Hart- und Graphitbearbeitung

Prozesssicher fräsen im Formenbau

Der Formenbau von Festo Polymer in St. Ingbert wurde im Jahr 2017 als Werkzeugbau des Jahres ausgezeichnet. Er zählt zu den modernsten in Deutschland und. Bei EDM, Elektrodenfräsen und Hartbearbeitung setzen die Saarländer konsequent auf Automatisierung. Um den 24/7-Betrieb zu verbessern, wurden die Fräsprozesse analysiert und optimiert.

Fräser warten in der Fertigungszelle für hart- und für Graphitbearbeitung auf ihren Einsatz. © MMC Hitachi Tool

Der Umzug an den neuen Standort im Jahr 2015 war für Feste Polymers der Anlass, bisherige Abläufe zu überdenken und - wo sinnvoll - in neue Technologien zu investieren. In diesem Zuge wurde der Werkzeugbau konsequent automatisiert. Bearbeitet werden hier ausschließlich formgebende Teile, Grafit oder hochpräzise Stahlteile beim Hartfräsen. Hohe Kompetenz hat sich Festo im Laufe der Jahre beim Fräsen erarbeitet. Auf dem Erreichten will man sich aber nicht ausruhen, sondern kontinuierlich besser werden, vor allem was Maßhaltigkeit, Laufzeiten der Werkzeuge und Prozesssicherheit betreffen. Dies sei ein evolutionärer Prozess, der über diverse Stellschrauben verfügt. So sollen die Fräsprozesse für die Automatisierung standardisiert werden. Zudem gab es in St. Ingbert den Wunsch, besondere die am häufigsten vorkommenden Bearbeitungsaufgaben auf den Prüfstand zu stellen, um diese hinsichtlich Werkzeugauswahl, Frässtrategien und Schnittdaten zu optimieren und reproduzierbar zu machen.

Deshalb wurde im Mai 2014 beschlossen, die Partnerschaft mit MMC Hitachi Tool zu forcieren. Im ersten Schritt ging es um das Optimieren der Hartbearbeitung. Gemeinsam wurden über einen längeren Zeitraum hinweg diverse Tests mit unterschiedlichen Werkstücken und verschiedenen Werkzeugen gefahren, vom Schruppen und Tauchfräsen bis hin zum Fertigschlichten - sowie dem Gewindefräsen. Bearbeitet wurden Werkstoffe wie der bei Festo häufig verwendete X38CrMoV5-1 (1.2343), zudem X42Cr13 (1.2083), X45NiCrMo4 (1.2767) und Böhler-Stähle wie den M390, meist in Härten bis 54 HRC, aber auch - wie beim Gewindefräsen in den Böhler K390 - schon mal bis zu 64 HRC.

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Kein Fräserverschleiß erkennbar: Das Bild zeigt die siebte Elektrode, die mit dem D-EPDB im Rahmen des Vergleichstests komplett geschruppt und geschlichtet wurde. Der 1-Millimeter-Kugelfräser wäre noch für viele weitere Elektroden einsetzbar gewesen. © MMC Hitachi Tool

Bei den diversen Bearbeitungsaufgaben wurden verschiedene Frässtrategien, Schnittwerte und Fräsertypen von MMC Hitachi miteinander verglichen. Zum Beispiel beim Schruppen eines Formeinsatzes aus 1.2343 mit Z-konstant: Den zunächst verwendeten 20-Millimeter-Torusfräser mit Wendeplatten ersetzte der Prozessoptimierer durch den Einschraub-Torusfräser ASRM Pico Maxi (Wendeplatten JS 4060). Er zeigte mit 150 Minuten deutlich höhere Leistung, obwohl aufgrund der Maschinensituation die Tiefenzustellung um die Hälfte auf 0,3 Millimeter reduziert werden musste. Im Rahmen der Optimierungsarbeiten wurden auch die EDT-Gewindefräser bei Festo in den Fertigungsprozess implementiert. Diese Werkzeuge fräsen Gewinde, die sonst häufig senkerodiert werden, direkt - ohne vorzubohren - auch in sehr harte Stähle.

