Innovative Kundenlösungen beim Erodieren und Fräsen

Solution Days der GF Machining Solutions am 17. März in Schorndorf

Fräsen und Erodieren zählen zu den wichtigen Verfahren bei der Herstellung beispielsweise von Formen und Werkzeugen für die Kunststoffverarbeitung. Mit modernen Maschinen unter Einsatz von Hochleistungswerkzeugen werden damit nicht nur komplexe Geometrien in sehr hoher Geschwindigkeit erzeugt, sondern auch überragende Oberflächengüten erzielt. GF Machining Solutions in Schorndorf ist einer der renommierten Hersteller von derartigen Maschinen, was in der Regel auch die Verfahrensentwicklung einschließt. Im Rahmen einer regelmäßig stattfindenden Kundentagung informiert das Unternehmen über die Neuheiten aus eigenem Hause, aber auch über neue Werkzeuge und erfolgreiche Anwendungen bei Kunden. Dazu werden im Werk in Schorndorf auf 1300 Quadratmetern die verschiedenen Automationsstufen in Aktion gezeigt. Dies liefert bereits interessante Einblicke in die Möglichkeit zur Steigerung der Produktivität und Erweiterung von Kapazitäten. Zu sehen ist die breite Prozesskette, von der Einzelmaschinenautomation über Werkzeug- und Palettenwechsler bis hin zum vollautomatisierten Herstellungsprozess von der Zeichnung bis zum fertigen Bauteil.

GF Machining Solutions

Einführend gab Heiko Benz, Geschäftsführer der GF Machining Solutions GmbH in Schorndorf, einen kurzen Überblick über die bereits 1802 gegründete Georg Fischer mit Hauptsitz in Schaffhausen. GF umfasst die drei Divisionen GF Piping Systems, GF Automotive und GF Machining Solutions und betreibt in 31 Ländern 126 Gesellschaften, davon 47 Produktionsstätten. Die rund 14 100 Mitarbeitenden haben im Jahr 2014 einen Umsatz von 3,80 Milliarden Schweizer Franken erwirtschaftet.

GF Machining Solutions bietet Schlüsseltechnologien für Unternehmen im Werkzeug- und Formenbau an sowie die Herstellung von Präzisionsteilen. Darüber hinaus werden Lösungen für Marktsegmente mit besonderer Bedeutung angeboten; die GF versteht hierunter die Bereiche Automobil, Luft- und Raumfahrt, Medizin- und Dentaltechnik, Informationstechnik und elektronische Komponenten. Dazu wurden spezifische Anwendungstechnologien entwickelt, bei der Standardmaschinen auf bestimmte Anwendungen modifiziert werden. GF Machining Solutions ist mit 170 Mitarbeitern in Deutschland einer der wichtigsten Unter­nehmensteile mit einem Kompetenzzentrum in Schorndorf. Der Bereich besteht seit Januar 2014 und ist aus GF AgieCharmilles entstanden. Ein weiterer Bereich zur Herstellung von Turbinen (Liechty Engineering AG) ist darüber hinaus im Juli 2014 hinzugekommen.

Eins der neueren Tätigkeitsfelder ist laut Heiko Benz das Lasertexturieren; mit dieser Technik können Teile zwischen Kleinstgrößen bis zu 32 Tonnen bearbeitet werden. Mithilfe dieser Technik lassen sich Oberflächen herstellen, die mit anderen Verfahren nicht erzielbar sind. Eine wichtige Technologie ist derzeit das Drahterodieren, das sich in seiner modernsten Ausprägung durch hohe Geschwindigkeit, geringeren Drahteinsatz, geringere Kosten oder durch neueste Technologie, zum Beispiel voll­automatischen Drahtwechsel innerhalb von 30 Sekunden, auszeichnet. Dazu bietet GF Machining Solutions das Senkerodieren an mit hoher Thermostabilität und geringstem Verschleiß bei hoher Geschwindigkeit. Die Technologie mit der neuartigen Funk­tion zu 3D-Texturierungen ist beispielsweise sehr gut für Werkzeuge zur besseren Entformung geeignet.

