher Komponenten wie Führungsschienen, Gewindeeinsätze und Anschlüsse für Versorgungsleitungen während des eigentlichen Gießvorgangs.
- Die Herstellung komplexer Maschinenstrukturen: Was mit herkömmlichen Verfahren undenkbar wäre, wird durch Mineralguss möglich: Mehrere Bauteile können mittels geklebter Verbindungen zu komplexen Strukturen zusammengefügt werden.
- Wirtschaftliche Maßgenauigkeit: Mineralgussteile werden in vielen Fällen direkt auf die Endmaße gegossen, da beim Aushärten praktisch keine Schrumpfung auftritt. Dadurch können weitere, teure Nachbearbeitungsprozesse entfallen.
- Präzision: Durch weitere Schleif-, Umform- oder Fräsbearbeitungen werden hochpräzise Bezugs- oder Auflageflächen erzielt. Dadurch lassen sich viele Maschinenkonzepte elegant und effizient umsetzen.
- Gute thermische Stabilität: Mineralguss reagiert aufgrund seiner deutlich geringeren Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu metallischen Werkstoffen sehr langsam auf Temperaturänderungen. Daher haben kurzfristige Temperaturänderungen einen wesentlich geringeren Einfluss auf die Maßgenauigkeit der Werkzeugmaschine. Eine höhere thermische Stabilität des Maschinenbetts trägt dazu bei, dass die Gesamtgeometrie der Maschine besser erhalten bleibt und somit geometrische Fehler minimiert werden.
- Keine Korrosion: Mineralgegossene Bauteile sind beständig gegen Öle, Kühlmittel und andere aggressive Flüssigkeiten.
- Höhere Schwingungsdämpfung für längere Werkzeugstandzeiten: Unser Mineralguss erzielt bis zu 10-mal bessere Schwingungsdämpfungswerte als Stahl oder Gusseisen. Dank dieser Eigenschaften wird eine extrem hohe dynamische Stabilität der Maschinenstruktur erreicht. Die Vorteile für Werkzeugmaschinenhersteller und -anwender liegen auf der Hand: bessere Oberflächenqualität der bearbeiteten oder geschliffenen Bauteile und längere Werkzeugstandzeiten, was zu geringeren Werkzeugkosten führt.
- Umwelt: Die Umweltbelastung während der Herstellung wird reduziert.
Rahmen aus Mineralguss im Vergleich zu einem Gusseisenrahmen
Nachfolgend die Vorteile unseres neuen Mineralguss-Systems gegenüber dem zuvor verwendeten Gusseisenrahmen:
| Mineralguss (Epoxid-Granit) | Gusseisen | |
| Dämpfung | Hoch | Niedrig |
| Wärmeleistung | Geringe Wärmeleitfähigkeit und hochspezialisierte Wärme Kapazität | Hohe Wärmeleitfähigkeit und niedrige Wärmekapazität |
| Eingebettete Teile | Unbegrenztes Design und Einteilige Form und nahtlose Verbindung | Bearbeitung erforderlich |
| Korrosionsbeständigkeit | Extra hoch | Niedrig |
| Umwelt Freundlichkeit | Geringer Energieverbrauch | Hoher Energieverbrauch |
Abschluss
Mineralguss ist ideal für unsere CNC-Maschinenrahmen. Er bietet klare technologische, wirtschaftliche und ökologische Vorteile. Die Mineralgusstechnologie zeichnet sich durch hervorragende Schwingungsdämpfung, hohe chemische Beständigkeit und signifikante thermische Vorteile (ähnliche Wärmeausdehnung wie Stahl) aus. Verbindungselemente, Kabel, Sensoren und Messsysteme können vollständig in die Baugruppe integriert werden.
Welche Vorteile bietet das Bearbeitungszentrum für Mineralguss mit Granitbett?
Mineralguss (künstlicher Granit, auch Harzbeton genannt) ist in der Werkzeugmaschinenindustrie seit über 30 Jahren als Konstruktionswerkstoff weithin anerkannt.
