Moderne Werkzeugmaschinen zeichnen sich in erster Linie durch die Fertigung oder Bearbeitung von Werkstücken mit Werkzeugen aus. Als Arbeitsmaschinen bestimmen sie – und nicht der Mensch – im Betrieb die gegenseitige Führung von Werkstück und Werkzeug. Zusammen mit Mess- und Prüfmitteln, Vorrichtungen sowie einfachen Werkzeugen zählen Werkzeugmaschinen zu den Betriebsmitteln und können anlässlich ihrer Vielfalt auf unterschiedliche Art und Weise näher unterteilt werden.
Aufgrund der rasch voranschreitenden technischen Entwicklung werden Werkzeugmaschinen vermehrt als mechanisierte und gegebenenfalls automatisierte Fertigungseinrichtungen definiert. Letzterer Zusatz steht stellvertretend für den technischen Fortschritt und aktuelle Bestrebungen der Industrie: Sowohl die Automatisierung als auch die Vernetzung von Maschinen mit intelligenten Systemen nehmen großen Einfluss auf die Beschaffenheit und Rolle von Werkzeugmaschinen innerhalb des industriellen Sektors.
Konstruktion von Werkzeugmaschinen mittels Baugruppen
Obwohl die Vielfalt von Werkzeugmaschinen – wie auch die Anzahl ihrer Anwendungsbereiche und Applikationen – enorm groß ist, verfügen sie in der Regel über eine ähnliche, beinahe gemeinsame Zusammensetzung. Diese besteht typischerweise aus modularen Baugruppen, welche die jeweilige Maschine erst in Kombination vollkommen einsatzfähig machen. Im Stile des Bausteinprinzips erlaubt die modulare Konstruktionsweise nicht nur eine einfache Inbetriebnahme, sondern bietet ebenfalls die Möglichkeit, von Applikation zu Applikation spezifische Anforderungen zu erfüllen. Zudem können Komponenten des Systems zu einem späteren Zeitpunkt ausgetauscht werden.
Als grundlegende Baugruppe und Basis einer jeden Werkzeugmaschine dient das Maschinengestell. Dieses gibt der gesamten Maschine ihre physische Erscheinung, trägt die übrigen Komponenten und verbindet sie miteinander. Von großer Relevanz ist das Gestell einer Werkzeugmaschine insbesondere bei weiträumigen, komplexen Apparaten, die unter großen Lasteinwirkungen stehen. Im Gegensatz zu kleinen Maschinen, bei denen oftmals ein modifizierter Tisch als Gestell fungiert, müssen Maschinengestelle größerer Geräte Widerstand gegen elastische Verformungen aufweisen. In den Vordergrund rücken bei der Werkstoffwahl des Gestells daher Eigenschaften wie Dichte, Dämpfung und Wärmeleitfähigkeit. Einige Werkzeugmaschinen benötigen des Weiteren ein gegossenes Fundament, um eine hohe Steifigkeit zu gewährleisten.
Maßgeblich für die anhaltende Funktionalität von Werkzeugmaschinen ist darüber hinaus die Baugruppe der Führungen und Lagerungen. Diese gibt vor, auf welchen Achsen sich bewegliche Komponenten der Maschine bewegen können und sollen. Weil Führungen und Lagerungen in direktem Kontakt mit anderen Bauteilen des Systems stehen, unterliegen sie einem Verschleiß, der beispielsweise durch Kugellager gemindert werden kann.
Steuerung und Antrieb – Wegbereiter der Automatisierung
Als primäre Antriebseinheit sorgen Motor und Getriebe für die federführende Arbeitsbewegung der Werkzeugmaschine. Hinzu kommen diverse Nebenantriebe, darunter sogenannte Vorschubantriebe zur Positionierung des Werkzeugs. Die verschiedenen Antriebselemente setzen eine Werkzeugmaschine allerdings nicht nur in Gang – sie stellen ebenfalls einen wichtigen Faktor für die Arbeitsgenauigkeit beziehungsweise die Qualität der verarbeiteten Werkstücke dar. Entsprechende Eigenschaften weisen Harmonic Drive® Hohlwellenantriebe der Baureihen FHA, CHA und CanisDrive® auf. Dank eines verstärkten Abtriebslagers mit höchster Kippsteifigkeit und Präzision können besagte Antriebe schnell und unkompliziert hohe Lasten aufnehmen; dazu gewährleisten sie eine hohe Lebensdauer und bei Bedarf kurze Schwenkzeiten.
Die Steuereinheit dient prinzipiell der Automatisierung einer Maschine und übernimmt diverse Aufgaben, welche zuvor manuell oder mithilfe von Mechanik ausgeführt wurden. So steuert und kontrolliert sie Fertigungsschritte, speichert maschinen- und werkzeugbezogene Daten und sichert Fertigungsprogrammierungen. Dabei greifen moderne Werkzeugmaschinen auf elektronische Systeme, beispielsweise Halbleiterbauelemente und Relais, vor allem aber auf numerische Steuerungen zurück. Letztere bieten eine wesentlich höhere Flexibilität als viele andere Ablaufsteuerungen.
Weitere Baugruppen moderner Werkzeugmaschinen sind Werkzeugspeicher und -wechsler, Werkstückwechsler, Werkzeugaufnahmen und Ver- und Entsorgungseinrichtungen. Hinzu kommen Sicherheitseinrichtungen und Messsysteme (beispielsweise zur Positionsbestimmung des Werkzeugs).
