Welche Vorteile bietet das Bearbeitungszentrum für Mineralguss-Marmorbetten?

Welche Vorteile bietet das Bearbeitungszentrum für Mineralguss-Marmorbetten?
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.