Motorspindel

Die Motorspindel ist eine der wichtigsten technischen Innovationen des letzten Jahrhunderts – wenn nicht gar des gesamten letzten Jahrtausends. Denn ohne Motorspindeln, wie sie heute allenthalben in der Produktion eingesetzt werden, würde es das Leben, wie wir es heute kennen, nicht geben.

Was genau ist so eine Motorspindel eigentlich?

Spricht man von einer Motorspindel, dann ist damit eine Welle gemeint, die direktangetrieben wird und dabei präzise gelagert ist. Enthalten ist hier in aller Regel eine Werkzeugschnittstelle – zumindest bei werkzeugtragenden Spindeln. Das Gegenstück hierzu sind werkstücktragende Maschinen. Hier gibt es eine Schnittstelle für das Werkstück. Allerdings sind diese Geräte deutlich in der Minderheit.

In den heute in der automatisierten Herstellung vieler Produkte verwendeten Maschinen spielt die Motorspindel eine wichtige Rolle.

Welche Anwendungsfelder gibt es für eine Motorspindel?

Wie bereits erwähnt, kommt die Motorspindel in viele Bereichen der automatisierten Fertigung zum Einsatz. Das hat einen einfachen Hintergrund. Kaum eine andere Maschinenart kann eine so präzise und dabei so schnelle Bearbeitung von Werkstücken garantieren wie eine Motorspindel. Mit Drehzahlen von 30.000 pro Minuten erreichen Motorspindeln eine erhebliche Geschwindigkeit und bieten damit ein Produktionslevel, wie es noch vor wenigen Jahrzehnten unerreichbar schien.

So wundert es denn auch nicht, dass die Motorspindel in der Regel in CNC-Werkzeugmaschinen zum Einsatz kommt. Ob in Fräs-, Dreh- oder Schleifmaschinen. Auch in den Bereichen HPC und HSC spielt die Motorspindel eine wichtige Rolle. Die moderne Luftfahrt wäre ohne die Motorspindel gar nicht möglich. Auch die Automobilproduktion ist auf die hohe Zuverlässigkeit auf der einen Seite und im Vergleich dazu auf die ebenso hohe Geschwindigkeit in der Arbeit abgewiesen. Selbst der Formen- und Werkzeugbau in Deutschland kommt heute nicht mehr ohne die Motorspindel aus.

Nice to know – wann wurde die Motorspindel entwickelt?

Sie ist ein Kind des ausgehenden zwanzigsten Jahrhunderts. In den 80er-Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts wuchsen die Anforderungen an fertigende Maschinen in Sachen Geschwindigkeit und Genauigkeit gleichermaßen. Doch es war schnell klar, dass mit den herkömmlichen Maschinen und Techniken eine schnellere Produktion schlichtweg nicht möglich war.

Also war die Entwicklung neuer Ansätze nötig. Tatsächlich war es noch in den 80ern, als erste Hersteller auf die Idee kamen, die werkzeugtragende Spindel direkt anzutreiben und hier keinen Zwischenschritt mehr einzusetzen. Das erhöhte die erreichbare Drehzahl und parallel dazu auch die Qualität der Maschinen um ein Vielfaches.

In den 90er-Jahren des letzten Jahrhunderts kam eine Krise in der Branche der Werkzeugmaschinenhersteller auf. Das nutzten die Unternehmen, um im Rahmen von Outsourcing-Maßnahmen eine ganze Reihe von Bereichen auszusteuern. Die Produktion von Motorspindeln war schon damals ein Bereich, der sich wunderbar outsourcen ließ. Denn die Motorspindel ist ein Bestandteil einer großen Maschine, der in sich abgeschlossen und damit vergleichsweise autark daherkommt.

Die Arbeit an der Maschine selbst kann daher vom Werkzeugmaschinenhersteller ausgeführt werden, während die Zulieferer, die sich auf die Herstellung von Maschinenbestandteilen für ihre Kunden spezialisiert haben, parallel dazu die Motorspindel herstellen können. Dadurch verringert sich bereits die Produktions- und Lieferungsdauer für werkzeugführende Maschinen.

Der Vorteil dieser Entwicklung war allerdings auch, dass nun neue Unternehmen das Thema Motorspindeln in den Blick nahmen und die am Markt vorhandenen Modelle stetig weiterentwickelt haben.

Welche Bedeutung hat die Motorspindel in der heutigen automatisierten Fertigung?

Tatsächlich ist die Motorspindel aus der heutigen automatisierten Fertigung nicht mehr wegzudenken. Wie erwähnt sind es vor allem die CNC-Werkzeugmaschinen, in denen die Motorspindel zum Einsatz kommt. Die Motorspindel selbst hat die Fertigungsverfahren in der ganzen Welt revolutioniert. Deutlich höhere Drehzahlen – teilweise mit bis zu 30.000 Umdrehungen in der Minute und mehr – bei einer enormen Arbeitsgenauigkeit und der Möglichkeit eines automatisierten Werkzeugwechsels als eigenem Arbeitsschritt.