Beim Fräsen steht die Hochgeschwindig­keitsbearbeitung im Vordergrund, mit höchster Dynamik, hoher Steifigkeit, auto­matischem Werkstückwechsel und kleinster Aufstellfläche. In Verbindung mit neuer Werkzeugtechnologie kann auch Hartmetall problemlos bearbeitet werden. Durch Hochleistungsfräsen ist ein bis zu 40 % schnelleres Schruppen bei gleichzeitiger Verbesserung der Oberflächenqualität erreichbar. Solche Anlagen verfügen unter anderem über optische Werkzeugvermessung sowie automatischen Werkstückwechsel und erreichen ein Zeit-Span-Volumen von bis zu 300 cm3 pro Minute. Schließlich wird über spezielle Automatisierungseinrichtungen eine Verknüpfung der verschiedenen Bearbeitungsverfahren erreicht; Nebenzeiten werden so verringert.

Zu den eingesetzten Verfahren zählen nicht nur die mechanischen Bearbeitungstechniken, sondern auch das Reinigen und Vermessen der bearbeiteten Teile, da nur so höchste Qualität über unbeschränkte Zeiträume möglich ist. Gleichzeitig wird die Produktivität durch das Entfallen von Leerlaufzeiten gesteigert. GF erstellt auch im Vorfeld eines Anlagenerwerbs eine Analyse­ des einzelnen Kunden, um dessen optimale Ausstattung zu ermitteln.

Trends und Anforderungen für den Werkzeugbau 2020

Wie Martin Bock vom Fraunhofer-Institut­ für Produktionstechnologie IPT in Aachen einleitend betonte, arbeitet das Institut sehr eng mit dem Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen zusammen, indem unter anderem gemeinsame Versuchsanlagen genutzt und weiterentwickelt­ werden. Außerdem wird der Benchmarking-Wettbewerb Excellence in Production betreut, an dem pro Jahr bis zu 300 Unternehmen der Werkzeugbau-Branche aus dem deutschsprachigen Raum teilnehmen. Daraus sind Benchmarking-Datenbanken mit Datensätzen von etwa 150 Unternehmen entstanden. Im Übrigen werden die weltweiten Märkte analysiert und verglichen.­

Zu den Arbeitsbereichen des Instituts zählen zahlreiche unterschiedliche Produktbereiche, wie Prüfmittel, Modell- und Prototypenbau, Prozessfähigkeit oder Verfahren für die Kleinstserienfertigung. Um Weiterentwicklungen im ausreichenden Maße vornehmen zu können, sind qualifizierte Mitarbeiter erforderlich, die zukünftig vermehrt in der Konstruktion, Arbeitsvorbereitung und Montage und abnehmend in der Fertigung (durch stärke Automatisierung) zu finden sein werden.

Neue Anforderungen an den Formen- und Werkzeugbau ergeben sich beispielsweise durch den Einsatz von höherfesten Blechen im Automobilbau, aber auch durch eine steigende Modellvielfalt. Dies bedeutet, dass die Werkzeuge zunehmend individuell sein werden, bis hin zu Unikaten. Erreicht werden kann dies bei einem Unternehmen etwa durch einen Ausbau der Arbeitsweise zu einem industriellen Werkzeugbau und damit zu einer Anpassung der Wertschöpfungsstrukturen. Zu nennen sind in diesem Zusammenhang die Mitarbeiterentwicklung, Prozesssynchronisierung, Wissensmanagement (internes Wikipedia), Standardisierung oder Ablaufoptimierung.

Die neue Maschinentechnologie trägt zur Attraktivität der Arbeitsplätze bei, indem beispielsweise eine innovative Bedienung durch Tabletcomputer mit außerordentlich flexiblem Einsatz und höchster Qualität ­gewährleistet wird. Dadurch werden entsprechende Arbeitsplätze auch für qualifizierte und motivierte Nachwuchskräfte ­begehrenswert.

Starkes Gewicht legt Martin Bock auf die Automatisierung, wobei nach seinen Worten insbesondere abschließende Endbearbeitungen wie Schleifen, Läppen oder Polieren durch Automatisierungen ersetzt werden müssen, weil Fachleute für solche Arbeiten in steigendem Maße nicht mehr verfügbar sein werden. Allerdings ist es sehr aufwendig, stark manuell geprägte Arbeiten durch Automaten zu ersetzen. Erste­ Versuche zeigen, dass bereits ein großer Teil der Anforderungen durch Roboter mit Qualitäten im Hochglanzbereich erzielbar sind. Ein weiteres Beispiel ist das Schruppfräsen oder das Auftragen von Verschleißschutzschichten durch Laserbearbeitung.

