Kern: Cemec erreicht mit Kern Micro HD höchs­te Prä­zi­si­on für extre­me Anwendungsfälle

Kern: Cemec erreicht mit Kern Micro HD höchs­te Prä­zi­si­on für extre­me Anwendungsfälle

Das Unter­neh­men Cemec Intel­li­gen­te Mecha­nik kann mit sei­ner Hig­hend-Ent­wick­lung und ‑Pro­duk­ti­on auch anspruchs­volls­te Auf­trag­ge­ber aus unter­schied­lichs­ten Bran­che über­zeu­gen. Auch Unter­neh­men in der Luft- und Raum­fahrt­in­dus­trie schät­zen die Fähig­kei­ten des Ent­wick­lungs- und Pro­duk­ti­ons­dienst­leis­ters aus der mit­tel­fän­ki­schen Ort­schaft Spalt. Mit einem 5‑Achs-Bear­bei­tungs­zen­trum Micro HD von Kern Micro­tech­nik hat das Unter­neh­men zudem nun die Gren­zen des Mach­ba­ren deut­lich erwei­tern kön­nen. Jetzt kön­nen die Fräs­ex­per­ten auch schwie­rigs­te Mate­ria­li­en mit repro­du­zier­ba­rer Prä­zi­si­on im Sub-µm-Bereich zerspanen.

Cemec setzt für höchste Präzision auf eine Kern Micro HD. Auf geringer Stellfläche vereint das 5-Achs-Bearbeitungszentrum höchste Präzision und Effizienz. - Bild: Kern Microtechnik
Cemec setzt für höchs­te Prä­zi­si­on auf eine Kern Micro HD. Auf gerin­ger Stell­flä­che ver­eint das 5‑Achs-Bear­bei­tungs­zen­trum höchs­te Prä­zi­si­on und Effi­zi­enz. – Bild: Kern Microtechnik

Die Luft- und Raum­fahrt­in­dus­trie ist eine der Haupt­bran­chen, für die die Mit­ar­bei­ter des Unter­neh­mens Hig­hend-Pro­duk­te ent­wi­ckeln und mit maxi­ma­ler Prä­zi­si­on fer­ti­gen. Um opti­ma­le Lösun­gen zu fin­den und Pro­duk­te zu ermög­li­chen, die zuvor als nicht her­stell­bar gal­ten, set­zen die Prä­zi­si­ons­spe­zia­lis­ten auf Hig­hend-Maschi­nen. So ist seit 2019 auch ein 5‑Achs-Bear­bei­tungs­zen­trum Micro HD des Maschi­nen­bau­ers Kern Micro­tech­nik Im Ein­satz. Damit erreicht Cemec ein hohes Maß an Prä­zi­si­on und Repro­du­zier­bar­keit. Auch bei grö­ße­ren Volu­mi­na. Das Unter­neh­men fer­tigt bis­lang meist Klein­se­ri­en. Die Tole­ran­zen lie­gen oft bei weni­gen µm, teil­wei­se auch bei eini­gen hun­dert nm. Und die müs­sen sicher und zudem auch repro­du­zier­bar ein­ge­hal­ten werden.

Cemec setzt für höchs­te Prä­zi­si­on auf Kern Micro HD

Ent­wick­lung und Pro­duk­ti­on sind eng ver­zahnt. Nach Mei­nung der Ver­ant­wort­li­chen gera­de bei hohen Prä­zi­si­ons­an­for­de­run­gen uner­läss­lich. So hat sich Cemec einen Ruf als Pro­blem­lö­ser für schein­bar Unmög­li­ches geschaf­fen. Etwa eine opti­sche Bau­grup­pe: das jüngs­te Vor­zei­ge­pro­jekt von Cemec, das zudem bald in den Welt­raum flie­gen wird. Ohne die Kern Micro HD hät­te das Unter­neh­men die Bau­grup­pe nicht hät­te rea­li­sie­ren können. 

