Trends & Innovationen

Offen sein fĂĽr Neue Impulse

11.11.2009

Tagung: Techologien im Werkzeugbau – wohin geht die Reise? Im Seminar des WZL der RWTH Aachen und des Fraunhofer IPT in Bobingen gab Kristian Arntz einen Überblick über den aktuellen Stand der im Werkzeug- und Formenbau relevanten Verfahren und stellte Technologien und Prozessketten von morgen vor.

Newton SpielWerkzeug- und Formenbauunternehmen sehen sich mit stetig wachsenden Anforderungen auf Kundenseite und zunehmendem Preis und Termindruck konfrontiert. Straffe Prozessketten und effiziente Bearbeitungsverfahren werden dabei immer wichtiger.

Schwierige Materialien
Eine weitere Herausforderung sind die Werkstoffe: Hochleistungsmaterialien wie etwa pulvermetallurgische Stähle sind schwer zu bearbeiten und aufgrund des komplexen Herstellungsprozesses auch teurer als konventionelle Werkzeugstähle. Sie bieten ein sehr homogenes Gefüge, sind nahezu seigerungsfrei, vereinigen große Härte mit hoher Zähigkeit und verlangen entsprechend ausgelegte Bearbeitungsverfahren.

„Mehraufwand, der sich durchaus bezahlt machen kann“, erklärt Kristian Arntz, Oberingenieur „Laserbearbeitung“ und Leiter der Branchengruppe „aachener werkzeug- und formenbau“ am Fraunhofer IPT. „Die höheren Kosten lassen sich immer dann rechtfertigen, wenn man es schafft, dem Kunden mit einem höherwertigen Werkzeug auch eine entsprechend höhere Produktivität zu verkaufen.“

In den vergangenen Jahren ist das HSC-Fräsen zunehmend in den Fokus des Tagung_2Interesses gerückt. Bei beiden Verfahren hat sich die Programmierung als Engstelle herauskristallisiert. „Im Durchschnitt liegt der Programmieraufwand für die Programmierarbeit beim HSC-Fräsen bei rund einem Viertel der gesamten Bearbeitungszeit“, erklärt Arntz. „HSC ist ein reiner Schlichtprozess mit Schnittgeschwindigkeiten, die um den Faktor 2 bis 10 über denen konventioneller Bearbeitung liegen. Das Verfahren ist für eine breite Vielfalt an Werkstoffen geeignet, insbesondere auch für harte Werkstoffe. Dabei ist die Beherrschung des Prozesses der wesentliche Erfolgsfaktor. Das Fenster, in dem die optimalen Bearbeitungsparameter liegen, kann hier nämlich sehr klein sein. Geringste Abweichungen führen zu deutlichen Einbußen in der Wirtschaftlichkeit.“

Bei komplexen Bauteilen lassen sich die erforderlichen Parameter oft nur mit 5-Achs-Simultanbearbeitung konstant einhalten. „Während die Welle der Begeisterung für die fünfachsige Bearbeitung im konventionellen Bereich inzwischen wieder abgeebbt ist, steigt deshalb gerade im HSC-Bereich der fünfachsige Anteil weiter an – zu Lasten der dreiachsigen HSC-Prozesse“, erläutert Arntz. „Bei einem Rotationsschieber konnten wir beim Umstieg von 3- auf 5-Achs-Bearbeitung beispielsweise die Bearbeitungszeit von 120 auf 25 min senken – bei einer gleichzeitigen Verbesserung der Oberflächenqualität von Ra=1µm auf Ra=0,25µm.“

Zu Unrecht in den Hintergrund treten oft funkenerosive Verfahren – das Vorurteil, dass Erodieren zu langsam und unwirtschaftlich ist, hält sich hartnäckig. Dabei ist diese Technologie auf vielen Gebieten nach wie vor die erste Wahl, umso mehr, als hier Steuerungen und Generatoren stark verbessert wurden. Bei Erodierdrähten konnten mit neuen Beschichtungen neue Anwendungen erschlossen werden, und beim Senken hat sich Graphit insbesondere mit den neuen Feinstgraphiten für das Gros der Anwendungen als Elektrodenwerkstoff bis auf einige Nischen gegen Kupfer durchgesetzt. Automatisierung verdrängt manuelle Vorgänge weitgehend, und die Maschinen stoßen in die Mikro- und Nanobearbeitung vor.