Eine große Herausforderung bei solchen Entwicklungen ist die Finanzierung. Dazu wurde unter Federführung vom Fraunhofer-IPT und WLZ ein Konsortium (Aachener Werkzeugbau Akademie) gegründet.

Getaktete Fließproduktion im Werkzeugbau

In der ZF AG in Schweinfurt werden Antriebsmodule und Fahrwerkskomponenten hergestellt. Für die Komponenten werden in großem Maße Bleche umgeformt, wofür der Werkzeugbau Werkzeuge und Prüfmittel herstellt, wie Gerd Ringelmann, ZF AG, Schweinfurt, einführend betonte.

Als Unterstützung werden zum Beispiel Simulationen in zunehmendem Umfang herangezogen. Eine der großen Herausforderungen für die notwendigen Fließproduktionen ist eine sehr genaue Taktung der Fertigung. Dazu wurden seit 2008 enorme Weiterentwicklungen unternommen, insbesondere zur Halbierung des Bestands, des Rückstands oder der Erhöhung des ­Lieferungsgrades.

Anfangs zeigten Untersuchungen, dass die reine Wertschöpfung im Vergleich zur gesamten Durchlaufzeit bei deutlich unter zehn Prozent liegen kann. Um die Situation zu verbessern, wurden Projekte in Zusammenarbeit mit dem WLZ/RWTH Aachen sowie dem Fraunhofer-IPT durchgeführt. Begonnen wurde mit einem gut nachvollziehbaren Taktmodell; großer Wert wurde­ dabei auf eine physische Transparenz (Verwendung von Farben) gelegt. Die Taktung wurde außerdem auf die Zulieferer ausgedehnt, sodass das richtige Material zum richtigen Zeitpunkt bereitgestellt wird. Festgehalten werden die Abläufe in Arbeits­plänen, für die bestimmte Regeln gelten und die in SAP geführt werden. Darüber hinaus lässt diese Technologie eine Vorschau zu, sodass die Mitarbeiter über die Produktion der nächsten Wochen informiert werden. Diese genaue Taktung und die Erfassung der einzelnen Teile ermöglichen eine klare Strukturierung sowie eine sehr präzise Verfolgung von Störungen. Inzwischen sind 85 % des Teilevolumens den Vorstellungen gemäß synchronisiert beziehungsweise die Anlagen zu 85 % ausgelastet. Die verbleibenden 15 % werden für Arbeiten außerhalb der standardmäßigen Produk­tion (Instandhaltung, Reparatur) ausgelastet. Dadurch konnte der Bestand an Teilen um 30 % verringert und die Durchlaufzeit reduziert werden.

Ein weiteres Projekt ist die Automatisierung zur formgebenden Hartbearbeitung. Die aufgebaute Linie besteht aus Fräs- und Erodiermaschinen sowie Reinigungsschritten. Die Herausforderungen für den Aufbau des gesamten Systems zeigten sich insbesondere beim Erodieren, Waschen, bei Spannsystemen, Rüstprozessen oder der Verknüpfung zu SAP. Die Bedienung erfolgt mit Tablett-PCs für jeweils einen Anlagenbetreuer. Nach dem Schneiden wird das Ausfallteil mithilfe von Magneten vollautomatisch fixiert, abgetrennt per Drahtschneiden oder Funkenerosion und dann mittels Magneten ausgehoben, die allerdings das Handling von sauberen Teilen ­erforderlich machen. Mit der schwierigste Punkt liegt im Bereich der Mitarbeiter, da sich durch eine derart umfassende Neuausrichtung die Produktionskultur durch die Änderung von althergebrachten Abläufen vollständig ändert.

Prozessentwicklung

Ralf Thom gab einen Einblick in die Herstellung von elektrischen Steckverbinderteilen durch Anwendung von Zerspanen, Schleifen und Erodieren. Die Werkzeuge und Teile aus dem Unternehmen des Vortragenden, der HaPeMa GmbH, Engelsbrand, gehen zu 85 % in die Automobilindustrie. Ralf Thom machte deutlich, dass sich im Zuge einer Prozess­optimierung 2009/2010 die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine als eine der wichtigen Herausforderungen herausstellte. In diesem Zusammenhang wurde deutlich, dass eine zentrale Programmierung und die Verwendung einer Gerätesprache erforderlich sind – was in der Folge auch realisiert wurde.