Im Fokus
Cemec Intel­li­gen­te Mecha­nik GmbH
Cemec Intel­li­gen­te Mecha­nik ist ein inha­ber­ge­führ­ter Ent­wick­lungs­dienst­leis­ter, der die von ihm ent­wi­ckel­ten Pro­duk­te auch selbst fer­tigt. Das Unter­neh­men mit Sitz in Spalt nahe Nürn­berg beschäf­tigt sich etwa mit elek­tro­ni­schen, opti­schen und mecha­ni­schen Bau­grup­pen oder Antriebs­tech­nik. Dar­über hin­aus ent­wi­ckelt Cemec auch kom­plet­te Pro­duk­te.. Ein wei­te­res Feld ist das Re-Engi­nee­ring, um Pro­duk­te zu opti­mie­ren. Die Auf­trag­ge­ber kom­men unter ande­rem aus der Luft- und Raum­fahrt oder der Medi­zin­tech­nik. Den For­men­bau des Part­ner­un­ter­neh­mens Fath hat Cemec im Früh­jahr 2021 inte­griert. Fath stellt unter ande­rem Tei­le für den Maschi­nen­bau her und ist an Cemec betei­ligt. Mit der Zusam­men­le­gung kamen acht Mit­ar­bei­ter und drei Fräs­ma­schi­nen hinzu.

Das von Cemec gefer­tig­te auf den ers­ten Blick unschein­ba­re etwa 66 mm lan­ge Instru­ment mit 20 mm Durch­mes­ser muss mit zwei Lin­sen in der Kom­mu­ni­ka­ti­ons­ein­heit eines Satel­li­ten hel­fen, einen Laser­strahl mit 5 mm Durch­mes­ser so zu bün­deln, dass er in 100 000 km Ent­fer­nung auf maxi­mal 10 mm auf­ge­wei­tet ankommt. Und das bei einem Tem­pe­ra­tur­fens­ter von ‑40 bis +60 °C. Zudem muss die­se Optik, die zu einem grö­ße­ren Sys­tem gehört, die enor­men Belas­tun­gen beim Rake­ten­start über­ste­hen und darf auch bei den auf­tre­ten­den hohen Beschleu­ni­gun­gen nichts von ihrer Prä­zi­si­on einbüßen.

Prä­zi­se im Bereich von weni­ger als 1 µm

Zusam­men mit dem Auf­trag­ge­ber Tesat-Space­com wähl­te Cemec eine spe­zi­el­le Alu­mi­ni­um­le­gie­rung mit hoher Homo­ge­ni­tät und Wär­me­leit­fä­hig­keit aus. Sie ist aller­dings mit einem Sili­zi­um­an­teil von 40 Pro­zent extrem sprö­de und schwer zer­span­bar. Mit der Kern Micro HD konn­ten die Exper­ten trotz­dem mit µm-Genau­ig­keit feins­te Gewin­de in die­sem Mate­ri­al frä­sen. Die Par­al­le­li­tät der bei­den Lin­sen­sit­ze muss bes­ser als 2 µm sein. Zudem wird dazwi­schen außer­dem noch ein Ring zur Kom­pen­sa­ti­on ther­mi­scher Aus­deh­nung ver­baut. Des­halb müs­sen die Ein­zel­tei­le dar­über hin­aus bis auf weni­ger als 1 µm genau gear­bei­tet sein.

Reif fürs Weltall: das Teleskop für einen Kommunikationssatelliten im Schnitt. Dieses Bauelement und Einzelteile wie ein Ring zur Kompensation thermischer Ausdehnung fräst Cemec auf der Kern Micro HD reproduzierbar bis auf weniger als 1 µm genau. - Bild: Kern Microtechnik
Reif fürs Welt­all: das Tele­skop für einen Kom­mu­ni­ka­ti­ons­sa­tel­li­ten im Schnitt. Die­ses Bau­ele­ment und Ein­zel­tei­le wie ein Ring zur Kom­pen­sa­ti­on ther­mi­scher Aus­deh­nung fräst Cemec auf der Kern Micro HD repro­du­zier­bar bis auf weni­ger als 1 µm genau. – Bild: Kern Microtechnik