Statistiken zufolge verwendet in Europa jede zehnte Werkzeugmaschine ein Maschinenbett aus Mineralguss. Unzureichende Erfahrungswerte sowie unvollständige oder falsche Informationen können jedoch zu Misstrauen und Vorurteilen gegenüber Mineralguss führen. Daher ist es bei der Entwicklung neuer Maschinen unerlässlich, die Vor- und Nachteile von Mineralguss zu analysieren und mit anderen Werkstoffen zu vergleichen.
Die Basis von Baumaschinen lässt sich im Allgemeinen in Gusseisen, Mineralguss (Polymer- und/oder Reaktionsbeton), Stahl-/Schweißkonstruktionen (mit/ohne Verpressung) und Naturstein (z. B. Granit) unterteilen. Jedes Material besitzt seine spezifischen Eigenschaften, und es gibt kein perfektes Baumaterial. Nur durch die Abwägung der Vor- und Nachteile der einzelnen Materialien unter Berücksichtigung der jeweiligen baulichen Anforderungen lässt sich das ideale Baumaterial auswählen.
Die beiden wichtigen Funktionen von Strukturmaterialien – die Gewährleistung der Geometrie, Position und Energieabsorption von Bauteilen – stellen Leistungsanforderungen (statische, dynamische und thermische Leistung), funktionale/strukturelle Anforderungen (Genauigkeit, Gewicht, Wandstärke, einfache Führung von Schienen) für die Materialinstallation, das Medienkreislaufsystem, die Logistik) und Kostenanforderungen (Preis, Menge, Verfügbarkeit, Systemeigenschaften).
I. Leistungsanforderungen an Baustoffe
1. Statische Eigenschaften
Das Kriterium zur Messung der statischen Eigenschaften eines Untergrunds ist üblicherweise die Steifigkeit des Materials – minimale Verformung unter Last – und nicht die hohe Festigkeit. Bei statischer elastischer Verformung können Mineralgussteile als isotrope, homogene Materialien betrachtet werden, die dem Hookeschen Gesetz gehorchen.
Die Dichte und der Elastizitätsmodul von Mineralgussteilen betragen jeweils ein Drittel der Werte von Gusseisen. Da Mineralgussteile und Gusseisen bei gleichem Gewicht die gleiche spezifische Steifigkeit aufweisen, ist die Steifigkeit von Gusseisen- und Mineralgussteilen unabhängig von der Formgebung identisch. In vielen Fällen ist die Wandstärke von Mineralgussteilen üblicherweise dreimal so hoch wie die von Gusseisen, ohne dass dies die mechanischen Eigenschaften des Produkts oder Gussteils beeinträchtigt. Mineralgussteile eignen sich für den Einsatz in statischen, druckbeaufschlagten Umgebungen (z. B. für Betten, Stützen, Säulen) und sind weniger geeignet für dünnwandige und/oder kleine Rahmen (z. B. für Tische, Paletten, Werkzeugwechsler, Schlitten, Spindelhalterungen). Das Gewicht von Bauteilen ist in der Regel durch die Anlagen der Mineralgusshersteller begrenzt, und Mineralgussprodukte mit einem Gewicht von über 15 Tonnen sind eher selten.
2. Dynamische Eigenschaften
Je höher die Drehzahl und/oder Beschleunigung der Welle, desto wichtiger ist das dynamische Verhalten der Maschine. Schnelles Positionieren, schneller Werkzeugwechsel und hoher Vorschub verstärken kontinuierlich die mechanische Resonanz und die dynamische Anregung der Maschinenteile. Neben der Dimensionierung des Bauteils werden dessen Durchbiegung, Massenverteilung und dynamische Steifigkeit maßgeblich von den Dämpfungseigenschaften des Materials beeinflusst.
Die Verwendung von Mineralguss bietet eine gute Lösung für diese Probleme. Da er Vibrationen zehnmal besser absorbiert als herkömmliches Gusseisen, kann er Amplitude und Eigenfrequenz deutlich reduzieren.
