Welche Vorteile haben Systemlösungen im Werkzeug- und Formenbau, wie lassen sich damit Prozesse beschleunigen und die Fertigungskosten senken? Mit dem Fokus auf Auswerferbohrungen für Spritzgusswerkzeuge widmete sich diesen Fragen ein eintägiger Workshop von MOLDINO, der bei Röders in Soltau stattfand.
Im Werkzeug- und Formenbau gab es schon immer die eine oder andere Krise. Aber diesmal scheint es besonders ernst zu sein. Die Devise lautet darum: Flucht nach vorne. In Disziplinen wie Kundenorientierung, Technologieführerschaft, Durchlaufzeiten sowie Kostenstruktur heißt es also durchzustarten. Mit Blick darauf haben der japanische Präzisionswerkzeughersteller MOLDINO Tool Engineering, der niedersächsische Maschinenhersteller Röders Tec sowie MHT, bekannt mit den Mediumverteiler, zum eintägigen Workshop ‚Systemlösungen für den Werkzeug- und Formenbau: Auswerferbohrungen im Fokus‘ eingeladen.
Warum der Begriff ‚Systemlösung‘ als Workshop-Thema gewählt wurde, beschreibt Andreas Schadeck von MOLDINO wie folgt: „Eine implementierte Systemlösung kann nicht nur erhebliche technische und wirtschaftliche Vorteile im Werkzeugbau selbst bieten, sondern auch darüber hinaus.“
Was damit gemeint ist, erläutert er am Beispiel Auswerfer: So könnte bei dessen Herstellung nicht nur das Ziel sein, Prozesszeiten und damit Durchlaufzeiten sowie Kosten zu reduzieren, sondern auch die Prozesssicherheit und Qualität der Bearbeitung zu betrachten, „denn auf dem Weg dorthin haben wir weitere Vorteile erschlossen, die sich positiv auf die eigentliche Spritzgussproduktion auswirken. Das ist dann ein klarer Mehrwert für den Kunden.“
Schadeck betreut als Prozessoptimierer und Teamleiter für Norddeutschland zusammen mit Mark Rotzoll und weiteren Kollegen vom MOLDINO-Büro im ostwestfälischen Herford aus viele namhafte Kunden in dieser Region. Sie kennen die Wünsche und Nöte der Branche also genau. Beide waren auch diesmal wieder Ideengeber des Workshops sowie Teil des insgesamt fünfköpfigen Referententeams.
Speziell konstruierte Baugruppe
Um die verschiedenen Bearbeitungsszenarien möglichst realitätsnah demonstrieren zu können, hatte Rotzoll speziell für die Veranstaltung per 3D-CAD eine 200 x 200 x 90 mm große Baugruppe konstruiert. Diese besteht mit Auswerferdruckplatte, Auswerferhalteplatte und Auswerferführungsplatte sowie Formeinsatz (Auswerferseite) aus den typischen Teilen eines Kunststoffspritzgusswerkzeugs, hier beispielsweise zur Herstellung einer Motorabdeckung. Bis auf die Auswerferführungsplatte, die aus korrosionsbeständigem 1.2083 ESU 50+2 HRC bestand, wurde bei allen Bauteilen der hochfeste und ebenfalls vorgehärtete (52+2 HRC) Warmarbeitsstahl 1.2343 ESU verwendet. Natürlich hatte Rotzoll die Baugruppe bereits im Vorfeld des Workshops komplett gefertigt. Anhand eines zweiten Formeinsatzes, der auf der 5-achsigen Röders RXP 601 DSH gespannt war, konnte im späteren Praxisteil das Rippenfräsen (Schruppen), das komplette Auswerferbohren und das Herstellen der Beschriftung von den Teilnehmern live auf der Maschine begutachtet werden.
Flächenfräsen auf Endmaß in Polierqualität
Der Formeinsatz stand an diesem Tag klar im Mittelpunkt der Betrachtungen. Hier ging es zunächst um dessen seitliche Flächen und damit die Passflächen, deren Herstellung nicht ganz trivial ist. Denn diese stellen hohe Anforderungen an die Maßhaltigkeit, Winkeligkeit beziehungsweise Parallelität sowie an die Oberflächengüte. „Nach dem Härten werden normalerweise die fünf oder sechs Seiten auf der Flachschleifmaschine bearbeitet“, erklärt Schadeck die klassische Vorgehensweise, dies bedingt einen zusätzlichen Arbeitsgang, der zudem nur sehr schlecht automatisiert werden kann und damit fast immer großen manuellen Aufwand mit entsprechenden Fertigungskosten bedingt. „Hier wollen wir im Rahmen einer Systemlösung das Fräsen gegenüberstellen.“ Deshalb wurden von Rotzoll die Seitenflächen des Formeinsatzes mit der Strategie Planfräsen gefräst, in diesem Fall 3-achsig. „Bei einer weiten Distanz empfiehlt sich das Zickzackfräsen ohne Abhebebewegungen – wenn es um besonders hohe Oberflächengüte geht – nicht“, lautet dabei seine Empfehlung.