Schon diese wenigen Punkte allein lassen ältere Fertigungsanlagen neben der Motorspindel alt und vor allem sehr langsam und unpraktisch erscheinen. Vollkomme zu Recht, denn die moderne Fertigungsindustrie wäre in ihrer Art und Weise in ihrem Erfolg und ihren Fähigkeiten ohne die Motorspindel nicht vorstellbar.

Wie ist eine typische Motorspindel aufgebaut?

Bei manchen Maschinen ist es so, dass der Aufbau von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich ist. Das ist bei einer Motorspindel allerdings kein echter Faktor. Allein das jeweilige Anwendungsfeld und die Art der Maschine selbst können zu unterschieden in der Gestaltung der Motorspindel führen. Dennoch ist der Aufbau an sich oftmals ähnlich und auch bei den unterschiedlichsten Motorspindeln zumindest ein Stück weit vergleichbar.

Die Motorspindel besteht aus den folgenden Elementen:

• Dem Gehäuse mit der verbauten Kühlung
• Der Welle
• Einer Werkzeug- oder Werkstückschnittstelle
• Dem Antrieb an sich
• Der Lagerung oder den Lagerungen – zumeist sind es zwei, die hier verbaut werden
• Stator
• Rotor
• Der Löseeinheit
• Dem Werkzeugspanner
• Einer Befestigungsflansch

Das Gehäuse einer Werkzeugspindel ist in aller Regel vor allem kompakt und platzsparend in seinem Design. Der geringe Raum im Inneren der Spindel erhöht dabei natürlich den Bedarf an Kühlung. Hier können Öl, Luft oder Wasser mit entsprechender Kühlflüssigkeit zum Einsatz kommen. Die Wasserkühlung des Stators ist dabei die häufigste Art der Kühlung.

Die Welle ist das zentrale Element der gesamten Spindel. Hier ist auch die Werkzeugschnittstelle oder die Werkstückschnittstelle integriert. Wichtig ist dabei, dass die Welle steif genug ist, um die enormen Kräfte, die auf sie wirken, richtig einzuschätzen und ihnen im Endeffekt standhalten zu können.

Die Werkzeug- oder Werkstückschnittstelle ist so etwas wie das Herzstück der Motorspindel. Denn ohne die Möglichkeit, ein Werkzeug oder ein Werkstück einzuspannen und – vor allem bei werkzeugführenden Spindeln – das Werkzeug auch während der Arbeit zu wechseln, kann es keine automatisierten Abläufe geben. Aus diesem Grund muss diese Schnittstelle absolut fehlerfrei funktionieren

Der Antrieb der Motorspindel wird in aller Regel von einem Elektromotor dargestellt. Die Motorspindel stellt einen Direktantrieb dar, was man bei genauem Hinsehen auf den ersten Blick erkennen kann. Denn in diesem Fall gibt es zwischen dem Antrieb oder Motor und der Spindel oder der Welle, die betrieben wird, kein Getriebe. Die Motorleistung geht direkt auf die Spindel über und muss daher zu 100 Prozent zur Motorspindel passen.

Die Spindellagerung ist ein weiterer essenzieller Bestandteil einer Motorspindel. Sie sorgt dafür, dass die enormen Kräfte, die hier im Inneren der Maschine wirken, nicht auf das Werkzeug oder die Welle zurückfallen. Die Lagerung selbst muss dafür sorgen, dass die Werkzeuge in der Schnittstelle fortlaufend zuverlässig und korrekt ihre Arbeit verrichten.

Stator und Rotor sind die Herzstücke der Maschine und stellen den feststehenden und den beweglichen Teil der Spindel dar. Sie umgeben den Werkzeugspanner, in den die jeweils zu nutzenden Werkzeuge eingespannt werden. Die Löseeinheit ist dafür zuständig, den Werkzeugspanner zu öffnen oder zu „lösen“, wenn das Werkzeug gewechselt werden muss.

Die Werkzeugschnittstelle selbst liegt am Ende der Motorspindel und stellt den Punkt dar, an dem das eingespannte Werkzeug aus der Maschine selbst herausragt.

Fazit: Die Motorspindel ist eine der wichtigsten Entwicklungen des letzten Jahrhunderts

Sie hat den Fertigungsprozess und das Leben der Menschen weltweit erheblich verändert. Dabei ist bei der Herstellung und der Auswahl der richtigen Motorspindel für Ihr Unternehmen absolutes Augenmaß erforderlich. Denn die Qualität Ihrer Produktion steht und fällt mit der Qualität ihre Motorspindeln bzw. Ihrer werkzeugführenden Maschinen.