Bei Bearbeitungsprozessen wie der Zerspanung ermöglicht es höhere Präzision, bessere Oberflächenqualität und längere Werkzeugstandzeiten. Gleichzeitig schnitten die Mineralgussteile hinsichtlich der Geräuschentwicklung gut ab, wie der Vergleich und die Überprüfung von Grund-, Getriebe- und Zubehörteilen aus verschiedenen Materialien für Großmotoren und Zentrifugen ergab. Laut der Impulsschallanalyse kann mit Mineralguss eine lokale Reduzierung des Schalldruckpegels um 20 % erreicht werden.
3. Thermische Eigenschaften
Experten schätzen, dass etwa 80 % der Abweichungen von Werkzeugmaschinen auf thermische Effekte zurückzuführen sind. Prozessunterbrechungen wie interne oder externe Wärmequellen, Vorwärmen, Werkstückwechsel usw. führen zu thermischer Verformung. Um das optimale Material auszuwählen, müssen die Materialanforderungen klar definiert werden. Mineralgussteile weisen aufgrund ihrer hohen spezifischen Wärmekapazität und geringen Wärmeleitfähigkeit eine gute thermische Trägheit gegenüber kurzzeitigen Temperatureinflüssen (z. B. Werkstückwechsel) und Umgebungstemperaturschwankungen auf. Ist ein schnelles Vorwärmen erforderlich, wie beispielsweise bei einem Metallbett, oder darf die Betttemperatur nicht erhöht werden, können Heiz- oder Kühlvorrichtungen direkt in das Mineralgussteil integriert werden, um die Temperatur zu regeln. Der Einsatz solcher Temperaturkompensationsvorrichtungen reduziert die durch Temperatureinflüsse verursachte Verformung und trägt so zu einer höheren Genauigkeit bei – und das zu einem vernünftigen Preis.
II. Funktionale und strukturelle Anforderungen
Die hohe Festigkeit ist ein charakteristisches Merkmal, das Mineralguss von anderen Werkstoffen unterscheidet. Die maximale Gießtemperatur für Mineralguss beträgt 45 °C, und in Verbindung mit hochpräzisen Formen und Werkzeugen können Teile und Mineralgussteile gleichzeitig gegossen werden.
Moderne Umformverfahren können auch bei Mineralgussrohlingen angewendet werden, wodurch präzise Montage- und Schienenoberflächen entstehen, die keiner Nachbearbeitung bedürfen. Wie andere Basismaterialien unterliegen auch Mineralgussteile spezifischen Konstruktionsregeln. Wandstärke, tragende Elemente, Rippeneinsätze sowie Be- und Entlademethoden unterscheiden sich in gewissem Maße von anderen Materialien und müssen bereits in der Konstruktionsphase berücksichtigt werden.
III. Kostenanforderungen
Obwohl die technische Seite des Verfahrens von Bedeutung ist, gewinnt die Wirtschaftlichkeit zunehmend an Bedeutung. Der Einsatz von Mineralguss ermöglicht es Ingenieuren, Produktions- und Betriebskosten erheblich zu senken. Neben den reduzierten Bearbeitungskosten verringern sich auch die Kosten für Guss, Endmontage und Logistik (Lagerung und Transport). Angesichts der hohen Funktionalität von Mineralguss sollte das Projekt als Ganzes betrachtet werden. Ein Preisvergleich ist daher sinnvoller, wenn das Fundament bereits installiert oder vorinstalliert ist. Die anfänglich relativ hohen Kosten ergeben sich aus den Kosten für die Mineralgussformen und Werkzeuge. Diese Kosten amortisieren sich jedoch bei langfristiger Nutzung (500–1000 Stück pro Stahlform), und der jährliche Verbrauch liegt bei etwa 10–15 Stück.
