Im xTool X1: Wie der UniCast Frame Präzision durch einteiligen Druckguss ermöglicht

Bei einer großformatigen Maschine wie dem xTool X1 reicht Geschwindigkeit allein nicht aus. Hochgeschwindigkeitsbewegungen, ein langer Flying-Optics-Strahlengang und ein großer Arbeitsbereich hängen von etwas ab, das Nutzer kaum sehen: einem Rahmen, der steif, präzise und stabil bleibt.

Diese Anforderung brachte uns dazu, die Konstruktion des X1 grundlegend neu zu denken.

Statt eines konventionellen Rahmens aus Aluminiumprofilen und Blechteilen entwickelte xTool den UniCast Frame. Dabei werden für Ober- und Untergehäuse große, einteilige Druckgussstrukturen verwendet.

Das Konzept klingt einfach. Es im Produktionsmaßstab zuverlässig umzusetzen, war jedoch deutlich anspruchsvoller.

Damit das Konzept funktioniert, musste unser Entwicklungsteam mehrere zentrale Herausforderungen lösen: die erforderliche Formgenauigkeit mit einer Druckgussmaschine der 4.000-Tonnen-Klasse erreichen, bei großen dünnwandigen Gussteilen ausreichend Steifigkeit und Torsionsfestigkeit sicherstellen, Passung und Ausrichtung von Ober- und Untergehäuse präzise kontrollieren, die hohen Bearbeitungsanforderungen des Flying-Optics-Systems erfüllen und eine stabile Ausbeute in der Serienproduktion erzielen.

Das Ergebnis ist mehr als nur ein stabilerer Rahmen. Der UniCast Frame schafft die strukturelle Referenz, die dem xTool X1 hilft, auch bei Hochgeschwindigkeitsbewegungen stabil zu bleiben und gleichzeitig ein anspruchsvolles Flying-Optics-System zu unterstützen.

Warum der xTool X1 eine einteilige Druckgussstruktur benötigt

Der xTool X1 ist eine großformatige Hochgeschwindigkeits-Bearbeitungsmaschine mit mehreren Lasern und einem dualen optischen Pfadsystem.

Im Inneren der Maschine durchläuft der Laser sieben optische Wechselwirkungen, darunter die Brechung durch Linsen. Der längste optische Pfad beträgt etwa 1,8 Meter.

Über diese Distanz muss die Abweichung des optischen Pfads vom Anfang bis zum Ende innerhalb von 1 mm bleiben.

Diese Anforderungen stellen hohe Ansprüche an die Maschinenstruktur.

Je länger der optische Pfad wird und je mehr optische Komponenten der Laser durchläuft, desto empfindlicher reagiert das System auf Veränderungen der Rahmengeometrie. Schon eine kleine Winkel- oder Positionsabweichung an einer Stelle der Struktur kann sich verstärken, nachdem der Laser mehrere Stufen des optischen Systems durchlaufen hat.

Gleichzeitig wirken durch die schnellen CoreXY-Bewegungen kontinuierlich dynamische Lasten auf den Rahmen. Ist die Struktur nicht steif genug, können Vibrationen und kleine Verformungen die Bewegungsgenauigkeit und die Bearbeitungsleistung beeinträchtigen.

Die Grenzen eines konventionell montierten Rahmens

Viele Maschinen verwenden Rahmen aus Aluminiumprofilen und Blechteilen. Dieses etablierte Fertigungsverfahren bietet viel Flexibilität bei Montage und Justierung.

Allerdings besteht ein montierter Rahmen auch aus mehr Einzelteilen und mehr Verbindungspunkten.

Je größer und schneller eine Maschine wird, desto schwieriger lassen sich diese Schnittstellen kontrollieren. Toleranzketten zwischen Bauteilen, kleine Bewegungen an Verbindungspunkten und Verformungen beim Transport können die Gesamtgenauigkeit der Struktur beeinträchtigen.

Diese Risiken werden noch wichtiger, wenn dieselbe Struktur zugleich als Referenz für einen langen und präzisen optischen Pfad dienen muss.

Der Einsatz großer, einteiliger Aluminium-Druckgussstrukturen für Ober- und Untergehäuse bietet mehrere Vorteile. Er reduziert die Zahl der Verbindungsstellen, schafft einen durchgängigeren Lastpfad und liefert eine konsistentere strukturelle Referenz für Montage und optische Ausrichtung.

