3-Achs-CNC-Fräse Optimum M2L

Autor: Nicolas Kosellek
Betreuer: Prof. Dr. Mirek Göbel

Optimum M2L 3-Achs-Fräsmaschine

Die Hochschule Hamm-Lippstadt hat seit 2010 eine 3-Achs-CNC-Fräsmaschine der Firma Optimum. Die Maschine wurde von der Hochschule angeschafft, um kleinere Bauteile selber herzustellen. Bis Ende 2022 wurden einige kleine Praktika unter der Leitung einer wissenschaftlichen Mitarbeiterin der Hochschule absolviert. Die Einhaltung der Instandhaltungen und regelmäßigen Kontrollen wurden ebenfalls bis Dato von Selbiger übernommen. Nachdem der Hörsaal LP8 aus den Räumlichkeiten des Technikums in das neue Ferber Software Gebäude gezogen ist, fanden wieder viele Maschinen ihren Weg zurück in das Technikum, so wie auch die Optimum Fräsmaschine. Kurz zuvor erlitt diese leider eine Fahrwegskollision, welche zu einem Verzug der Achsen führte. Die Maschine wurde von einer extern beauftragen Firma vermessen und für wirtschaftlich unbrauchbar erklärt.
Da jedoch der Verdacht bestand, dass die Fräse keinen so großen Schaden erlitten hat, wie angenommen, beschäftigt sich Herr Kosellek mit seiner Bachelorarbeit "Fahrwegskollision an der M2L-CNC-Fräse im Lehrbetrieb – Optimierung der Maschine" unter der Betreuung von Herrn Prof. Dr. Mirek Göbel noch einmal intensiv mit dem Schadensbild, der Reparatur und der Optimierung der Optimum-Fräse.

Überblick über die Fräsmaschine

Um einen besseren Überblick über die Maschine zu erhalten, werden im Folgenden die technischen Daten, die Anforderungen und der Aufbau der Fräse genauer erläutert.

Technische Daten

Die technischen Daten sind im Detail in der Betriebsanleitung der Maschine zu finden. Hier finden sich Auflistungen der Daten wie der Motorleistung, die äußeren Abmessungen der Maschine zur Aufstellung im Raum oder die Umgebungsbedingungen für einen reibungslosen Betrieb (siehe Tabelle). Diese Daten müssen teilweise bereits im Vorfeld betrachtet werden, wenn es darum geht, ob die Maschine die geplante Aufgabe erfüllen kann und für den vorgesehenen Einsatz geeignet ist. Zudem sind die technischen Daten im Falle einer Wartung oder Instandsetzung zu beachten. Dies gilt z. B. für die Befüllung mit Betriebsmitteln, wie Getriebeöl. (Optimum Maschinen Germany GmbH, 2010, S. 1 ff.)

Bereich	Angaben
1.0 Elektrischer Anschluss
1.1 Motor	230 V / 50 Hz / 850 W
2.0 Kühlmittelpumpe
2.1 Leistung der Kühlmittelpumpe	40 W
2.2 Tankinhalt	10 Liter
3.0 Abmessungen
3.1 Länge	1590 mm
3.2 Breite	745 mm
3.3 Höhe	1500 mm
3.4 Gesamtgewicht	380 kg
4.0 Arbeitsraum
4.1 Länge	2600 mm
4.2 Breite	1500 mm
4.3 Höhe	2200 mm
5.0 Frästisch
5.1 Tischlänge	700 mm
5.2 Tischbreite	180 mm
5.3 Maximale Traglast	55 kg
6.0 Maschinendaten
6.1 Maximale Messerkopfgröße	52 mm
6.2 Maximale Schaftfräsergröße	16 mm
6.3 Vorschubgeschwindigkeit aller Achsen	2000 mm/min
7.0 Arbeitsbereich Fahrwege
7.1 X-Achse	480 mm
7.2 Y-Achse	155 mm
7.3 Z-Achse	280 mm
8.0 Frässpindelkopf
8.1 Spindelaufnahme	MK2 / M10
8.2 Spindeldrehzahl (Getriebestufe L)	90 - 1480 Umdrehungen/Minute
8.3 Spindeldrehzahl (Getriebestufe H)	150 - 3000 Umdrehungen/Minute
9.0 Betriebsmittel
9.1 Getriebe	Mobilgrease OGL 007, Mobilux EP 004, Mobil XHP
9.2 Blanke Stahlteile	säurefreies Öl (Waffenöl, Motoröl)
10.0 Umgebungsbedingungen
10.1 Temperatur	19 - 21 °C
10.2 Temperatur Lagerung	5 - 55 °C
10.3 Zulässige relative Luftfeuchtigkeit	5 - 95 %

Aufbau der Fräse

Frontansicht auf die Fräse mit den wichtigsten Komponenten

Im Detail besteht die Fräse aus den folgenden Komponenten:

• 1) Unterbau mit Schrank und Kühlmittel- und Ölversorgung
• 2) Arbeitsraum
• 3) Maschinensteuertafel
• 4) Signalleuchte
• 5) Tür mit Sicherheitsverriegelung
• 6) Not-Halt-Schalter
• 7) Wahldrehschalter für Getriebestufen
• 8) NC-Start und Handrad für manuelles Verfahren
• 9) Rändelschraube
• 10) Fräskopf (Optimum Maschinen Germany GmbH, 2010, S. 26 ff.)