Angespornt von den signifikanten Verbesserungen bei der Hartbearbeitung sollte ein weiteres Projekt zeigen, dass sich die guten Erfahrungen auf das Grafitfräsen übertragen lassen. Hier wurde ähnlich vorgegangen wie beim Stahl - zunächst ist der Prozess genau angeschaut worden. Zum Beispiel, wie werden die Elektroden programmiert? Das lief jeweils über ein bis zwei Tage hinweg, oft zusammen mit mehreren Mitarbeitern. Hier gab es zwischendurch immer wieder kleinere Workshops, wo die neuen Parameter erläutert und diskutiert worden sind. Auf diese Weise wurden gemeinsam neue Frässtrategien und Schnittwerte wie Vorschub, Drehzahl oder Zustellung festgelegt, die sozusagen maßgeschneidert für das automatische Grafitfräsen im Festo-Werkzeugbau waren. Dabei hatte die Prozesssicherheit stets oberste Priorität. Die neuen Werte wurden dann in die Werkzeugdatenbank von VISI CAM eingetragen.

Werkzeugbau des Jahres: Die komplett klimatisierte Fertigung von Festo Polymer investiert beständig in Technik und Organisation. © MMC Hitachi Tool

Ein spezielles Testfräsen, wie Festo bisher die Elektroden bearbeitet hatte, sollte Ergebnisse aufzeigen. Dabei sollten sieben Elektroden für den Formeinsatz eines Pneumatik-Kolbens mit einem 1-Millimeter-Kugelfräser komplett bearbeitet werden. Das Unternehmen ging nach dem Optimierungskonzept ‚Production 50' vor, das MMC Hitachi Tool für den Fräsbereich entwickelt hat. Beim eingesetzten Werkzeug handelte es sich um den diamantbeschichteten Vollhartmetall-Kugelfräser D-EPDB-2010-5 mit zwei Schneiden. Während die beiden Vergleichswerkzeuge, jeweils eins nur zum Schruppen von Restmaterial sowie zum Schlichten, verwendet wurden, kam der D-EPDB beim Schruppen und Schlichten zum Einsatz.

Bei allen Werkzeugen waren die Bearbeitungsparameter bis auf den Vorschub und leicht unterschiedliche Zustellwerte weitgehend gleich. Mit dem D-EPDB wurde gegenüber den beiden Wettbewerbskandidaten mit 3,2 Metern pro Minute eine mehr als zweieinhalbfache Vorschubgeschwindigkeit gefahren. Beim Schruppen des Restmaterials hat dies durch die leicht unterschiedliche Seiten- und Tiefenzustellung zeitlich keine Vorteile gebracht. Aber beim Schlichten ist Festo rund 30 Prozent schneller geworden. In der Summe wurden die Fräsprozesse verbessert und die Anzahl der Werkzeugtypen verringert worden, was sehr relevant für die Automatisierung und die hierfür notwendige Standardisierung der Prozesse ist. Mit Blick auf die Automatisierung sei es zudem wichtig, dass die Prozesssicherheit gestiegen sei.


Der Anwender
Festo Polymer ist eine 2014 ausgegründete Tochtergesellschaft der Festo AG & Co. KG, die am Standort St. Ingbert alle Kompetenzen rund um die Polymer- und Elastomerverarbeitung zusammenfasst. Technologie, Werkzeugbau und Fertigung, Digitalisierung, Simulationen und vernetzte Anlagen sollen bereits die Anforderungen an eine Produktion 4.0 gerecht werden. Der Prozess von der Entwicklung bis zur Fertigung wird ganzheitlich abgebildet und stetig verbessert. Der hochtechnisierte Werkzeugbau von Festo Polymer zählt zu den modernsten seiner Art und wurde 2017 als Werkzeugbau des Jahres ausgezeichnet. Die Festo-Gruppe mit Hauptsitz in Esslingen bietet als global ausgerichtetes, unabhängiges Familienunternehmen pneumatische und elektrische Antriebstechnik für die Fabrik- und Prozessautomatisierung an. Weltweit werden rund 20 100 Mitarbeiter an 250 Standorten beschäftigt.

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