Die Gussteile können zugleich einen Teil der Außenhülle der Maschine bilden, sodass weniger zusätzliche Verkleidungselemente benötigt werden.

Die Herausforderung besteht darin, dass große, dünnwandige Druckgussteile mit hoher Präzision deutlich schwieriger herzustellen sind.

Beim xTool X1 dienen die Gussteile nicht nur als mechanische Stütze. Sie fungieren zugleich als Präzisionsreferenz für das Bewegungssystem und das Flying-Optics-System. Deshalb muss die Maßgenauigkeit über den gesamten Fertigungsprozess hinweg kontrolliert werden.

Warum großformatiger einteiliger Druckguss so anspruchsvoll ist

Die größte Herausforderung beim großformatigen Druckguss besteht nicht nur darin, die Form erfolgreich zu füllen. Schwieriger ist es, die Geometrie des Bauteils nach dem Guss zu kontrollieren.

Ein großes, dünnwandiges Aluminiumgussteil durchläuft vor der Endmontage mehrere Prozessschritte:

Druckguss → Angussentfernung → Alterungswärmebehandlung → Strahlen → Richten → CNC-Bearbeitung → Schleifen und Finish → Pulverbeschichtung → Montage

Jeder dieser Schritte kann die endgültige Geometrie beeinflussen.

Temperaturänderungen führen dazu, dass sich das Material zusammenzieht. Auswerfkräfte können Verformungen verursachen. Innere Spannungen können sich lösen, nachdem das Bauteil die Form verlassen hat oder während der Bearbeitung. Auch die Aufspannung kann die Form eines großen Gussteils beeinflussen, wenn es falsch fixiert wird.

Diese Maßänderungen können anschließend spätere Produktionsschritte beeinflussen.

Wenn sich das Gussteil verformt, kann sich die Referenz für die CNC-Bearbeitung verschieben. Ist diese Referenz ungenau, lassen sich Ober- und Untergehäuse bei der Montage möglicherweise nicht korrekt ausrichten. Montagefehler können dann sowohl das Bewegungssystem als auch das optische System beeinträchtigen.

Lokale Verformungen können außerdem auf das Maschinenbett oder den Hubmechanismus übertragen werden und dadurch das Risiko mechanischer Kollisionen oder eines Verklemmens erhöhen.

Aus diesen Gründen konnte der UniCast Frame nicht allein als Druckgussproblem betrachtet werden.

Er musste als vollständiges Fertigungssystem betrachtet werden.

xTool musste mehrere Fragen gleichzeitig beantworten: Lassen sich die Bauteile konsistent gießen? Kann ihre Geometrie nach dem Guss kontrolliert werden? Können sie präzise bearbeitet und montiert werden? Und lässt sich der gesamte Prozess in der Serienproduktion zuverlässig wiederholen?

Wie xTool den UniCast Frame entwickelte

Es gab keinen einzelnen Fertigungsprozess, der all diese Herausforderungen lösen konnte.

Stattdessen entwickelte xTool einen vollständigen Prozess, der großformatigen Druckguss, Richten, CNC-Antasten und adaptive Bearbeitung, Drei-Punkt-Positionierung sowie Struktursimulation kombiniert.

Einsatz einer Druckgussmaschine der 4.000-Tonnen-Klasse

Große Druckgussstrukturen erfordern ausreichend Maschinenkapazität, um die Form konsistent zu füllen und stabile Formbedingungen aufrechtzuerhalten.

Vor dem X1 war die größte von xTool eingesetzte Druckgussmaschine für etwa 1.000 Tonnen ausgelegt.

Für den UniCast Frame wechselte xTool zu einer Druckgusslösung der 4.000-Tonnen-Klasse. Das bedeutete gegenüber unserer bisherigen Erfahrung einen deutlichen Sprung in der Größenordnung und war in der bestehenden Lieferkette dieser Produktkategorie ungewöhnlich.

Die größere Druckgussmaschine bietet mehr Arbeitsraum, höhere Schließkraft und eine stärkere Füllleistung. Das sind notwendige Voraussetzungen für die Herstellung eines so großen Strukturgussteils.

Der Einsatz einer größeren Druckgussmaschine macht das fertige Bauteil jedoch nicht automatisch präzise.