Dies führte unter anderem dazu, dass Produktionsprozesse durch die Arbeitsschritte der unterschiedlichen Arten des Biegens vollständig mannlos ablaufen. Bei Schleifprozessen war eine Umgestaltung der Aufgaben und Arbeitsprozesse sowie eine Einführung von Qualitätskennzahlen erfolgt. Im Bereich des Erodierens wurden interne­ Vergleiche durchgeführt und die optimale Belegung der Maschinen ermittelt. Dazu wurden auch externe Unternehmen und deren Produkte zum Vergleich hinzugezogen. Im Ergebnis konnte durch die Verbesserung der Arbeitseinrichtungen und -abläufe eine deutliche Steigerung der Produktivität erzielt werden.

Funkenerosion

Bei der Funkenerosion werden derzeit bei der Geschwindigkeit, dem Abtrag oder der Rauheit Verbesserungen erwartet. Nach Aussage von Marco Boccadoro von GF Machining Solutions ergeben sich Vorteile auch durch Energieeinsparung, die durch bessere Generatoren erzielt werden kann. Derzeitige Generatoren sind in den letzten 40 Jahren um den Faktor 40 in ihrer Effizienz verbessert worden.

Der Erodierprozess selbst konnte vor allem durch umfangreiche Arbeiten an der Hochschule Zürich mithilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera verbessert werden. Unter Einsatz der Kameratechnik können Plasmaprozesse detailliert in Bezug auf die Wirkung der unterschiedlichen Arten an Funken untersucht und verändert werden. Dies führt unter anderem zum Ergebnis, dass Stecker mit Kanten ohne Radien erzeugt werden. Damit kann das für das Herstellen feiner Details wichtige Ziel eines minimalen Seitenspalts erreicht werden (iGap). Hierfür werden Seitenfunken ausgeblendet und so die Bearbeitungszeit deutlich verringert.

Mithilfe von neuen Generatoren, die stark verkürzte Pulse abgeben, kann der Verschleiß des Erodierdrahts verringert werden. Ausschlaggebend für die Verringerung des Verschleißes ist die Tatsache, dass bei verkürzter Pulsdauer weniger der schweren Ionen auf den Draht treffen. Beeindruckend sind die erzielbaren Rauheiten von 22 nm!

Kunststoff

Im letzten Vortrag des Solution Days gab Siegfried Kaiser, Kunststoffinstitut Südwest in Villingen-Schwenningen, einen Überblick über neue Entwicklungen bei den Kunststoffen. Wie er einführend darlegte, geht der große Teil der Kunststoffe in die Bereiche Verpackung, Bau und Automobil mit PE und PP. Ein derzeit wichtiger Trend ist der Leichtbau, der neue Kunststoffe, Werkzeuge oder Bearbeitungsgeräte erfordert. ­Weitere Aspekte sind Funktionsintegration, Miniaturisierung und Sensorisierung.

Die Werkzeuge sind unter anderem dafür zuständig, der Oberfläche bestimmte Eigen­schaften wie Haptik oder Reinigbarkeit zu verleihen. Eine neue Richtung stellen die biobasierten Kunststoffe dar, die ohne Rohöl hergestellt werden und derzeit auch in technische Bauteile Einzug finden. Dazu wird auch beim Recycling eine genauere Betrachtung erforderlich sein.

Der Einsatz von Kunststoff im Auto wird nicht nur durch Bestrebungen zum Leichtbau zunehmen, sondern auch durch einen sich ausbreitenden Einsatz von Sensoren unterschiedlichster Art. Im Bereich der Medizintechnik spielt vor allem die Minia­turisierung der Kunststoffteile eine besondere Rolle. Für die Luft- und Raumfahrt kommen insbesondere Faserverbundwerkstoffe zum Einsatz.

Um die hohe Qualität der Kunststoffteile­ aufrechtzuerhalten, ist es nach Aussage von Siegfried Kaiser wichtig, Materialien und Leistungen (z. B. bei der Werkzeugherstellung und Kunststoffverarbeitung) zu kombinieren und mit den entsprechenden Know-how-Trägern zusammenzuarbeiten.

