Trends & Innovationen

Technologie

Raus aus dem Labor – rein ins Leben

08.07.2009

Forschung und Entwicklung: Die Ergebnisse praxisnaher Forschungen werden für den Werkzeug- und Formenbau immer wichtiger, denn Innovationsvorsprung bedeutet auch Wettbewerbsvorsprung. werkzeug&formenbau hat sich vier Forschungsprojekte angesehen, die Potenzial für die praktische Umsetzung bergen.
Der Laser hat’s den Forschern und Entwicklern in den letzten Jahren besonders angetan. Vor allem die Kombination mit anderen Technologien soll einen deutlichen Produktivitätsschub in der Fertigung bringen. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS), Dresden, hat nun ein Lasermodul in die Werkzeugaufnahme einer Frässpindel eines fünfachsigen Bearbeitungszentrums integriert. Die Idee dahinter: Während der Laser das dreidimensionale Auftragsschweißen übernimmt, erledigt die Fräsmaschine die endkonturnahe Nachbearbeitung.

40-02Für Kunststoff und Metall universell einsetzbares 5-Achs-Fräszentrum „Wir haben alle Verfahrensschritte auf der Basis einheitlicher CAD- und NC-Daten verknüpft und in einer Maschine bei einer Werkstückaufspannung realisiert”, erläutert Steffen Nowotny vom IWS die Vorteile der Verfahrenskombination. Das 5-Achs-CNC-Fräszentrum eignet sich für Reparaturarbeiten von Formeneinsätzen in der Kunststoffproduktion genauso wie für die Bearbeitung filigraner Oberflächen und Funktionsschichten von metallischen Bauteilen.

40-01Ein weiterer Vorteil der Laser-Fräskombination: Es erlaubt die kosteneffiziente Herstellung komplexer Formelemente und metallischer Bauteile direkt aus einem 3D-CAD-Modell. Der hohe Automatisierungsgrad und die Multitasking-Fähigkeiten der Maschinenanlage sind – neben dem Einsatz im Werkzeug- und Formenbau – beispielsweise auch für das Instandsetzen von Triebwerken und im Automobilbau ein großer Vorteil. „Die Software verkettet alle Teilprozesse. Das erleichtert und beschleunigt die Maschinenprogrammierung”, weiß Steffen Nowotny.

Der schnelle und unkomplizierte Wechsel zwischen Fräsen und Lasern in Kombination mit der Komplettbearbeitung in einer Aufspannung besitzt zudem den Charme, dass sich die Prozesse schneller, einfacher und auch genauer abbilden lassen.

Ebe­nfalls mit dem Laser als poten-zielles Bearbeitungsinstrument für den Werkzeug- und Formenbau beschäftigen sich die Forscher des Fraunhofer IPT (Institut für Produktionstechnologie) in Aachen. Bereits letztes Jahr konnte zusammen mit der Freudenberg Anlagen- und Werkzeugtechnik GmbH, Laudenbach, eine Laserstrukturieranlage zur Herstellung von Mikrostrukturen auf Freiformflächen vorgestellt werden (siehe auch: werkzeug&formenbau 1/09, Seite 54).

Die Maschine basiert auf einem Bearbeitungszentrum HSM 600U von GF AgieCharmilles; wichtiger Unterschied: Die Bearbeitungsspindel wurde durch ein Lasersystem ersetzt. Das eigentliche Herz der Maschine schlägt allerdings in Form einer Technologiedatenbank. Sie sorgt dafür, dass der Anwender die Maschine wie eine normale Werkzeugmaschine programmieren kann, ohne sich um die Eigen- und Feinheiten der Laser­applikation kümmern zu müssen.

Schneller und kostengünstiger
Der Vorteil des Lasers: Im Vergleich zur konventionellen Oberflächenstrukturierung per Ätztechnik ist man um bis zu 80 Prozent schneller bei rund 70 Prozent reduzierter Kosten. Zudem besteht eine recht große Designfreiheit, wie Kristian Arntz vom Fraunhofer IPT betont: „Was der Designer darstellen kann, ist mit dieser Maschine auch umsetzbar.” Der Nachteil: Bisher ist die Größe der Bauteile beschränkt auf kleinere Werkstücke; die Rechnerkapazität ist das limitierende Element.