Die Anlage der 4.000-Tonnen-Klasse löst das erste Problem: das große Gussteil konsistent zu formen.

Für die Kontrolle der Verformung nach dem Guss sind zusätzliche Prozesse erforderlich.

Richten kombiniert mit CNC-Antasten und adaptiver Bearbeitung

Nach dem Druckguss geht der Rahmen nicht direkt in die CNC-Bearbeitung.

xTool entwickelte einen vollständigen Prozess zur Maßkontrolle der großen Gussteile:

Gussprüfung → Richten → erneute Maßprüfung → automatisiertes CNC-Antasten → adaptive Bearbeitung → Montage- und Strahlengangprüfung

Zuerst wird das Rohgussteil geprüft und seine Verformung durch manuelles oder vorrichtungsgestütztes Richten korrigiert. Ziel ist es, das Gussteil in einen Maßbereich zu bringen, der anschließend im CNC-Prozess bearbeitet werden kann.

Während der CNC-Bearbeitung misst ein automatisierter Taster die tatsächliche Geometrie jedes einzelnen Gussteils. Auf Basis dieser Messwerte wird anschließend die Bearbeitungsreferenz festgelegt. Das ist wichtig, weil große Rohgussteile nie vollkommen identisch sind.

Dieser Ansatz reduziert Fehler, die durch Abweichungen zwischen den Rohgussteilen entstehen. Gleichzeitig verringert er die Abhängigkeit von manuellen Einschätzungen bei der Festlegung der Bearbeitungsreferenz.

Bei einem großen Präzisionsgussteil beruht Genauigkeit nicht auf der Annahme, dass jedes Rohteil perfekt ist. Entscheidend ist, die tatsächliche Geometrie jedes Bauteils zu messen und es entsprechend zu bearbeiten.

Drei-Punkt-Positionierung zur Vermeidung von Überbestimmung

Mehr Positionierungspunkte führen nicht zwangsläufig zu einer präziseren Bearbeitung.

Das ist besonders wichtig bei einem großen Gussteil, das bereits geringfügige Verformungen aufweisen kann.

Wird das Gussteil gleichzeitig gegen zu viele Positionierungspunkte gedrückt, kann die Vorrichtung das Bauteil überbestimmen. Verschiedene Punkte können Kräfte in unterschiedliche Richtungen ausüben und zusätzliche Verformungen verursachen.

Dadurch kann ein Bauteil zwar seine eigenen Bearbeitungsanforderungen erfüllen, bei der Endmontage aber dennoch Ausrichtungsprobleme verursachen.

Um dieses Problem zu lösen, ersetzten wir den ursprünglichen Ansatz mit mehreren Positionierungspunkten durch ein Drei-Punkt-Positionierungssystem.

Drei Punkte reichen aus, um eine stabile Referenzebene zu definieren, ohne das Gussteil unnötig zu verspannen. xTool überarbeitete außerdem die Bearbeitungs- und Montagereferenzen auf Basis dieser Positionierungsstrategie. Dadurch wurde die Wiederholgenauigkeit bei der Rahmenpositionierung verbessert, der Stufenversatz zwischen Ober- und Untergehäuse besser kontrolliert und eine konsistentere Montagereferenz für das optische System geschaffen.

Struktursimulation für die Balance aus Steifigkeit und Gewicht

Ein steifer Rahmen muss nicht schwer sein.

Mehr Aluminium würde zwar die Steifigkeit erhöhen, gleichzeitig aber auch Maschinengewicht, Versandaufwand sowie Installations- und Handhabungsaufwand vergrößern.

Stattdessen nutzte unser Entwicklungsteam Struktursimulationen, um zu analysieren, wie Kräfte durch den Rahmen geleitet werden. Material blieb dort erhalten oder wurde verstärkt, wo sich Lasten konzentrieren. Bereiche mit geringerer struktureller Belastung wurden ausgehöhlt oder dünner ausgeführt.

In einigen Bereichen des großen Rahmens wurde die Wandstärke auf nur 1,5 mm reduziert.

Dünnwandigen Druckguss in dieser Größenordnung umzusetzen und dabei Verzug sowie Maßgenauigkeit zu kontrollieren, machte den Fertigungsprozess noch anspruchsvoller. Gleichzeitig konnte die Struktur so die erforderliche Steifigkeit erreichen, ohne unnötig viel Masse einzusetzen.