Werkstoffbearbeitung in der Praxis

Im Anschluss an die Vorträge hatte die Teilnehmer die Möglichkeit, sich direkt über die Leistungsfähigkeit der unterschiedlichen Maschinen in der Praxis zu informieren. Dabei wurde auch erkennbar, welche Werkstoffe mit welchen Voraussetzungen bearbeitet werden, wie die erzielbaren Ergebnisse tatsächlich aussehen und welche Einrichtungen und Geräte neben den Bearbeitungsmaschinen sinnvoll sind. Dies sind nicht nur die Werkzeuge in ihren jeweiligen, besonderen Ausführungen, sondern auch Anschlusswerte der Anlagen und die notwendige Bereitstellung von Eingangsdaten für die optimale Bearbeitung. Des Weiteren sind Hilfsstoffe wie etwa Wasser, das beispielsweise in einer bestimmten Qualität (Zusammensetzung bzw. Leitfähigkeit) vorliegen sollte, oder die auf den Prozess abgestimmten Elektroden wichtige Elemente der Anlagenausstattung.

Für das Fräsen war eine hochpräzise und schnelle Fünf-Achs-Simultan-Highspeed-Fräsmaschine, jetzt ausgestattet mit OSS extreme, beeindruckend. Dieses System optimiert den Bearbeitungsprozess nach den Wünschen des Anwenders mit wenigen Handgriffen. Dadurch lässt sich das dynamische Verhalten der Maschine genauso einstellen, wie es das Werkstück erfordert. Kürzere Bearbeitungszeiten und bessere Oberflächenqualitäten sind die Resultate.

Erstmals in Arbeit gezeigt wurde nach Aussage von GF das neue dreiachsige Bearbeitungszentrum Mikron VCE Pro mit der Vollversion der Heidenhain Steuerung TNC 620. Des Weiteren wurde den Teilnehmern die Hartmetallbearbeitung durch simultanes Hartfräsen und Präzisionsbearbeitung im Fünf-Achs-Bereich demonstriert.

Mit der Micron Mill S400U besteht die Möglichkeit, auf einer Maschine zwischen Graphit- und Kupferelektroden und gehärtetem Stahl zu wechseln. Dadurch können die Bearbeitungszeiten um 30 % bei maximaler Präzi­sion und Oberflächengüte gesenkt werden. Unterstützt werden die Erodierprozesse durch das optische Messsystem IVU Advance und einen automatischen Drahtwechsler, mit dem sich zwei unterschiedliche Drahtdurchmesser oder -sorten einwechseln lassen.

Für die Anforderungen der Formenbauer­ sind die neuen Agie Charmilles CUT 200/300 MoldTech-Modelle konzipiert. Sie sind ­besonders genau und leistungsfähig bei der Bearbeitung von Teilen mit variablen Schnitthöhen/-koniken und sorgen für eine perfekte Passform der komplexen Teile, sodass zeitaufwendiges Einpassen und Polieren von Hand entfallen kann. Die Genauigkeit der Konikwinkelbereiche innerhalb von 0° bis 30° liegt unterhalb einer Minute.

Mit der Agie Charmilles FORM 2000 VHP stehen neue Erodiertechnologien wie iGAP und Verschleißverteilung (Wear partitioning) zur Verfügung, mit denen sich die Bearbeitungszeiten erheblich verringern lassen und gleichzeitig ein deutlich geringerer Elektrodenverschleiß auch bei kleinen ­Untermaßen erreicht wird. Mit der Neuheit 3Dimension Structure im Senkerodieren kann eine Nano-Erodierstruktur mit erheblichen Vorteilen für die Form und das Endprodukt erzielt werden:

• schnellere Zykluszeiten durch eine deutlich verbesserte Entformbarkeit
• weniger Wartungsaufwand durch geringere Partikelanhaftung an der Spritzform
• das Endprodukt hat eine homogenere Oberfläche und ist widerstandsfähiger gegen Verkratzen

Fazit

Die GF Machining Solutions bietet mit Veranstaltungen wie den Solution Days Unter­nehmen die Möglichkeit, einen schnellen­ Überblick über Entwicklungen bei der hochqualitativen Werkstoffbearbeitung mit großer Praxisnähe zu erlangen. Der renommierte Anlagenhersteller aus Schorndorf zeigt darüber hinaus, dass Werkstoff- und Oberflächenbearbeitung durch neueste­ Technologien in bestimmten Bereichen mehr und mehr zusammenwachsen.

www.gfms.com/de