Inzwischen befindet sich die Maschine auf dem Sprung in den rauhen Fertigungsalltag. Die Anlagenbauer bei Freudenberg sehen das Einsatzgebiet der Maschine im ersten Schritt vor allem im Einbringen von Mikrostrukturen zur Entlüftung von Werkzeugen für Elastomerbauteile.

Die Maschine bietet aber Potenzial für Mehr: Vor allem auf dem Feld der Ätz- und Graviertechnologie kann sie ihre Möglichkeiten voll ausspielen. Ein Fernziel könnte das Strukturieren von Formwerkzeugen für das Interieur im Pkw sein; Stichwort: Dashboard oder Seitenteile. Ein weiterer, durchaus geschäftsfähiger Gedanke – dabei auch schneller umzusetzen – ist die Individualisierung von Handyschalen: Die Mikrostrukturierung per Laser macht‘s möglich.

Grundlegend und sehr intensiv widmen sich die Aachener Forscher und Entwickler auch der CAD- und CAM-Prozesskette. Aus dieser Tätigkeit heraus entstehen viele, eigenprogrammierte Softwaretools und Programme, die wiederum die Basis für maschinentechnische Anwendungen sind. Bestes Beispiel dafür ist eine Roboterzelle zum Polieren von Freiformflächen. Ziel ist, das sehr arbeitsintensive, manuelle Polieren von Kavitäten aus dem Bankraum hin zum Roboter zu verlagern. Basis für die Umsetzung ist ein Knickarmroboter, in den eine axial zustell-bare Polierspindel integriert ist. Wer Roboter kennt, der weiß, dass sie sich eigentlich sehr ruckartig bewegen. Und genau hier setzt das Programmierwissen der Aachener Spezialisten ein. „Wir haben uns intensiv damit beschäftigt”, sagt Kristian Arntz, „um die Bewegungen des Roboters zu glätten und die Bahnführungen sehr harmonisch ablaufen zu lassen.”

Voraussetzung dafür war, dass im Vorfeld der Umsetzung ein intensiver Gedankenaustausch mit erfahrenen Polierern erfolgte. Erst als der Prozess des Polierens richtig verstanden wurde, konnte man ihn auch in mathematisch beschreibbaren Bahnen überführen.

Sehr viel Know-how wurde zudem in die Spindel transferiert. So sorgt eine Gummimembran dafür, dass an der Oberfläche des Werkstücks immer ein konstant definierter Druck herrscht – das feine Händchen des Polierers eben.

Momentan beherrscht der Roboter das Polieren weit geschwungener Freiformflächen, da die Spindel immer senkrecht zur Fläche stehen muss. In Zukunft, da ist sich Arntz sicher, wird der Roboter auch richtige Krümmungen und Kavitäten polieren können.

Sehr exotisch erscheint dagegen – zumindest auf den ersten Blick – eine Technik, mit der sich das Fraunhofer ICT (Institut für chemische Technologie) in Pfinztal beschäftigt. Das Thema heißt Sprengprägen von Werkzeugformen. Das klingt zwar archaisch, ist aber genau das Gegenteil. Zudem besitzt es für gewisse Bereiche ein nicht zu unterschätzendes wirtschaftliches Potenzial. Doch worum geht es? Beim Sprengprägen wird eine Sprengfolie genutzt, um Abbildungen von Vorlagen in eine Werkzeugform zu prägen. Das können natürliche Nano- und Mikrostrukturen – beispielsweise Blätter – genauso sein wie Grobstrukturen von Holz-, Leder- oder Textilgegenständen.

Durch den gezielten Sprengvorgang wird die Vorlage zerstört. Der Prozess ist also irreversibel. Und genau dieses Prinzip könnte in Zukunft genutzt werden, um fälschungssichere Teile herzustellen. Das ICT arbeitet dazu mit holografischen Prägevorlagen auf Basis von Nickelko­pien eines Hologramms, ein sogenanntes Shim. Diese Vorlage kann in Spritzgießwerkzeuge eingesprengt werden. Damit erhält jedes Spritzgießteil einen unverwechselbaren Fingerabdruck.

Das sagt die Redaktion
Weichen für die Zukunft stellen
Nicht immer heißt Forschung auch Praxisnähe. Die im Artikel vorgestellten Forschungsprojekte haben wir deshalb extra auf die mögliche Praxisumsetzung abgeklopft. Vielleicht wird manches für den einen oder anderen gestandenen Werkzeug- und Formenbauer zu abstrakt klingen. Mein Tipp: Beschäftigen Sie sich trotzdem mit dieser Materie, denn jetzt werden die Weichen für die Zukunft gestellt.

