Fräser für den Formenbau

Spritzgießform für Lichttechnik in Polierqualität

Per Kugelfräser und Strategie schneller zur präzisen Fläche. Besonders hohe Ansprüche an die Werkzeugoberfläche erfordern Lichtoptiken aus Kunststoff. Mit Blick darauf haben Formconsult aus Schmalkalden und MMC Hitachi Tool Bearbeitungsstrategien entwickelt, um auch bei sehr kleinen und anspruchsvollen Konturen wirtschaftlich bis auf Fertigmaß zu fräsen.

Know-how aus Thüringen: Die komplexen Werkzeuge, fast ausschließlich mit Mehrkomponententechnik, kommen zu rund 60 Prozent im Automotivbereich zum Einsatz, aber auch in Branchen wie Konsumgüter, Medizintechnik oder der Elektroindustrie. (Bild: Formconsult)

Unter anderem mit kurzen Projektlaufzeiten will der Thüringer Formenbauer Formconsult punkten. Alle Werkzeuge werden im Haus konstruiert, die Zeit vom Auftragseingang bis zur Abmusterung liege bei durchschnittlich nur etwa 14 Wochen, davon entfallen sechs bis acht Wochen auf die Fertigung. Dazu tragen – neben den rund 50 erfahrenen Mitarbeitern der Einsatz moderner CAD-, CAM- und Simulationssoftware sowie die Produktionstechnik bei, die regelmäßig erneuert oder technisch aufgerüstet wird.

Zu den Hauptaktivitäten gehören komplexe, bis zu sechs Tonnen schwere 2- und 3-Komponentenwerkzeuge unterschiedlicher Bauweise, zum Beispiel mit Insert- oder Outsert-Technik. „Formconsult ist heute bekannt für hoch entwickelte Spritzgießwerkzeuge. Aber auch bei Forschungsprojekten und bei Innovationen, die es am Markt so noch nicht gibt, genießen wir inzwischen einen guten Ruf“, berichtet Jürgen Vierling, Prokurist und Leiter der Werkzeugfertigung bei Formconsult. „Dies bedeutet, auf zahlreichen Gebieten immer wieder Neuland zu betreten. Ein Beispiel dafür ist ein laufendes Projekt, bei dem es in Zusammenarbeit mit einem Zulieferer um die Optimierung von Beleuchtungstechnik für Autos geht.“

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Jürgen Vierling, Fertigungsleiter Werkzeugbau (rechts) und Jörg Hecker von MMC Hitachi Tool vor der 5-achsigen OPS Speed Hawk 650, auf der ein großer Teil der Tests gefahren wurde. (Bild: MMC Hitachi Tool)

Als sehr wichtig für den Projekterfolg betrachten die Thüringer die enge Zusammenarbeit mit Technologiepartnern. So auch bei Fräswerkzeugen. Seit etwa sieben Jahren kommen bei Formconsult präzise VHM-Werkzeuge (Vollhartmetall) sowie Wendeplattenfräser von MMC Hitachi Tool – mit steigender Tendenz – zum Einsatz. Das Know-how des japanischen Herstellers sollte auch im Fall des 2K-Werkzeugs zum Spritzen der Lichtoptik zum Projekterfolg beitragen. Dabei stellte sich die Frage, wie man mit einem bereits gebauten und recht gut funktionierenden Werkzeug bessere Ergebnisse erzielen kann. Schließlich übernehmen Kunststoffteile immer raffiniertere optische Aufgaben, befeuert durch LED und andere Hightech-Lichtquellen. Damit steigen auch die Anforderungen an die Oberflächen rapide.

Pulvermetallurgischer Formenstahl geeignet?
„Wie im aktuellen Fall für ein drittes, mittig angeordnetes Bremslicht, geht es fast immer darum, die über das Werkzeug im Kunststoff abgebildeten optischen Eigenschaften ausschließlich durch Fräsen herzustellen“, erläutert Jürgen Vierling. „Und zwar mit einer hervorragenden Oberfläche, möglichst in Polierqualität. Denn diese ist entscheidend für den Glanz des Kunststoffs und damit für die optische Wirkung.“ Die Herausforderung ist dabei, dass die Lichtoptik in diesem Fall aus über einhundert, nur wenige Millimeter große, unterschiedlich geformte Facetten besteht. Klassisches Polieren würde hier zu einer Geometrieverfälschung führen, da man dann keine scharfen Kanten mehr hat, sondern kleine Radien, was sich negativ auf die Lichtbrechung und damit auf die Streuung auswirkt. Darum wollte man in Schmalkalden vor etwa einem halben Jahr durch Testreihen recherchieren, wie sich noch bessere Oberflächenqualitäten durch Fräsen herstellen lassen.

Werkstück der Testreihe aus dem Chrom-Molybdän-Vanadium-Stahl Elmax. Zu sehen sind die unterschiedlich geformten, scharfkantigen Facetten, die mit dem 0,5-mm-Kugelfräser (EPHPB-2005-1-PN) von MMC Hitachi Tool 5-achsig auf Endmaß gefräst wurden. (Bild: MMC Hitachi Tool)

Im Rahmen eines Benchmarks wurden verschiedene Werkstoffe, unter anderem der hochzähe Warmarbeitsstahl Böhler W400 VMR (1.2343) oder der speziell für abrasive Kunststoffe ausgelegte, pulvermetallurgische Formenstahl Elmax getestet. Beteiligt waren daran sowohl die etwas ältere, 3-achsige Röders RFM 760 sowie die 5-achsige OPS Speed Hawk 650, die als Bestandteil der automatischen Senkerodierzelle Moldcenter (OPS-Ingersoll) bei Formconsult überwiegend für das Elektrodenfräsen zuständig ist. Auf beiden Maschinen sind zahlreiche Tests mit verschiedenen Fräsertypen diverser Hersteller und unterschiedlichen Schnittwerten gefahren worden.

