Effizienz des Highspeed-Fräsens im Werkzeug- und Formenbau steigern

Der Werkzeugbau hat einen kaum zu überschätzenden Einfluss auf die Produktionssicherheit und Produktqualität in der industriellen Fertigung. Als charakteristische Schlüsselbranche ist er in der Öffentlichkeit jedoch weitgehend unbekannt, weil keine direkten Konsumgüter hergestellt werden, wenngleich höchst bedeutsame Teile innerhalb von deren Produktionsprozessen. Der weltweite Bedarf an Werkzeugen und Formen in den letzten Jahren zugenommen und wird aller Voraussicht nach weiter steigen.

Qualität und Flexibilität müssen gesteigert werden

Der deutsche Werkzeugbau zeichnet sich nach wie vor durch Qualität, hochqualifizierte Mitarbeiter sowie seine Innovationskraft und Flexibilität aus. Um dem ständig wachsenden Druck auf den globalen Märkten aus dem osteuropäischen und asiatischen Raum weiterhin standzuhalten, müssen Qualität und Flexibilität jedoch weiter kontinuierlich gesteigert sowie Entwicklungszeiten verkürzt werden.

Dies ist oft nur durch eine enge Zusammenarbeit mit dem Auftraggeber zu erreichen. Nicht nur einzelne Entwicklungs- und Produktionsprozesse, sondern die gesamte Prozesskette muss weiterhin einer ganzheitlichen Optimierung unterliegen, um weitere Rationalisierungspotenziale zu erschließen.

Werkzeug- und Formenbauer müssen sich im Spannungsfeld von Produktivität und Flexibilität stets mit neuen Techniken und Strategien auseinandersetzen, beispielsweise dem Rapid Tooling, neuen Materialien, CAx-Technologien oder Simu-lationstechniken. Das HSC-Fräsen ist nach wie vor das wichtigste Fertigungsverfahren im Werkzeug- und Formenbau. Trotz der erheblichen Weiterentwicklungen in der Erodiertechnik, beispielsweise im Bereich der Generatorentechnologie oder der Grafitwerkstoffe, konnte sich die HSC-Technik zur Reduzierung der Durchlaufzeiten weiter etablieren.

Die HSC-Technik ist heute sehr ausgereift und durch die Vielfalt an Werkzeugen bezüglich der Geometrie und der Werkstoffe sehr flexibel. Die Geschwindigkeit, mit der hochgenaue Werkstücke erzeugt werden können, wird weder von generativen noch von abtragenden Verfahren erreicht. Allerdings wachsen die Schwierigkeiten einer prozesssicheren HSC-Bearbeitung mit der Härte des Werkstoffs und der Komplexität der Werkstücke. Sind sehr tiefe Kavitäten in gehärtetem Stahl mit sehr kleinen Werkzeugdurchmessern zu bearbeiten, muss außer dem richtigen Werkzeug ein großer Erfahrungsschatz zur NC-Programmierung vorliegen.

Innovative Schneidstoffe ermöglichen die wirtschaftliche Bearbeitung immer härterer Stähle. Durch die Komplettbearbeitung von Teilen im gehärteten Zustand wird eine signifikante Verringerung der Durchlaufzeiten bei gleichzeitiger Erhöhung der Qualität und Prozesssicherheit erreicht.

CAM-Systeme im Fokus der Forschung

Das Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der Technischen Universität Darmstadt treibt die Forschung der HSC-Technologie auch im Werkzeug- und Formenbau bereits seit mehr als 25 Jahren voran. Während in früheren Projekten noch Grundlagenuntersuchungen zum Einfluss der Eingriffsbedingungen auf das Bearbeitungsergebnis sowie Optimierung und Integration von CAM-Strategien im Vordergrund standen, fokussierten sich Folgeprojekte auf die Werkzeugentwicklung sowie den bestmöglichen Einsatz der Werkzeuge in der Fertigung.

Außer der reinen Frästechnologie steht das Thema CAM im Sinne innovativer Bahngenerierungsverfahren am PTW nach wie vor im Vordergrund. Elementare Funktionen wie schnelle Erzeugung kollisionsfreier Werkzeugbahnen und die maschinenspezifische NC-Programmausgabe werden von den am Markt befindlichen Systemen ausnahmslos beherrscht. Dabei werden bei der HSC-Bearbeitung starke Richtungsänderungen sowie häufiges Beschleunigen und Abbremsen vermieden sowie die An- und Abfahrstrategien den Vorschubgeschwindigkeiten und der Frässtrategie angepasst.

Die Systeme sind für die Anwendung sehr weit entwickelt und unterscheiden sich durch kleine, effizienzsteigernde Details wie die Klarheit der Benutzerschnittstellen, Postprozessoroptionen oder Möglichkeiten der Materialabtrags- und Kinematiksimulation. Unterschiede zeigen sich in der Einbindung von Methoden und Automatismen, die durch die Erzeugung oder Optimierung von Operationsfolgen dem Bediener die Programmierung von Formen und Gesenken erleichtern können. Für prismatische Features sind derartige Regelwerke Stand der Technik.

Am PTW wurde in jüngster Vergangenheit ein System entwickelt, das es mit Hilfe der Featuretechnologie, das heißt der Verknüpfung von Geometrie- und Fertigungsinformationen, ermöglicht, auch Freiformflächen mit einer Geometrieanalyse auf Basis von FE-Netzen und einer anschließenden Topologieanalyse zu erkennen und die dafür besten Frässtrategien und Werkzeuge auszuwählen. Diese Freiformfertigungsfunktionen reduzieren den Programmieraufwand erheblich.