Dadurch wiegt der komplette xTool X1 nur etwa 50 kg.

Das Ziel bestand nicht einfach darin, Material zu entfernen. Entscheidend war, Material genau dort einzusetzen, wo es den größten Beitrag leistet.

Vom Prototyp zur Serienproduktion

Ein einzelner Rahmen, der die Spezifikationen erfüllt, beweist, dass das Design funktioniert. In der Serienproduktion muss dasselbe Ergebnis jedoch immer wieder zuverlässig erreicht werden.

In der frühen Phase des UniCast-Frame-Projekts war die Ausbeute fertiger Teile gering. Abweichungen konnten an vielen Stellen des Prozesses entstehen, darunter Formdesign, Druckgussparameter, Kühlung, Auswerfen, Richten und CNC-Bearbeitung.

Um die Konsistenz zu verbessern, arbeiteten wir mit unseren Lieferanten in wiederholten Zyklen aus Formversuchen, Messung, Analyse und Prozessanpassung. Schritt für Schritt entstand so ein durchgängiger Fertigungsprozess, der Verformungskontrolle, Richten, CNC-Bearbeitung, Montageprüfung und Qualitätsmanagement in der Produktion umfasst.

Auch die Fähigkeiten der Lieferanten in Bereichen wie großtonnagiger Druckguss, Formenentwicklung, CNC-Bearbeitung, Oberflächenbehandlung und Produktionskapazität wurden im Rahmen des Prozesses bewertet.

Durch die kontinuierliche Optimierung stieg die Ausbeute fertiger Teile auf nahezu das Fünffache des ursprünglichen Niveaus.

Diese Verbesserung markierte einen wichtigen Übergang: Der großformatige einteilige Druckguss für den xTool X1 entwickelte sich von einem umsetzbaren Engineering-Konzept zu einem wiederholbaren und kontrollierbaren Serienproduktionsprozess.

Was der UniCast Frame für Nutzer des xTool X1 bedeutet

Die meisten Nutzer werden die Guss-, Richt-, Mess- und Bearbeitungsprozesse hinter dem UniCast Frame nie zu sehen bekommen.

Der Zweck dieser Entwicklungsarbeit besteht jedoch darin, Leistung und Konsistenz der fertigen Maschine zu verbessern.

Eine stabilere Basis für Hochgeschwindigkeitsbewegungen

Die acht Ecken von Ober- und Untergehäuse wirken zusammen und bilden eine integrierte tragende Struktur.

Im Vergleich zu einem Rahmen aus vielen Einzelteilen reduzieren die einteiligen Gussteile die Zahl der Verbindungsstellen und damit das Potenzial für Relativbewegungen zwischen den Strukturkomponenten.

Die daraus resultierende Steifigkeit schafft eine stabilere Basis für schnelle CoreXY-Bewegungen und trägt dazu bei, die Auswirkungen struktureller Vibrationen und Verformungen während der Bearbeitung zu reduzieren.

Eine stabilere Referenz für das Flying-Optics-System

Druckguss, Richten, CNC-Antasten, adaptive Bearbeitung und Drei-Punkt-Positionierung verfolgen dasselbe Ziel: eine konsistente strukturelle Referenz für das optische System zu schaffen.

Der Laser durchläuft sieben optische Wechselwirkungen auf einem Pfad von bis zu etwa 1,8 Metern. Über einen so langen Strahlengang können sich kleine Fehler von einer Stufe zur nächsten summieren. Eine stabile strukturelle Referenz hilft, diese Fehlerakkumulation zu reduzieren und unterstützt eine konsistentere Bearbeitungsleistung über verschiedene Bereiche der Arbeitsfläche hinweg.

Eine zuverlässigere Struktur

Bei einem konventionell montierten Rahmen werden Lasten über mehrere Bauteile und Verbindungspunkte übertragen.

Die einteiligen Druckgussstrukturen schaffen in zentralen Bereichen der Maschine einen durchgängigeren Lastpfad. Dadurch steigt die Widerstandsfähigkeit gegen Stöße und Verformungen beim Transport.

Die integrierte Struktur reduzierte außerdem die Stückliste der Maschine um etwa 70 Positionen und erforderte 268 Schrauben weniger.

