De voordelen van verticale
CNC-machines opgesomd

Lage aanschafprijs vertelt niet altijd de echte kostprijs

Verticale CNC-machines steken qua verkoopaantallen met kop en schouder boven de horizontale versies uit. Dat heeft meerdere redenen. De aanschafprijs is daarvan wellicht een van de belangrijkste. Maar is dat altijd terecht? En welke andere voordelen bieden de verticale CNC-machines? In dit artikel gaan we dieper in op 3-assige en 5-assige verticale bewerkingscentra en vergelijken we de machines met hun horizontale variant.

Foto: Crispyn — Het verticale machineconcept zorgt voor een hoge stabiliteit, dat zich vertaalt
in hoge nauwkeurigheden en een compacte bouwwijze (foto: Crispyn)

Het merendeel van de CNC-bewerkingscentra zijn verticale machines. Met andere woorden: spindel, gereedschap en werkstuk bevinden zich in de uitgangspositie op één lijn. De spindel is daarbij verticaal georiënteerd. Een beproefd concept bij 3-assige machines, maar ook de meeste 5-assige CNC-machines zijn tegenwoordig verticale machines. De manier waarop de vierde en vijfde as worden geïntegreerd, zorgen voor een veelvoud aan variaties en keuzemogelijkheden.

Een van de voordelen van een verticale machine, is dat de constructie eenvoudiger is dan bij een horizontale CNC-machine. Dit verklaart voor een groot deel het prijsverschil. De verticale CNC-machines zijn doorgaans wat betreft aanschaf aanzienlijk goedkoper. Afhankelijk van het type en de uitvoering kan dit prijsverschil behoorlijk oplopen, tot wel meer dan de helft.

DE VOORDELEN VAN VERTICALE CNC-MACHINES

Qua mogelijkheden om producten te bewerken laat een verticale machine veel toe. Een groot scala aan producten kan hierop worden bewerkt. Vandaar de categorie universele CNC-machines. Omdat het een stabiele constructie is, kunnen er zware werkstukken op worden verspaand. Of zware freesbewerkingen op worden uitgevoerd. Zolang er slechts één kant van het werkstuk bewerkt hoeft te worden, is deze machine een prima oplossing.

Verticale machines laten zich bovendien meestal gemakkelijk automatiseren. Bij sommige types kan de machine van de zijkant toegankelijk worden gemaakt voor robotbelading. Kan dat niet, dan zijn er voldoende robotsystemen te vinden die aan de voorzijde staan, waarbij de meeste verticale machines nog goed toegankelijk blijven voor de CNC-operator. Belading gebeurt dan via de voorzijde; bij grotere machines is vaak belading vanaf de bovenzijde mogelijk.

Verticale 3-assige CNC-machines blijven geliefd; het aanbod is groot (foto: Maple)

Het verticale bewerkingscentrum laat zich ook nog op andere, goedkopere manieren aanpassen zodat de spindel langere tijd onbemand kan draaien. Met name is deze optie aantrekkelijk als de cyclustijden relatief lang zijn. De eerste mogelijkheid is meerdere opspanningen op het bed plaatsen, met hierin verschillende werkstukken. Een tweede optie is het toevoegen van een vierde as aan de machine. Deze wordt op de tafel geplaatst. Zo’n vierde as schept de kans om meerdere werkstukken op te spannen die één voor één worden bewerkt.

Dit kan telkens hetzelfde werkstuk zijn. In dat geval kan men in de tweede – of derde – opspanning een vervolgbewerking doen, zodat per bewerkingscyclus die een machine draait men een volledig afgewerkt product van de machine kan halen. Als er geen noodzaak is om 5-assig te gaan bewerken, is een verticale 3-asser met een vierde as op de tafel een aantrekkelijk alternatief om meer spindeluren te maken, zonder dat er direct in een robot moet worden geïnstalleerd. Zo wordt het spindelrendement van een verticale 3-asser omhoog gekrikt.

ANDERE ROI-BEREKENING

Wat betreft return on investment blijkt dat de verticale 3-assige CNC-machine het in de praktijk slechter doet dan zijn horizontale evenknie. Diverse onderzoeken tonen aan dat het spindelrendement – het percentage van de beschikbare werkuren dat de spindel effectief draait – bij horizontale machines veel hoger ligt. In sommige onderzoeken wordt gesproken over spindelbenutting van 30 tot 35% bij verticale machines tot wel meer dan 75% bij horizontale CNC-machines.