Weiteres Potenzial in der HSC-Prozesskette ist in der Schnittstelle CAM-Postprozessor—Maschinensteuerung zu finden. Moderne Steuerungen erlauben die Beschreibung der Fräsbahnen in Form von Nurbs (non-uniform rational base splines). Während Nurbs im Produktdesign von Freiformflächen fast ausnahmslos angewendet werden, ist es bislang nicht möglich, diese durchgängig zur Steuerung von Fräsmaschinen zu verwenden. Aktuell werden die Produktmodelle in Dreiecksflächen tesseliert und mit Nachteilen bezüglich der Geschwindigkeit und der Genauigkeit in linear interpolierten Bahnen auf der Maschine abgearbeitet.

In einem aktuellen Grundlagenforschungsprojekt werden am PTW mathematische Verfahren entwickelt, die eine durchgängig analytische, Nurbs-basierte Bahngenerierung für die Bearbeitung von Freiformflächen ermöglichen. Experimentelle Bearbeitungen, sowohl an einfachen Testkurven als auch an komplexen Freiformflächen, ergaben im Vorfeld bereits deutliche Vorteile für Nurbs hinsichtlich Datenvolumen, Bearbeitungszeit und Genauigkeit. Bild 1 zeigt ein gefertigtes Testbauteil und die Bearbeitungszeit bei einer Bearbeitungstoleranz von ±0,1 mm.

Fünfachsiges Fräsen wird zunehmend genutzt

Auch können im Bereich der simultanen Fünf-Achs-Bearbeitungen noch deutliche Rationalisierungspotenziale ausgemacht werden. Während es die technischen Voraussetzungen, bestehend aus CAM-System, Werkzeugen und Maschinen für das Fünf-Achs-Fräsen, bereits seit vielen Jahren gibt und beispielsweise im Bereich Aerospace standardmäßig genutzt werden, lassen viele Formenbauer erst in jüngster Zeit ihre Maschinen fünfachsig fräsen. Durch die Nutzung der technologischen und geometrischen Vorteile dieser Technik lassen sich, abhängig von der Bauteilgestalt, die Bearbeitungszeiten auf einen Bruchteil verkürzen.

Die Programmierung erfordert jedoch abhängig vom System ein gewisses Maß an Erfahrung. Bei komplexen Bauteilen wie dem Formeinsatz in Bild 2 ist zudem die Kollisionskontrolle während der Programmierung um einiges aufwändiger als bei der Drei-Achs-Bearbeitung, weil alle Störkanten im Maschinenraum einbezogen werden müssen.

Minimalmengenschmierung erhöht Werkzeugstandwege

Zusätzlich zur Optimierung des CAM-Einsatzes werden weiterhin Fortschritte im Bereich der Frästechnologie realisiert. Um die zunehmend komplexeren Bearbeitungsaufgaben in immer härter werdenden, höher legierten Materialien lösen zu können, ist eine Reihe von Maßnahmen nötig: So können auch beim Fräsen gehärteter Stähle durch Minimalmengenschmierung die Werkzeugstandwege deutlich verlängert und Oberflächenqualitäten verbessert werden. Durch die Vielzahl der Prozessparameter und deren gegenseitige Abhängigkeit fehlt es jedoch bislang an praktikablen Anwendungsempfehlungen.

In dem vergleichsweise engen Prozessfenster des Hartfräsens, in dem stabil und wirtschaftlich zerspant werden kann, müssen jedoch die Einstellgrößen des MMS-Systems wie Luftdruck, Schmiermittelmenge oder Tröpfchengröße punktuell auf die Zerspanparameter abgestimmt werden. In einem unlängst gestarteten DFG- Forschungsprojekt werden am PTW die zu Grunde liegenden Wirkmechanismen erforscht und darauf aufbauend ein Optimierungsmodell zur Standwegsteigerung beim Hartfräsen mit MMS abgeleitet.

Ein wichtiger Schritt zur Effizienzsteigerung ist die Umsetzung wissenschaftlicher Erkenntnisse in die tägliche Praxis. An vielen Stellen zeigt sich deutlich, wie wichtig es ist, alle am Herstellungsprozess Beteiligten an einen Tisch zu bringen. Ein Beispiel für gute Zusammenarbeit sind Anwenderforen und Schulungen, die von Maschinenherstellern, CAx-Anbietern und Werkzeugherstellern gemeinsam durchgeführt werden. Ein weiteres Zeichen der guten Kooperation ist die interdisziplinäre Beteiligung verschiedener Unternehmen an Verbundforschungsprojekten. Am PTW wird dies seit vielen Jahren erfolgreich praktiziert.

Zurzeit wird ein Arbeitskreis eingerichtet, der Probleme des HSC-Fräsens im Werkzeugbau aufgreift und so weiteres Potenzial freisetzen wird. Arbeitspakete im Projekt sind die Steigerung der Prozesssicherheit beim Hartfräsen, kostenoptimaler Einsatz von CBN-Werkzeugen und Strategien zur effizienten Bearbeitung von Mischgefüge (hart – weich). Interessierte können sich gerne an das PTW wenden.

Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele ist Leiter des Instituts für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der Technischen Universität Darmstadt; Dipl.-Ing. Benjamin Fröhlich ist wissenschaftlicher Mitarbeiter der Gruppe Technologie am PTW. Weitere Informationen: Benjamin Fröhlich, 64287 Darmstadt, Tel. (0 61 51) 16-28 53, froehlich@ptw.tu-darmstadt.de