Ohne die Kern Micro HD, so sind die Ver­ant­wort­li­chen über­zeugt, hät­te man eine sol­che Anfra­ge ableh­nen müs­sen. Zudem hät­te auch kaum ein ande­rer Betrieb die­ses Pro­jekt rea­li­sie­ren kön­nen. Die neue hoch­prä­zi­se Fräs­ma­schi­ne ermög­licht das in Kom­bi­na­ti­on mit den Know-how der Exper­ten. Mit der Kern Micro HD rea­li­sie­ren die Zer­spa­ner inzwi­schen Eben­hei­ten von weni­ger als 800 nm. Dar­über hin­aus kön­nen sie µm-wei­se nach­ar­bei­ten, wenn es nötig ist. Eigent­lich hat das Instru­ment die Merk­ma­le eines klas­si­schen Dreh­teils. Aller­dings erreich­ten die Zer­spa­ner die erfor­der­li­che Prä­zi­si­on nicht auf der Dreh­ma­schi­ne. Daher fer­tigt Cemec das Bau­teil kom­plett in einer Auf­span­nung auf der Kern Micro HD. Die Bear­bei­tung dau­ert auf der einen Sei­te 40 min, auf der gegen­über­lie­gen­den Sei­te etwa 2h.

Mikro­spalt-Hydro­sta­tik sorgt für sta­bi­le Bedin­gun­gen in der Mikrobearbeitung

Für höchs­te Prä­zi­si­on und Repro­du­zier­bar­keit der Bear­bei­tung brin­gen vor allem die Mikro­spalt-Hydro­sta­tik, linea­re Direkt­an­trie­be und das neue Tem­pe­ra­tur­ma­nage­ment Anwen­dern wie Cemec erheb­li­che Vor­tei­le. Dabei sind alle drei Tech­no­lo­gien eng zu einem schlüs­si­gen Gesamt­sys­tem ver­zahnt. Hydro­sta­ti­schen Füh­run­gen und Antrie­be unter­lie­gen kei­nem mecha­ni­schen Ver­schleiß. Zudem erlaubt die Hydro­sta­tik hohe Beschleu­ni­gun­gen und dämpft Vibra­tio­nen. Sie ermög­licht eine deut­lich scho­nen­de­re und abso­lut ruck­freie Bewe­gung der Werk­zeu­ge und erhöht so deren Stand­zei­ten. Die Mikro­spalt-Hydro­sta­tik in der Kern Micro HD ist mit ihrem inte­gra­len Design in Kom­bi­na­ti­on mit Line­ar­mo­to­ren robus­ter als her­kömm­li­che hydro­sta­ti­sche Sys­te­me und benö­tigt zudem etwa 80 Pro­zent weni­ger Ener­gie. Gleich­zei­tig ver­bes­sern sich Stei­fig­keit und Dämp­fungs­ei­gen­schaf­ten der Maschi­ne, was für höchs­te Ober­flä­chen­gü­te und Genau­ig­keit am Werk­stück sorgt. Erreicht wer­den etwa bei Bedarf Ra-Wer­te von 0,05 Mikro­me­ter in Serie ohne Poliervorgang.

Blick in den Arbeitsraum der Kern Micro HD. Mit diesem Bearbeitungszentrum erreicht Cemec Ebenheiten von weniger als 800 nm. Die Fräsexperten können Werkstücke mikrometerweise nacharbeiten. - Bild: Kern Microtechnik
Blick in den Arbeits­raum der Kern Micro HD. Mit die­sem Bear­bei­tungs­zen­trum erreicht Cemec Eben­hei­ten von weni­ger als 800 nm. Die Fräs­ex­per­ten kön­nen Werk­stü­cke mikro­me­ter­wei­se nach­ar­bei­ten. – Bild: Kern Microtechnik