Weniger Komponenten bedeuten weniger Befestigungselemente, weniger Montageschritte und weniger potenzielle Quellen für Maßabweichungen. Das verbessert die Konsistenz zwischen einzelnen Maschinen in der Serienproduktion.

Weniger Gewicht ohne Verzicht auf eine solide Metallstruktur

Die Druckgussstrukturen übernehmen sowohl mechanische als auch gestalterische Funktionen der Außenhülle.

Da Teile des Rahmens zugleich den sichtbaren Maschinenkörper bilden, werden weniger zusätzliche Außenverkleidungen benötigt. Dadurch erhält der xTool X1 eine stärker integrierte Metallstruktur, während unnötige Komponenten entfallen.

Gleichzeitig halten Struktursimulation und gezielter Materialabtrag das Gesamtgewicht der Maschine bei etwa 50 kg. Ziel ist nicht, Steifigkeit einfach durch mehr Gewicht zu erzeugen. Stattdessen werden strukturelle Festigkeit, Gewicht, Zuverlässigkeit und Außendesign innerhalb desselben Systems ausbalanciert.

Über den xTool X1 hinaus: Aufbau wiederverwendbarer Fertigungskompetenz

Für xTool reicht der Wert des UniCast Frame über ein einzelnes Produkt hinaus.

Für den X1 musste das Team ein durchgängiges Verständnis des großformatigen einteiligen Druckgusses aufbauen – vom frühen Strukturdesign bis hin zur Serienproduktion.

Dazu gehört die Fähigkeit:

• zu bestimmen, ob sich ein Produkt für einteiligen Druckguss eignet;
• große, steife und dünnwandige Strukturen zu entwickeln und dabei das Gewicht zu kontrollieren;
• Verformungen während Guss, Auswerfen und Bearbeitung zu erkennen und zu steuern;
• durch automatisiertes CNC-Antasten und Drei-Punkt-Positionierung präzise Bearbeitungsreferenzen zu schaffen;
• Lieferanten für große Formen, Druckguss, CNC-Bearbeitung und Oberflächenbehandlung zu bewerten;
• einen erfolgreichen Prototyp in einen wiederholbaren Serienproduktionsprozess zu überführen.

Diese Fähigkeiten können nun zukünftige Produkte unterstützen, die größere Strukturen, höhere Steifigkeit und engere Präzisionstoleranzen erfordern. Künftige Entwicklungen müssen nicht bei null beginnen, sondern können auf einer strukturellen, fertigungstechnischen und lieferkettenseitigen Grundlage aufbauen, die bereits mit dem xTool X1 validiert wurde.

Präzision beginnt bei der Struktur

Wer den xTool X1 betrachtet, achtet wahrscheinlich eher auf Geschwindigkeit, Arbeitsbereich, optisches System oder Bearbeitungsergebnisse als auf den darunter verborgenen Rahmen.

Doch keine dieser sichtbaren Fähigkeiten steht für sich allein.

Der UniCast Frame wurde entwickelt, um dem xTool X1 eine steife und präzise strukturelle Basis zu geben – eine Basis, die Hochgeschwindigkeitsbewegungen, einen langen Flying-Optics-Strahlengang, konsistente Serienproduktion und ein praxisgerechtes Gesamtgewicht ermöglicht.

Dafür war weit mehr nötig als nur ein großes Aluminiumgussteil herzustellen. Es musste ein vollständiges Fertigungssystem für Formen, Richten, Messen, Bearbeiten, Positionieren, Montieren und die Serienproduktion einer großen Präzisionsstruktur aufgebaut werden.

Genau darin liegt der eigentliche Wert des UniCast Frame.

Wir haben ihn nicht einfach gebaut, um den X1 stabiler zu machen. Wir haben ihn entwickelt, damit Geschwindigkeit präzise bleibt, die optische Ausrichtung stabil bleibt und die Leistung von Maschine zu Maschine konsistent bleibt.

Vieles von dieser Entwicklungsarbeit wird für Nutzer nie sichtbar sein. Das soll es auch nicht.

Denn die wichtigste Struktur einer Präzisionsmaschine ist oft die, die man nie bemerkt – bis sie nicht präzise genug ist.

Geschwindigkeit ist das, was man sieht. Präzision ist das, was man misst. Doch Vertrauen beginnt bei der Struktur, die beides reproduzierbar macht.

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