Sowohl zum Schruppen als auch zum Vor- und Fertigschlichten wurde von Rotzoll der EHHRE-Polygonfräser von MOLDINO ausgewählt. Als Ergebnis wurde eine dem Flachschleifen ebenbürtige Präzision erreicht, allerdings mit erheblich weniger Aufwand und zudem läuft diese Bearbeitung komplett unbemannt.
Der gleiche EHHRE-Fräser wurde von Rotzoll auch bei der Flächenbearbeitung der Auswerferführungsplatte und der Konturbearbeitung des Deckels verwendet. Anhand des Deckels sollte demonstriert werden, dass Glanzfräsen nicht nur mit relativ teuren Diamantwerkzeugen möglich ist, also MKD- oder PKD-Werkzeugen, sondern auch mit beschichteten Fräsern aus Vollhartmetall. Wie bei den Seitenflächen wurde zunächst geschruppt und vorgeschlichtet, diesmal allerdings mit der Strategie 3D-Spiralfräsen.
„Zum anschließenden Glanzfräsen habe ich als Flächentoleranz 10 μm gewählt und das torische Werkzeug zur Flächennormalen mit 0,1° minimal angestellt“, erläutert Rotzoll seine Strategie. So blieb der Winkel zur Fläche stets gleich, weshalb ein konstanter Kontaktpunkt eingehalten wird und es gibt sicher keinen Nachschnitt auf der Werkzeugrückseite. „Wir haben mit dem EHHRE vier Stunden durchgeschlichtet, die Schneiden sahen hinterher immer noch gut aus.“ Dies zeige, dass Glanzfräsen auf Endmaß mit VHM-Fräsern nicht nur möglich ist, sondern auch prozesssicher und wirtschaftlich.
Wichtig ist beim Fräsen von Spiegelflächen auch die Wahl des Werkstoffs, weshalb von Rotzoll für das Beispielwerkstück die Ausführung Elektroschlacke umgeschmolzen (ESU) gewählt wurde, die besonders gute Hochglanzflächen – aufgrund der hohen Materialhomogenität – ermöglicht. „Neben dem CAM-System und dessen Frässtrategie sowie der Kühloption kommt der Rundlaufgenauigkeit von Spindel und Werkzeug beim Glanzfräsen eine entscheidende Bedeutung zu“, betont Rotzoll. „2 μm Rundlauffehler sind hier schon ein großes Problem.“ Ebenso wichtig sind natürlich die Genauigkeit und Dynamik der Werkzeugmaschine. Anforderungen, die von der RXP 601 DSH locker erfüllt werden. „Denn unsere Maschinen sind extrem steif, schwingungsstabil, verfügen über ein ausgefeiltes Thermomanagement und sind auch nach langen Bearbeitungszeiten absolut Nullpunkt-stabil“, unterstreicht Dr. Oliver Gossel, Vertriebschef von Röders.
Rippenfräsen – im Harten nur bis maximal 10 x D
Bei der Rippen- beziehungsweise Nutenherstellung ist die Entscheidung zugunsten des Fräsens nicht so einfach, so Schadeck. Hier kann das Fräsen gegenüber dem Erodieren Vorteile haben, aber nicht immer. Wichtige Entscheidungsgrößen sind der Härtegrad des Werkstoffs, der Formwinkel beziehungsweise die Entformungsschräge und das Aspektverhältnis, also das Verhältnis zwischen Nuttiefe und Fräserdurchmesser. Bei einem Härtegrad von 56 HRC lautet seine Empfehlung für zylindrische Werkzeuge, nur bis maximal 10 x D zu fräsen (bei konischen Werkzeugen bis 12 x D; in Ausnahmefällen auch mehr). Im Weichen hingegen kann man in nichtkonischen Bereichen ruhig bis auf 15 x D gehen. Hat man sich für das Fräsen entschieden, gilt es allerdings noch eine weitere Hürde zu nehmen: Denn keines der bekannten KSS-Verfahren wie Luft, Emulsion über Düsen, MMS oder IKZ stellt sicher, dass die drei beim Rippenfräsen extrem wichtigen Parameter Kühlung, Schmierung und Späneevakuierung gleichermaßen berücksichtigt werden. Um die daraus resultierenden Folgen wie erhöhte Deflektion, Hinterschnitte oder gar einen Werkzeugbruch zu vermeiden, kam beim Rippenfräsen – wie auch bei allen Fertigungsschritten der Baugruppe – der Mediumverteiler von MHT zum Einsatz.
Wie dieser im Detail funktioniert, wurde in Soltau von MHT-Geschäftsführer Herbert Merz erläutert. „Der Mediumverteiler arbeitet mit Druckluft bis zu 6 bar, der je nach Bearbeitungsfall zwischen 2 und 10 ml/h Schmiermedium zugesetzt wird.“ Dies ist ölfrei und hat einen hohen Verdunstungsgrad, weshalb kaum Rückstände auf dem Werkstück entstehen.