IV. Anwendungsbereich
Als Konstruktionswerkstoff ersetzen Mineralgussteile zunehmend traditionelle Werkstoffe. Der Schlüssel zu ihrer rasanten Entwicklung liegt in der Mineralgusstechnik, den Gussformen und den stabilen Verbindungsstrukturen. Mineralgussteile finden heute breite Anwendung in vielen Bereichen des Werkzeugmaschinenbaus, beispielsweise bei Schleifmaschinen und in der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Hersteller von Schleifmaschinen gehören zu den Pionieren im Werkzeugmaschinenbau und verwenden Mineralgussteile für Maschinenbetten. So profitieren beispielsweise weltbekannte Unternehmen wie ABA z&b, Bahmler, Jung, Mikrosa, Schaudt und Stude seit jeher von der Dämpfung, der thermischen Trägheit und der Festigkeit von Mineralgussteilen, um beim Schleifen höchste Präzision und exzellente Oberflächenqualität zu erzielen.
Angesichts der stetig steigenden dynamischen Belastungen werden Mineralgussbetten auch von weltweit führenden Unternehmen im Bereich der Werkzeugschleifmaschinen immer häufiger eingesetzt. Das Mineralgussbett zeichnet sich durch eine hervorragende Steifigkeit aus und kann die durch die Beschleunigung des Linearmotors entstehenden Kräfte effektiv absorbieren. Gleichzeitig verbessert die optimale Kombination aus guter Vibrationsdämpfung und Linearmotor die Oberflächenqualität des Werkstücks und die Standzeit der Schleifscheibe erheblich.
Was das Einzelteil betrifft: Längen bis zu 10000 mm sind für uns problemlos möglich.
Was ist die minimale Wandstärke?
Im Allgemeinen sollte die Mindestwandstärke des Maschinenfundaments mindestens 60 mm betragen. Dünnere Wandstärken (z. B. 10 mm) können mit feinen Zuschlagstoffen und Mischungsverhältnissen hergestellt werden.
Die Schwindungsrate nach dem Gießen beträgt etwa 0,1–0,3 mm pro 1000 mm. Wenn präzisere mechanische Teile aus Mineralguss benötigt werden, können die Toleranzen durch nachträgliches CNC-Schleifen, Handläppen oder andere Bearbeitungsverfahren erreicht werden.
Für unsere Mineralgussarbeiten verwenden wir ausschließlich natürlichen Jinan-Schwarzgranit. Die meisten Unternehmen greifen im Hochbau lediglich auf gewöhnlichen Naturgranit oder Naturstein zurück.
• Rohstoffe: mit den einzigartigen Jinan Black Granite (auch 'JinanQing'-Granit genannt) Partikeln als Zuschlagstoff, der weltweit für seine hohe Festigkeit, hohe Steifigkeit und hohe Verschleißfestigkeit bekannt ist;
• Formel: mit einzigartigen verstärkten Epoxidharzen und Additiven, verschiedene Komponenten mit unterschiedlichen Formulierungen, um eine optimale Gesamtleistung zu gewährleisten;
• Mechanische Eigenschaften: Die Schwingungsdämpfung ist etwa 10-mal so hoch wie bei Gusseisen, gute statische und dynamische Eigenschaften;
• Physikalische Eigenschaften: Dichte etwa 1/3 der von Gusseisen, höhere Wärmedämmeigenschaften als Metalle, nicht hygroskopisch, gute thermische Stabilität;
• Chemische Eigenschaften: höhere Korrosionsbeständigkeit als Metalle, umweltfreundlich;
• Maßgenauigkeit: Die lineare Kontraktion nach dem Gießen beträgt etwa 0,1-0,3 mm/m, extrem hohe Form- und Gegengenauigkeit in allen Ebenen;
• Strukturelle Integrität: Es können sehr komplexe Strukturen gegossen werden, während die Verwendung von natürlichem Granit in der Regel Montage, Spleißen und Verbinden erfordert;
• Langsame thermische Reaktion: reagiert auf kurzfristige Temperaturänderungen viel langsamer und in viel geringerem Maße;
• Eingebaute Einsätze: Befestigungselemente, Rohre, Kabel und Kammern können in die Struktur eingebaut werden; als Einbaumaterialien kommen unter anderem Metall, Stein, Keramik und Kunststoff zum Einsatz.