Feder-Windemaschine, die um 1900 bei Wafios in Reutlingen gefertigt wurde.

Bilder: Wafios

Entwicklung der Druckfeder-Maschinenreihen von Wafios seit 110 Jahren.

Die Entwicklung der Druckfeder-Windemaschine

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Eine wesentliche Eigenschaft der mechanischen Feder-Windemaschine ist die limitierte Draht-Einzugslänge und das Ein-Motor-Prinzip, von dem über aufwändige mechanische Lösungen alle Werkzeugbewegungen (Steuerwelle) sowie deren Synchronisation (Getriebe) abgeleitet wurden. Genauigkeit und das Gleichmaß der Abläufe wurden maßgeblich durch Materialbeanspruchung und mechanisches Spiel beeinträchtigt. Die Bedienung dieser Maschinen stellte hohe Anforderungen an die Erfahrung des Federmachers. Kurvenscheiben (Steigung/Form) sind Werkstoff- und Federbedingt individuell anzupassen. Hohe Wartungskosten, lange Einrichtzeiten und geringe Flexibilität, macht die Fertigung kleiner Lose teuer und wird den Anforderungen heutiger Federfabriken nicht gerecht.
Der Verbreitung von Elektromotoren nach 1945 ermöglichte die Konstruktion von elektrisch angetriebenen Maschinen. Eine Kupplung verbindet die Achsen für die Einzugsrollen und die Werkzeugbewegungen mit dem Motor, der kontinuierlich läuft. Eine Umdrehung der Steuerwelle entspricht der Fertigung einer Feder. Nocken auf der zentralen Welle steuern die Kupplung und lassen die Einzugsrollen für eine bestimmte Umdrehung der Steuerwelle rotieren. Sobald eine definierte Einzugslänge erreicht ist, kuppelt die Steuerwelle aus. Während der Einzug stoppt, kann mittels einer Kupplung die Schnittwelle angesteuert werden. Sie verbindet das Schnittmesser für den verbleibenden Rest der Steuerwellen-Umdrehung mit dem Antriebsmotor. In dieser Zeit sind alle anderen Werkzeugbewegungen blockiert. In den größeren Maschinen wurde eine Klauenkupplung eingebaut. Hier lösten die Nocken der Steuerwelle ein plötzliches Einkuppeln der Mechanik aus. Es traten große Kräfte auf und die Klauen wurden extrem beansprucht. Hinzu kam die hohe Geräuschbelastung für den Bediener während des Einkuppelns.
Reibungskupplungen wurden in allen kleineren Feder-Windemaschinen installiert. Mittels dieser Kupplungen war es möglich, den Motor langsam mit dem Getriebe einzukuppeln. Schlagartige Belastungen wurden vermieden, und die Maschinen liefen leise. Das wesentliche Problem war jedoch, dass die Einzugslänge nicht konstant blieb. In Abhängigkeit von der Zeit, die zum kompletten Einkuppeln nötig war, variierte die Draht-Einzugslänge an den Federn. Je nach Zustand der Kupplung waren die Federn also länger oder kürzer. Eine weitere gemeinsame Eigenschaft aller Kupplungsmaschinen war die konstante Einzugsgeschwindigkeit. Das Anpassen der Umformgeschwindigkeit, etwa Beispiel an Federn mit großem Wickelverhältnis, war nicht möglich.

Weiter zum kontinuierlich laufenden Motor: Er ist über einen oszillierenden Kulissenstein mit dem Einzugssegment verbunden. Das Segment treibt die Einzugsrollen durch die Vorwärtsbewegung an. Während des Rückhubs entkoppelt ein Freilauf die Einzugsrollen vom Segment und setzt den Drahtvorschub aus. Zeitgleich hält eine mechanische Bremse den Einzug still, während der Schnitt erfolgt. Dabei entspricht die Amplitude des oszillierenden Segments der Draht-Einzugslänge. Der Ausschlag des Segments – die Pendelbewegung – wiederum lässt sich durch die Exzentrizität des Kulissensteins einstellen.
Eine Variante der Segmentsteuerung waren die zahnstangen-gesteuerten Feder-Windemaschinen, die vor allem auf eine erheblich höhere Leistung ausgerichtet waren. Eine durch Zahnstangen angetriebene Feder-Windemaschine produzierte während einer Steuerwellen-Umdrehung von 360° zwei Federn. Dies wurde erreicht, indem während des Rückhubs der Zahnstange eine weitere Feder gefertigt wurde.