Deze cijfers kunnen evenwel vertekend zijn, omdat horizontale machines meestal worden gebruikt voor grotere series of hele lange bewerkingscycli, denk maar aan het verspanen van titanium vliegtuigonderdelen. Verticale machines vindt men veeleer bij de jobbers, de toeleveranciers met veel wisselende opdrachten, die juist vanwege het universele karakter voor de verticale machine kiezen. Beide werelden verschillen van elkaar, wat van invloed is op het spindelrendement.

Het is echter ontegenzeggelijk waar dat de spindel van een 3-assige verticale machine vaker stilstaat, omdat de operator het werkstuk opnieuw moet opspannen voor het bewerken van een andere zijde. Dat verlaagt de effectiviteit sterk, tenzij men kies voor een vierde as of robotbelading. Het verschil qua effectief spindelrendement geeft wel aan dat bij een investering eigenlijk niet naar de aanschafprijs moet worden gekeken, maar naar de effectieve opbrengst op jaarbasis of de bewerkingskosten per product. Als men minder productie-uren op een goedkopere verticale machine maakt, kan de ROI-berekening er ineens heel anders uit gaan zien. Ook bij middelgrote series kan het resultaat onder aan de streep wel eens verrassend zijn.

VERSNELLING OF IJLGANG

Machines worden in een aankooptraject vaak mede beoordeeld op de ijlgang. “Hoe hoger de ijlgang, hoe productiever”, zou men denken. Deze redenering klopt echter niet helemaal. Machines met dezelfde ijlgang kunnen toch verschillen laten zien in de tijd die ze nodig hebben om met de spindel een bepaalde afstand af te leggen. Dit heeft alles te maken met de versnelling van de assen. Hoe hoger de versnelling, des te eerder bereikt de machine de maximale ijlgang. Dit kan wel tienden van seconden schelen op een beweging van enkele tientallen centimeters. Verschillen tot 30 % in de benodigde tijd om een bepaalde afstand af te leggen ondanks dat twee machines dezelfde ijlgang hebben, zijn geen uitzondering. Of dit een wezenlijke invloed heeft op de productiviteit, hangt af van de bewerking en de afstanden die de spindel in ijlgang moet afleggen. Hetzelfde geldt voor de gereedschapswisseltijd. Bij het werk dat de gemiddelde toeleverancier maakt, zal het weinig uitmaken. Maar als men middelgrote series freest met veel gereedschapswisselingen, is ook dit een factor die de productiviteit beïnvloedt.

Bewerken van een matrijs op het verticale bewerkingscentrum MMV 3200 (foto: De Ridder)

AFMETINGEN EN OPSPANNEN

De verticale CNC-machines onderscheiden zich nog op enkele andere vlakken. Eén hiervan is dat dit type machines doorgaans veel compacter is. Zeker in een tijd waarin aan het vloeroppervlak in de fabriek een prijskaartje hangt, kan dat een argument zijn dat zwaar doorweegt. Het verticale concept geeft machinebouwers tevens de mogelijkheid om een meerspindelmachine te bouwen. Dit gebeurt bij de 5-assige varianten.

Standaard plaatst de fabrikant dan twee of vier of zelfs meer spindels naast elkaar, die dezelfde bewerking uitvoeren. Een concept dat men vaak bij machines voor kleinere werkstukken ziet. Daarmee worden ze echte productiemachines, waarmee op een beperkt vloeroppervlak grote series worden gefreesd. Deze machines zijn onder andere geliefd bij toeleveranciers van turbocomponenten voor de automobielindustrie en de medische sector.

De populariteit van verticale machines bij gereedschapsmakers heeft dan weer alles te maken met de nauwkeurigheid. De constructie van de spindel, zodat het gereedschap loodrecht op het werkstuk staat, levert niet alleen stabiliteit op, maar ook een hoge nauwkeurigheid. Het effect van de zwaartekracht bij bijvoorbeeld een machine met een beweegbare kolom, waardoor de spindel met gereedschap niet volledig juist staat, is niet mogelijk. Het nadeel hiervan is dat de spanenafvoer minder goed is. Spanen blijven op het werkstuk of de tafel liggen; bij diepe kamers moet men de spanen met koelsmeermiddel wegspoelen om problemen met het gereedschap te voorkomen. Of de operator moet dit goed bewaken, wat men eigenlijk liever niet heeft want de machine moet draaien.

Met dank aan Bendertechniek, Crispyn, De Ridder, Style CNC, Chiron, Lehmann, Makino en Maple

De voordelen van verticale CNC-machines opgesomd