Wolfgang Pittrich, Redaktion werkzeug& formenbau

Vier Fragen an Kristin Arntz, Fraunhofer IPT, Aachen
„Wissenstransfer als Herausforderung”
Kristian Arntz leitet als Oberingenieur den Bereich Lasermaterialbearbeitung am Fraunhofer IPT. Bereits in früheren Tätigkeiten hat er sich intensiv um die Belange des Werkzeug- und Formenbaus gekümmert.

42-01Herr Arntz, wo drückt der Branche momentan der Schuh?
Das ist natürlich schwer zu quantifizieren. Es gibt sicherlich auf organisatorischer Seite noch einiges an Optimierungspotenzial. Im technologischen Bereich merken wir, dass es hin zu firmenspezifischen, angepassten Lösungen geht. Was zudem bewegt ist die Frage nach dem Downsizing. Das heißt: Muss man sich immer auf dem technischen Top-Level bewegen, oder tut es auch mal ein Werkzeug für 100 000 Schuss?

War das in der Vergangenheit nicht die Domäne der Billiganbieter?
Nicht, wenn es darum geht, die exakt genaue Standzeit auch zu garantieren. Während der Lowcost-Anbieter eigentlich keine Ahnung hat, wie lange sein Werkzeug hält, kann der Hightech-Werkzeug- und Formenbauer eine genau definierte Standzeit zu einem genau definierten Preis anbieten. Das ist der große Unterschied. Ein weiteres Themenfeld ist sicherlich die Substitution manueller Tätigkeiten.

Zum Beispiel?
Das kommt überall dort zum Tragen, wo es möglich ist, manuelle Arbeiten in maschinelle zu überführen. Bestes Beispiel dafür ist das Polieren. Dazu haben wir auf der EuroMold einen durchaus interessanten Ansatz mit einem Knickarmroboter vorgestellt. Der Roboter bewegt eine Polierspindel, die mit gleichbleibendem Druck die Oberfläche abfährt. Basis dafür ist wiederum der CAM-Datensatz der Werkzeugform.

Das Wissen des Werkzeug- und Formenbauers wird also nicht mehr gebraucht?
Genau das Gegenteil ist der Fall! Die von uns angedachten und vorgestellten Lösungen werden nie 100prozentige sein. Wir brauchen nach wie vor das Wissen der Fachleute. Hier schneiden wir übrigens ein weiteres, wichtiges Aufgabenfeld der Zukunft an: Wie kann man das Wissen der Know-how-Träger, die ja mittlerweile in ein gewisses Alter kommen, auf die nachrückende Generation transferieren? Wenn das nicht gelingt, hat die Branche ein Problem, trotz aller maschinentechnischen Innovationen. Kristian Arntz, Fraunhofer IPT, Aachen

Trends µ-genau
Forschen für den Werkzeug- und Formenbau

Die Themen auf einen Blick:

  • Auftragsschweißen mit Lasern und Fräsen auf einer Maschine: Der Laser übernimmt das dreidimensionale Auftragsschweißen; die Frässpindel das anschließende Finishing. Vorteil: Der schnelle und unkomplizierte Wechsel von Laser- und Fräseinheit beschleunigt den Reparaturprozess.
  • Mikrostrukturieren per Laser: In ein 5-Achs-BAZ ist ein Laser integriert, der Mikrostrukturen ins Werkzeug einbringt. Vorteil: Aufgrund der einfachen Programmierung soll das Verfahren im Vergleich zum Ätzen 80 Prozent schneller und 70 Prozent günstiger sein.
  • Polieren mit dem Roboter: Ein Knickarmroboter poliert mittels einer speziellen Spindel Freiformflächen. Vorteil: Bisher zeitraubende manuelle Tätigkeit läuft automatisiert ab.
  • Sprengprägen von Hologrammen: Mittels Sprengfolie werden Hologramme oder andere Vorlagen in Werkzeuge eingebracht. Vorteil: Der einmalige und irreversible Vorgang verhilft zum eindeutigen Fingerabdruck des Endteils und ist absolut fälschungssicher.

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