Stechfräsen besser als Z-Konstant
Beim Schruppen der Rippen hatte Rotzoll neben dem bekannten Bahnfräsen etwas Neues ausprobiert, wie er auf dem Workshop verriet. „Die Idee war, wenn ich beim Mittenbahnschruppen die Werkzeugachse um 1° anstelle, kann ich mehr in der Tiefe zustellen und erhalte so in den Rippen eine bessere Spanentsorgung bei gleichzeitig höherem Vorschub.“ Eine besonders interessante Vorgehensweise beim anschließenden Vor- und Fertigschlichten war das Stechfräsen. Damit lassen sich bei konstantem Vorschub, minimaler Deflektion und guter Performance sogar wenige μm abtragen, was mit Z-Konstant-Fräsen nicht möglich ist. „Auf diese Weise erhalte ich sehr maßgetreue Oberflächen und – was hier ein weiterer Vorteil war – Fräsriefen in Entformungsrichtung“, beschreibt Rotzoll diese besondere Frässtrategie, die allerdings nicht von jeder CAM-Software unterstützt wird.
Auswerferbohrung mit spezieller Laufkammer
Neben der Flachschleif-Alternative Flächenfräsen wurde in Soltau als zweite Systemlösung das Auswerferbohren präsentiert. Eine Lösung, die besonders innovativ ist und bei der die von Rotzoll entwickelte Laufkammer von MOLDINO sogar zum Patent angemeldet worden ist. „Durch eine spezielle Bohrstrategie und das anschließende Fräsen einer Laufkammer und Einführschräge konnten wir die Montagefähigkeit der Auswerfer erheblich verbessern“, berichtet Schadeck.
Und um deren Herstellung – auch live – demonstrieren zu können, verfügte die Beispielkomponente über 76 Auswerfer in dem hier typischen Durchmesserspektrum 2,5 bis 5 mm mit der Toleranz H7. Hierfür wurde von Rotzoll ein spezieller Bohrzyklus entwickelt. „Damit ist es möglich, mit dem hier gewählten MOLDINO NSBH-Bohrer je nach Tiefe mehrere Hundert Auswerferbohrungen in H7-Qualität reproduzierbar herzustellen. Und zwar prozesssicher im automatisierten Betrieb“, erläutert Rotzoll. Verwendet werden kann fast jede Kühlung, bis auf Luft. In den Röders-Steuerungen wurde dieser Bohrzyklus bereits integriert, ebenso in Hypermill (OpenMind), weitere CAM-Anbieter sollen folgen. Zurück zu den Auswerferbohrungen: Im Detail bestanden diese im Beispielformkern jeweils aus vier Bereichen: der Führung für die Auswerfer, der Laufkammer, Freibohrung und Einfuhrschräge.
Die Herstellung der Auswerferbohrungen fand von der Rückseite des Formkerns sowie von dessen Konturseite her statt. An beiden Seiten wurde per Helixfräsen mit einer Kugel pilotiert und anschließend gebohrt. Von der Rückseite her wurde der Konus gefräst, von der Konturseite die Laufkammer. In beiden Fällen entschied sich Rotzoll wieder für die Strategie Stechfräsen, diesmal 5-achsig.
Kosten haben sich mindestens halbiert
Wie lautet nun das Fazit, auch hinsichtlich Zeit und Kosten? An dieser Stelle ging Schadeck auf die von MOLDINO entwickelte Production50-Methode (P50) ein. Dabei geht es darum, gemeinsam mit den Kunden die bestehenden Bearbeitungsprozesse zu analysieren, um mit diesen Erkenntnissen eine neue Perspektive auf den gesamten Fertigungsprozess zu erhalten. Wirtschaftlichkeitsberechnungen zeigen den Mehrwert einer Umstellung auf. Auf P50 basierte auch der Vergleich der beiden Systemlösungen Planfräsen versus Flachschleifen und Auswerferbohren mit einer konventionellen Vorgehensweise, bei der flachgeschliffen und drahterodiert wird.
„Gegenüber dem Schleifen der Seitenflächen ist der Zeit- und Kostenvorteil durch das Fräsen erheblich“, so Schadeck. „Das Endergebnis zeigt, dass wir durch das Fräsen der Seitenflächen gegenüber dem Flachschleifen über 60 Prozent an Zeit und über 50 Prozent an Kosten sparen können.“ Ein weiterer Aspekt ist, dass sich das Flachschleifen so gut wie nicht automatisieren lässt.
Noch günstiger sah es beim System Auswerferbohren aus. „Hier ist der Vorteil bei der Zeit noch deutlicher, nämlich 84 Prozent, bezogen auf alle Auswerfer. Ebenso bei den Kosten, die beim Fräsen nur etwas mehr als ein Drittel gegenüber dem Drahterodieren betragen“, bringt Schadeck die Unterschiede auf den Punkt. Das bedeutet 65 Prozent Kos-tenersparnis.
„Wir haben heute gesehen, wie sich durch signifikant schnellere Prozesse und wegfallende Liegezeiten die Prozesskosten drastisch senken lassen“, fasst Schadeck den Tag zusammen. Und dann ist da noch das Thema Automatisierung, das durch den sich verschärfenden Fachkräftemangel zusätzlichen Schub erhält. „Die vorgestellten Systemlösungen können erheblich dazu beitragen, Automatisierung noch einmal deutlich effektiver einzusetzen.“