Die Entwicklung leistungsfähiger Maschinensteuerungen und Rechner hat den Schritt zur elektronischen Mehrachsen-Maschine möglich gemacht. Kleinere Lose bei vertretbarer Einrichtzeit waren durch die kostenintensive Fertigung mittels Kurvenscheiben wirtschaftlich nicht mehr herstellbar. In der elektronischen Feder-Windemaschine übernimmt ein Mehrprozessor-System die Synchronisierung der fünf Achsen. Die hohen Leistungsanforderungen haben das Niveau der Maschinensteuerungen weit über die von CNC gesteuerten Werkzeugmaschinen geschraubt. Die Rechenleistung erlaubt neben der Kontrolle der Achsbewegungen die Aufbereitung von Eingabedaten, das Einleiten von Umformoperation oder die Ansteuerung zusätzlicher Überwachungs- und Messgeräte.
Die Herstellung von Qualitätsfedern verlangt – neben ausreichender Motorenleistung bei Einzug und Formgebung – steife Maschinenkörper. Diese vermeiden Vibrationen und gleichen schwankende Temperaturen aus. Eine weitere Verbesserung der Qualität der Feder mit Blick auf unerwünschte Gratbildung wurde durch den Rotationsschnitt erzielt. So konnte die Gratbildung zwar nicht gänzlich vermieden, jedoch klar minimiert werden. Mechanische Verbesserungen zur Erhöhung der Maschinenverfügbarkeit wurden durch konstruktive Lösungen wie die geteilte Windeplatte oder Vorrichtungen zur Aufnahme voreingestellter Werkzeuge erzielt.
Neben aufwändigeren Lösungen für die flexible Klein- und Kleinst-Serienfertigung besteht bis heute Bedarf an wirtschaftlichen Maschinen für die Massenproduktion. Hier bieten sich zweiachsige elektromechanische Feder-Windemaschinen an. Die eine Achse wird hier für den Einzug mit beliebiger Einzugslänge genutzt, der zweite Motor steuert die Werkzeugbewegungen Schnitt, Steigung und Formgebung. Als Kompromiss zwischen klassischer Mechanik und Vollelektronik sind sie bis heute eine wirtschaftliche Alternative.

Moderne CNC-Feder-Windemaschinen werden mehr und mehr ganzheitlich-wirtschaftlichen betrachtet. Eine immer größere Rolle spielt hier die Einbindung in vernetzte Produktionssysteme. Die offene Kommunikation auf Fertigungsebene ermöglicht das Werkstattmanagement und auch die Auftragssteuerung. Sie dient der Reduzierung von Stillstandszeiten und der optimalen Ausnutzung des vorhandenen Maschinenparks auch bei kleinsten Losen. Bei der Anschaffung neuer Maschinen rückt die Lebenszeit an Stelle der reinen Stückkosten-Betrachtung auf Basis von Kenndaten wie Ausbringungsmenge und Materialkosten in den Vordergrund. Kriterien wie Energieeffizienz, Verfügbarkeit und Nullfehler-Produktion bestimmen den Forderungskatalog. Nicht mehr der reine Preis entscheidet, sondern vielmehr die summierten Kosten von der benötigten Stellfläche über die Abwrack- und Recyclinggebühren bis hin zu der Laufzeit der Maschinen – also die total costs of ownership. So spielen bei der Entwicklung zunehmend Fragen wie Steigerung der Energieeffizienz durch die eingesetzten Materialien, durch Energie-Rückgewinnung (Zwischenkreis/Rückspeisung) und durch optimierte Auslegung von Energieverbrauchern wie Klimageräten und Achsen eine Rolle.
Statt der Reduzierung der Stillstandzeiten oder maximale Ausbringung ist künftig die Maschinenfähigkeit die zentrale Herausforderung. Der Wirkungsgrad kann beispielsweise verbessert werden durch Prüfsysteme im Zusammenspiel mit Überwachungs- und Messtechnik für die Nullfehler-Produktion, durch die Überwachung der Fertigung oder der Festlegung der optimalen Maschinengeschwindigkeit zur Minimierung von Fehlteilen. Die Erhöhung der Maschinenfähigkeit könnte außerdem bedeuten, unterschiedliche Werkstoffe zu verarbeiten und damit die Flexibilität zu steigern.