Tagung_3KĂĽrzere Prozesskette
Potenzial liegt auch bei den CAx-Technologien und vor allem in der Verkürzung der Prozesskette: „Wer aufwändige Prozessschritte substituieren und zusammenfassen kann, spart bei Nebenzeiten und Umrüstvorgängen“, erklärt Arntz. „Etwa bei einer fünfachsigen Kompletthartbearbeitung: Hier gewinnen Oberflächenqualität und Genauigkeit – die manuelle Nacharbeit kann deshalb drastisch reduziert werden.“

Sich technologisch zu differenzieren wird immer wichtiger. „Hier bieten sich bei den Formeinsätzen neue Technologien wie Lasersintern oder Auftragsschweißen an“, erläutert Arntz. „So lassen sich fast beliebige Geometrien ausführen oder konturnahe Kühlkanäle erstellen. Aber auch mit Laserstrukturieren, laserbasierten Tooling-Verfahren oder per Ultrapräzisionszerspanung mit Diamantwerkzeugen lassen sich Grenzen konventioneller Verfahren ausdehnen.“

Viele Massenprodukte sind aus Kunststoff – hier steigen die Anforderungen an die Oberfläche bezüglich Aussehen und Haptik weiter. Wird eine besonders glatte Oberfläche verlangt, ist beim Polieren meist Handarbeit gefordert. Damit hängt das Ergebnis entscheidend von Können und Tagesform des Mitarbeiters ab. Eine Lösung für reproduzierbare Ergebnisse bietet eine Roboter-Polierzelle: „Hier ist die Herausforderung, die Erfahrung und das Feingefühl des Mitarbeiters auf eine Maschine zu übertragen – eine höchst komplexe Aufgabe“, betont Arntz. „So benötigen wir im Projekt MoldFinish eine Spindel, die kraft- und nicht weggeregelt ist wie etwa beim Fräsen. Für optimale Ergebnisse werden Trochoide überlagert, die Anstellung des Polierwerkzeugs ist sinnvoll zu wählen, und neu entwickelte Membranwerkzeuge erlauben eine optimale Konturanpassung an die Oberfläche.“

Exakt definierte Strukturen
Oft werden Oberflächen verlangt, die exakt definierte Strukturen aufweisen müssen. tagung_4Deshalb werden Strukturen in Spritzgießwerkzeugen, die direkt in der Form auf dem Produkt abgebildet werden können und keine Nachbehandlung erfordern, für eine wirtschaftliche Fertigung immer wichtiger. Insbesondere Mikrostrukturen etwa zur Reibungsvermeidung, aber auch für optische Effekte, gewinnen an Bedeutung.

Material per Laser abtragen
Um solche Strukturen reproduzierbar herzustellen, bietet sich der Materialabtrag per Laserstrahl als interessante Alternative zum Ätzen an. „In einem Projekt haben wir ein Lasermodul in eine 5-Achs-Maschine integriert“, erklärt Arntz. „Damit konnten wir in Versuchen auch komplexe Designstrukturen verwirklichen.“

Neue Ansätze in der Oberflächenveredelung etwa per Laserstrahllegieren oder -dispergieren ermöglichen die gezielte Steuerung von Materialeigenschaften. „Hier werden harte Zusatzwerkstoffe eingebracht, die auch in Kombination mit Nitrieren beispielsweise als Verschleißschutz die Standzeit eines Werkzeugs erhöhen“, erklärt Arntz. So lässt sich für den Kunden Mehrwert generieren und die eigene Wettbewerbsfähigkeit verbessern.“


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