Typische Baugruppen einer Werkzeugmaschine in der Übersicht:
Einteilung von Werkzeugmaschinen nach Fertigungsverfahren
Ob Achsenanzahl, Kinematik, Genauigkeit oder doch Automatisierungsgrad – Werkzeugmaschinen bieten zahlreiche Klassifizierungsmöglichkeiten. Zu den prominentesten und meistgenutzten Einteilungen zählt hierbei insbesondere die Einteilung anhand der klassischen Fertigungsverfahren. So werden Dreh- und Fräsmaschinen als auch Bohrmaschinen, Sägemaschinen, Schleifmaschinen und ähnliche Geräte der spanenden Klasse zugerechnet, während Biege- und Walzmaschinen sowie Pressen den umformenden Werkzeugmaschinen zugehörig sind. Schlagscheren und Stanzmaschinen zählen unterdessen zu den zerteilenden Maschinen. Zur Klasse der abtragenden Maschinen gehören unter anderem Laserbearbeitungs- und Wasserstrahlschneidemaschinen. Maschinen, die Aufgaben wie Schweißen, Löten und Kleben bewerkstelligen, sind Bestandteil der fügenden Klasse.
Werkzeugmaschinen im Verlauf der Zeit
Die Massenproduktion von Gebrauchs- und Konsumgütern des 21. Jahrhunderts beruht in hohem Maße auf der stetigen Weiterentwicklung von Werkzeugmaschinen. Heute zählen leistungsfähige, beinahe vollständig automatisierte Maschinen zur Grundausstattung moderner Fertigungsbetriebe und Hersteller des industriellen Sektors. Die Geschichte der Werkzeugmaschinen begann allerdings nicht erst in den letzten Jahrzehnten – bereits vor vielen Jahrhunderten, gar Jahrtausenden entstanden Vorläufer heutiger Werkzeugmaschinen. So reicht die Erfindung der womöglich ersten Werkzeugmaschine, einer primitiven Bohrvorrichtung, etwa 6000 Jahre zurück. Auch wenn diese und folgende Apparate, darunter Drehbänke und Schleifmaschinen, nicht mit heutigen Modellen zu vergleichen sind, erfüllten sie einige Kriterien aktueller Definitionen von Werkzeugmaschinen.
Im Zuge der industriellen Revolution und aufgrund des gesellschaftlichen Wandels stieg der Bedarf an immer leistungsstärkeren und fortschrittlicheren Werkzeugmaschinen. Das manuelle Zutun per Menschenhand nahm fortlaufend ab, da durch neue Innovationen eine deutlich höhere Wirtschaftlichkeit und Produktionsmenge erreicht werden konnten. Die rasch wachsende Nachfrage führte nicht nur zu großer Popularität der Maschinen, sondern förderte auch ihren technischen Fortschritt unaufhörlich. Erst durch die Entwicklung spezieller Dreh- und Bohrmaschinen im 18. und 19. Jahrhundert beispielsweise konnte sich Metall zu einem gängigen Werkstoff etablieren. Im 20. Jahrhundert gelang mit der Computerized Numerical Control, kurz CNC, der nächste große Entwicklungsschritt. Hierbei handelt es sich um eine computergestützte numerische Steuerung von Werkzeugmaschinen, welche individuell auf die jeweilige Anwendung angepasst ist und in der Regel über ein eigenes Betriebssystem samt Nutzeroberfläche verfügt.
Werkzeugmaschinen und 3D-Druck im Vergleich
Im Laufe der Zeit konnte sich neben klassischen Werkzeugmaschinen eine weitere, sehr schnell wachsende Technologie etablieren – die additiven Fertigung. Bekanntheit erlangte diese insbesondere durch den sogenannten 3D-Druck, der nicht allein hochmodernen Fertigungshallen vorenthalten blieb, sondern mit entsprechendem Gerät auch in den eigenen vier Wänden genutzt werden kann. Die Gründe für den raschen Aufstieg des 3D-Drucks und der additiven Fertigung im Allgemeinen sind vielfältig; technisch ausschlaggebend ist jedoch ein ganz bestimmter Unterschied. So werden Objekte von klassischen Werkzeugmaschinen subtraktiv gefertigt, während Verfahren wie der 3D-Druck additiv vorgehen. Der Unterschied wird unter Verwendung bildhafter Sprache schnell deutlich: Werkzeugmaschinen trennen Material von einem Materialblock ab, wie ein Bildhauer Stücke aus Stein oder Holz schlägt, um den Rohling zu formen. Im Gegensatz dazu wird beim 3D-Druck ein Material Schicht für Schicht zusammengefügt, bis das gewünschte Objekt entstanden ist.
Das gegensätzliche Vorgehen von klassischen Werkzeugmaschinen und additiven Fertigungsmethoden bestimmt die Eigenschaften beider Verfahren. Werkzeugmaschinen wird demnach eine extrem hohe Genauigkeit zugewiesen, dem 3D-Druck hingegen Formfreiheit, Geschwindigkeit und die Chance, sowohl Kosten als auch das in Anwendungsbereichen wie der Luft- und Raumfahrt besonders wichtige Gewicht einzusparen. Je nach Verfahren variieren außerdem die Anschaffungs- und Betriebskosten, Materialkompatibilität, Größenbeschränkung und Benutzerfreundlichkeit. Letztere wird jedoch in erster Linie additiven Fertigungsverfahren als Vorteil zugeschrieben.