Bei Elmax handelt es sich um einen Chrom-Molybdän-Vanadium-legierten Spezialstahl, der – trotz hoher Korrosionsbeständigkeit – sehr verschleißfest ist. Bei den ersten Versuchen, diesen 58 HRC harten Formenstahl zu fräsen, kam es allerdings immer wieder zu Werkzeugproblemen, die hauptsächlich auf die schnell verschleißenden Schneiden zurückzuführen waren. Auch mit der erzielten Oberflächenqualität war man in Schmalkalden nicht ganz zufrieden. Deshalb verschafften sich die Verantwortlichen einen größeren Überblick am Markt über Materialien, Maschinen und verschiedene Fräser. In verschiedenen Tests mit unterschiedlichen Werkzeugen, Frässtrategien und verschiedenen Zustellungen wurden die Ergebnisse Schritt für Schritt optimiert.

Die vom CAM-System generierten 5-achsigen (3+2) Fräsbahnen auf dem Testwerkstück. Gut zu sehen sind die einzelnen Facetten sowie der extrem kurze 0,5-mm-Kugelfräser. (Bild: MMC Hitachi Tool)

Heraus kam schließlich eine Lösung zur Finishbearbeitung mit dem extrem kurzen PN-beschichteten MMC Hitachi Tool-Kugelfräser (EPHPB-2005-1-PN) mit 0,5 Millimeter Durchmesser (Radiustoleranz ±0,003 Millimeter). Als wichtig für die Oberflächenqualität stellte sich heraus, dass sich die Schnittwerte im mittleren Bereich bewegen und die Maschine konstant denselben Vorschub fährt. Eine Vorschubgeschwindigkeit von 350 mm/min kristallisierte sich als optimal heraus. Jedoch sollte man hierüber nicht vergessen, dass die Auswahl und Qualität des Fräswerkzeugs sowie die Definition der Bearbeitungswerte zwar besonders wichtig sind, aber nicht der allein bestimmende Faktor – für das Bearbeitungsergebnis ist das Gesamtsystem entscheidend. Also das optimale Zusammenwirken von Maschinenkinematik, Spindel, Spannmittel, Werkzeug und Frässtrategie – bei Formconsult werden die Fräsprogramme mit dem CAM-System WorkNC (Vero/Hexagon, früher Sescoi) vom 3D-CAD-Solid abgeleitet. Gefräst wurde 5-achsig mit angestellter Achse (3+2) und 36.000/min, einer Schnitttiefe von 0,01 Millimeter sowie einer seitlichen Zustellung von 0,01 Millimeter. Für die Finishbearbeitung eines ganzen Feldes wurden 95 Minuten benötigt. Besonders stolz waren die Verantwortlichen bei Formconsult und MMC Hitachi Tool darauf, dass der Kugelfräser nicht die üblichen sieben oder acht Stunden, sondern 30 Stunden durchgehalten hat.

Facettenreich – die gespritzte Lichtoptik, die in das Bremslicht verbaut wird. Vor dem Serienstart wird ein Teil wie dieses in ein Lichtlabor geschickt, wo die Lichtgeometrie vermessen wird, die unter anderem für die Streuung verantwortlich ist. (Bild: MMC Hitachi Tool

Ra auf 0,1 µm fräsen
Da Vorschlichten kein Problem ist, „das kann jeder fräsen“, ist die Herausforderung in Schmalkalden das Finish, wo es um das letzte MIkrometer geht, um wirklich eine saubere Fläche zu bekommen. Zumal es ein Unterschied ist, ob ein 0,5er-Kugelfräser oder zum Beispiel einer mit 2 mm Durchmesser – was bedeutend einfacher wäre – zum Einsatz kommt. Aktuell werden bei Formconsult die Facetten direkt auf Endmaß mit einem Ra von 0,1 Mikrometer gefräst. „Wichtig ist uns, dass wir hinsichtlich Prozesssicherheit und Werkzeugstandzeit ebenfalls ein kräftiges Stück vorangekommen sind. Im Vergleich zu den Politurabstufungen fällt die Oberfläche unter Seidenglanzpolitur, die wir ausschließlich durch Fräsen erreicht haben“, zieht Jürgen Vierling ein positives Fazit. „Zusammengefasst kann man sagen, durch unsere Tests, die wir gefahren haben, können wir unseren Kunden ein noch hochwertigeres Werkzeug liefern. Ohne den exzellenten Support von MMC Hitachi Tool wäre dies allerdings kaum umzusetzen gewesen.“


Formconsult
Wenn es um Hochleistungsspritzgießformen für anspruchsvolle Kunststoffteile geht, zählt Formconsult in Thüringens Werkzeugbauszene zu den ersten Adressen. Was ist das Erfolgsrezept des in Schmalkalden ansässigen Spezialisten? „Wir decken von der Entwicklung bis zum fallenden Teil die gesamte Prozesskette ab. Der Kunde erhält bei uns quasi ein Rund-um-sorglos-Paket”, unterstreicht Jürgen Vierling. Fallendes Teil bedeutet, dass an den beiden hauseigenen Spritzgießmaschinen die Abmusterung des Werkzeugs zusammen mit dem Kunden bei Formconsult stattfindet. „Der Kunde kann mit dem Werkzeug nach Freigabe vom Kunden sofort produzieren, was am Markt sehr gut ankommt.“ Die über 200 Kunden kommen zu rund 60 Prozent aus dem Automotivbereich, ergänzt durch Branchen wie Konsumgüter, Medizintechnik oder der Elektroindustrie.

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