Sicherheit

Die Sicherheitseinrichtungen der Maschine sind ebenfalls wichtig. „Die CNC-Maschine hat folgende Sicherheitseinrichtungen:

• Einen abschließbaren Hauptschalter,
• zwei NOT-HALT-Schlagschalter an der Maschinensteuertafel und am Handrad für manuelles Verfahren,
• eine verschraubte Schutzeinrichtung um die CNC-Fräsmaschine (Schutzumhausung mit Sichtfenstern aus bruchsicherem Makrolon),
• Positionsschalter an der trennenden Schutzeinrichtung (Tür mit Verriegelung),
• eine verschraubte Schaltschranktür.“ (Optimum Maschinen Germany GmbH, 2010, S. 12)

Zudem verfügt die M2L-CNC-Fräse über steuerungstechnische Absicherungen und Verbots-, Gebots- und Warnschilder, die den Bediener unbemerkbar über die Steuerung schützen oder ihm konkrete Hinweise geben. Ebenfalls weist die Betriebsanleitung darauf hin, alle Sicherheitseinrichtungen mindestens einmal pro Schicht oder bei der Verwendung an der HSHL vor jedem Einsatz zu überprüfen und nur bei intakten Sicherheitseinrichtungen zu arbeiten. (Optimum Maschinen Germany GmbH, 2010, S. 13 ff.) Darüber hinaus gibt die Betriebsanleitung Empfehlungen für Körperschutzmittel. So muss bei Arbeiten, die Gesicht und Augen gefährden, ein Helm mit Gesichtsschutz getragen werden. Beim Bewegen schwerer Teile, muss der Bediener Sicherheitsschuhe tragen und Schutzhandschuhe beim Anfassen von scharfkantigen Teilen oder Werkzeugen. Ein Gehörschutz wird ab einer Lautstärke von 80 dB (A) zusätzlich empfohlen. (Optimum Maschinen Germany GmbH, 2010, S. 15) Neben dem Personenschutz gibt die Betriebsanleitung der Fräse zusätzliche Hinweise auf den Umweltschutz, da die Maschine mit Kühlschmierstoffen betrieben werden kann. Hier wird jedoch nur auf die grundlegenden Gesetze und Verordnungen verwiesen und kein konkreter Handlungsbedarf vorgegeben. (Optimum Maschinen Germany GmbH, 2010, S. 18)

Probleme an der Fräse

Die Fräse wurde nach einer Fahrwegskollision zur Aufgabe dieser Bachelorarbeit. Der Fräskopf soll auf die Spannbacken aufgesetzt haben. Dadurch kam zu einem Verzug und Schlagen der Spindel sowie einem Nachgeben der Z-Achse im Winkel abgehend zur X-Achse.
Zudem war der Sicherheitsschalter der Tür so deformiert, dass die Tür nicht mehr schließen konnte, aber der Sicherheitsmechanismus der Fräse überbrückt war und die Fräse mit offener Tür starten konnte. Darüber hinaus war die hintere Späneabdeckung der Spindel der y-Achse defekt.
Von der Hochschule Hamm-Lippstadt wurde daraufhin eine Begutachtung durch eine unabhängige Firma beauftragt. Dabei kam heraus, dass eine Reparatur der Fräse wirtschaftlich nicht sinnvoll wäre. Somit wurde bereits ein Verschrottungsantrag gestellt.

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  Linker Ausschlag der Spindel

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  Rechter Ausschlag der Spindel

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  Defekter Sicherheitsschalter

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  Gerissene Späneabdeckung

Reparatur der Fräse

Im Rahmen der Bachelorarbeit wurde die Fräsmaschine repariert. Dazu wurde die gesamte Maschine vermessen und folgende Punkte, aufgrund eines Defekts, erneuert, beziehungsweise repariert:

• Spindel
• Werkzeugaufnahme
• Sicherheitsschalter der Tür
• Späneabdeckung
• Antriebsmotor der Spindel

Im Anschluss wurden mehrere Testläufe mit der Fräse gefahren und es kam zu keinen weiteren Ausfällen.

Ausgebaute Teile für die Reparatur

Bedienung der Maschine

Um die Bedienung der Fräse zu erleichtern, ist hier eine Anleitung in einem separatem Wiki-Artikel zu finden!