Het hoe en waarom van vijfassig verspanen

In elke steenblok zit een kunstwerk verscholen; het is aan de beeldhouwer om het eruit te halen. Het zijn de woorden van de Italiaanse renaissancekunstenaar Michelangelo. Stel je voor wat hij allemaal had kunnen realiseren wanneer hij zijn hamer en beitel zou ingeruild hebben voor CNC-gestuurde werktuigmachines. Duizenden standbeelden van David, in al evenveel materialen. Of je nu een meesterwerk in marmer wil beeldhouwen of turbinebladen uit titanium, het basisprincipe blijft hetzelfde: materiaal verwijderen tot je de gewenste vorm hebt. Met vijfassige verspaningscapaciteit creëer je meer mogelijkheden om dat efficiënter te doen.

Simpel uitgelegd komt vijfassig verspanen neer op het simultaan langs vijf assen bewegen van je werkstuk of je snijgereedschap. Hierdoor kan een werktuigmachine zeer complexe stukken maken, wat meteen verklaart waarom vijfassige verspaning eerst ingang heeft gevonden bij bedrijven die actief zijn in (toelevering aan) de luchtvaartindustrie. 

Dat vijfassig verspanen intussen veel breder verspreid raakte, dankt het aan verschillende evoluties, te beginnen met de ruk naar een werkstuk in één en dezelfde opspanning perfect afwerken. Een evolutie die nodig is in een high mix, low volume productie om de doorlooptijden te verkorten en efficiëntie te laten zegevieren. 

Dankzij vijfassig verspanen vermindert ook het risico op botsingen met de gereedschapshouder. De tafel of het snijgereedschap kan nu kantelen, waardoor er een betere toegang is tot de geometrie van het werkstuk. Een ander rechtstreeks gevolg van die kantelfunctie is dat de standtijden van gereedschappen eveneens toenemen. Ze kunnen immers optimaal gepositioneerd worden, voor het snijden én voor de spaanafvoer.

Maar wat zijn nu die vijf befaamde assen? Laten we daarvoor er een andere grootheid uit het verleden bij halen. Toen René Descartes vanuit zijn bed een vlieg door de kamer zag gaan, realiseerde hij zich dat hij slechts drie waarden nodig had om de exacte positie van de vlieg in een driedimensionale kamer te beschrijven: de variabelen X, Y en Z. Dat legde de grondvesten voor het Cartesiaanse coördinatensysteem en drie van de vijf assen die we nodig hebben in vijfassig verspanen. 

Hoe zit dat dan met die andere twee? Als we inzoomen op die vlieg van Descartes, kunnen we niet alleen haar positie in de ruimte bepalen, maar ook haar oriëntatie: de A-as. Een as die roteert om de X-as. Ten slotte is er dan nog de schuinstand, is de vlieg aan het landen of opstijgen, die beschreven wordt door de B-as, een roterende as rond de Y-as. Er kan dan uiteraard nog een as rond Z roteren, maar in verspaning voegt die extra kost weinig extra waarde toe. Vandaar de voorkeur voor vijfassige configuraties. Hoe die assen zich dan precies verhouden in de machine zelf, hangt af van de opbouw en of het een verticaal of horizontaal bewerkingscentrum is. En uiteraard: hoe meer spindels er zijn, hoe meer assen.    

Hoe je het ook draait of keert, de stukken die je maakt met al die assen zijn vijfassige stukken. Dat kan wel in verschillende configuraties gebeuren. Of je nu een drieassige, vierassige of vijfassige set-up nodig hebt, hangt dan in grote mate af van de geometrie van het te bewerken stuk en uiteraard van wat de klant ter beschikking heeft aan machines en orders. In verspaning is 3+2 (positioneel vijfassig verspanen) niet gelijk aan 5 (simultaan vijfassig verspanen). In het eerste geval wordt er een drieassig programma uitgevoerd waarbij het snijgereedschap zich in een vaste positie tussen de twee roterende assen bevindt. In het tweede geval gebeuren er continu aanpassingen aan het snijgereedschap langs alle vijf assen, zodat de snijtip perfect loodrecht ten opzichte van het werkstuk staat. 

Het grote voordeel van laatst genoemde werkwijze is de snelheid van werken. Alles kan zonder stoppen in één keer afgewerkt worden. Al vraagt dat dan wel om meer aandacht tijdens het programmeren, om botsingen te vermijden. CAD/CAM en vijfassig verspanen gaan dan ook hand in hand.

Om nog wat meer met getallen te gooien, maken we hier ook een kleine vergelijking met additive manufacturing technieken, beter bekend onder het label 3D-printen. 

Volgens de diehard ‘believers’ gaat het om een disruptieve techniek die de volledige verspaningswereld op haar kop zal zetten. In de meeste gevallen bewijzen beide technieken zich echter als zeer complementair. Er liggen wel degelijk opportuniteiten om door stukken laag voor laag te gaan opbouwen een ontwerp te realiseren dat met klassieke verspaning niet zou mogelijk zijn. Maar er zijn nog altijd een heel aantal stukken die net verspaningstechnieken nodig hebben, bijvoorbeeld als het om heel nauwe toleranties gaat. 

Moeten we dan in de toekomst hybride werktuigmachines gaan verwachten? Neen. Voor een efficiënte manier van werken functioneren ze beter apart. Denk maar aan het recupereren van het poeder bij 3D-printen, of aan het verwijderen van spanen bij verspaning. Processen die zo optimaal mogelijk moeten verlopen. Het antwoord zal eerder liggen in een plaats voor beide technologieën, zij aan zij op de werkvloer maar verbonden door automatisering. 

Er zijn vandaag al heel wat ateliers die de investering in vijfassig verspanen gedaan hebben. Maar die capaciteiten worden niet overal ten volle benut. Dat kan te maken hebben met een gebrek aan inzicht of de juiste software om het potentieel ten volle te ontgrendelen. Er komt wel wat training aan te pas om de stap van drieassig naar simultaan vijfassig te leren zetten. Zowel in het ontwerpen als het programmeren van stukken. In vele gevallen draait het allemaal om de sturing en de software om tot een vloeiend gereedschapstraject te komen. 

Een belangrijke feature in die software zal botsingsherkenning moeten zijn. Er bestaan al heel wat oplossingen die snel het programma simuleren om fouten er op voorhand uit te kunnen halen. De meeste problemen die gebruikers ondervinden gaan niet over het maken van spanen, maar om personeel, een correcte communicatie van de werkvoorbereiding tot aan de machine, en de juiste gereedschappen in het magazijn hebben om een stuk af te werken.