Laut ein­schlä­gi­ger Stu­di­en sind Tem­pe­ra­tur­ein­flüs­se die Ursa­che für rund 70 Pro­zent aller Genau­ig­keits­feh­ler im Hoch­prä­zi­si­ons­be­reich. Daher tem­pe­riert Kern die Line­ar­mo­to­re aktiv und inte­griert sie in das hydro­sta­ti­sche Sys­tem, was den Wär­me­ein­trag mini­miert. Außer­dem haben die Ent­wick­ler bei der Kern Micro HD das Tem­pe­ra­tur­ma­nage­ment wei­ter ver­bes­sert. Die Ent­wick­ler regeln die Kühl­flüs­sig­keit sehr genau und schi­cken sie mit einem Volu­men­strom von bis zu 200 l/min durch Maschi­nen­stän­der, Dreh-/Schwenk­ach­sen, Linearach­sen und Spin­del. Das Ergeb­nis die­ser Neue­rung zeigt sich bei einem ther­mi­schen Stress­test: Die Regel­ge­nau­ig­keit des zen­tra­len Tem­pe­ra­tur­ma­nage­ments bleibt inner­halb von gera­de ein­mal ± 0,05 K und bil­det damit eine per­fek­te Grund­la­ge für die höchst­prä­zi­se Bear­bei­tung bei Cemec.

Ther­misch sta­bi­le Maschi­ne ist die Basis für Prä­zi­si­on bei Cemec 

Die Fer­ti­gung des Tele­skops für die Satel­li­ten­kom­mu­ni­ka­ti­on wäre auf einer ther­misch nicht abso­lut sta­bi­len Maschi­ne kaum mög­lich. Denn bei einer Bear­bei­tung mit gro­ber Zer­spa­nung und hohem Dreh­mo­ment wärmt sich eine Maschi­ne unwei­ger­lich auf. Wenn sie nicht aktiv tem­pe­riert wird, ver­ur­sacht die ther­mi­sche Aus­deh­nung bei der fina­len Bear­bei­tung so gro­ße Abwei­chun­gen, dass sie die erfor­der­li­che Prä­zi­si­on nicht errei­chen kann. Um das Poten­zi­al der Kern Micro HD opti­mal aus­zu­rei­zen, wird Cemec den Raum, in dem die Micro HD arbei­tet, in Kür­ze auf ± 1 K genau temperieren.

Werkzeugtechnisch ist die Kern Micro HD recht gut bestückt. Das muss sie auch sein. Denn für ihre komplexen Bearbeitungen nutzt Cemec die bis zu 210 Plätze im Werkzeugwechsler der Maschine oft komplett aus. - Bild: Kern Microtechnik
Werk­zeug­tech­nisch ist die Kern Micro HD recht gut bestückt. Das muss sie auch sein. Denn für ihre kom­ple­xen Bear­bei­tun­gen nutzt Cemec die bis zu 210 Plät­ze im Werk­zeug­wechs­ler der Maschi­ne oft kom­plett aus. – Bild: Kern Microtechnik

Die Hydro­sta­tik garan­tiert, dass die Prä­zi­si­on dau­er­haft erzielt wird. Die Sicher­heit, dass die Maschi­ne auch in 15 Jah­ren noch so genau arbei­ten wird wie heu­te, ist für Cemec ein wich­ti­ges Argu­ment. Die Micro HD ist für die Ver­ant­wort­li­chen ein wesent­li­cher Bau­stein in ihrem Qua­li­täts­an­spruch. Dazu trägt auch der kon­ti­nu­ier­li­che Aus­tausch mit den Exper­ten des Maschi­nen­bau­ers aus Eschen­lo­he bei. Der ist offen­kun­dig sehr eng, offen und frucht­bar. Des­halb will das Unter­neh­men auch bei sei­nem geplan­ten Aus­bau auf Anla­gen von Kern set­zen. Denn bis­lang fer­tigt Cemec meist Pro­to­ty­pen und Klein­se­ri­en in Grö­ßen­ord­nun­gen von fünf bis 2000 Stück. Schon mit der aktu­el­len Kern Micro HD hat sich Cemec dafür gerüs­tet, auch grö­ße­re Volu­men in der glei­chen Prä­zi­si­on her­zu­stel­len. Und der Plan ist, noch wenigs­tens zwei oder drei wei­te­re Kern-Maschi­nen einzusetzen.


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