Optische Bauteile

Meinolf Droege,

Hochglanzfräsen mit nur einem Werkzeug

Optische Bauteile verlangen besonders hohe Qualitäten der Kavitätenoberflächen – bis hin zum Hochglanz. Mit Hilfe eines speziellen Kugelfräsers gelingt es dem Formenbauer und Verarbeiter RSD Polytec, beim Feinschlichten mit nur einem Werkzeug auch große spiegelnde Oberflächen besonders verschleißarm zu fräsen.

Hochglanzgefrästes Werkzeug mit großer Spiegelfläche nach dem Polieren. © Uta Kellermann

Spritzgießformen für die RSD-Group liefern einen Teil der Aufträge des Formenbauers und Spritzgießers RSD Polytec. Den Schwerpunkt der Fertigung bilden laut Geschäftsführer Jürgen Klausmann aber externe Kunden vorwiegend aus dem Bereich Automotive. „Zusammen mit den Kunden entwickeln und stellen wir technische Produkte her, zum Beispiel Befestigungselemente ebenso wie anspruchsvolle Designteile oder Lichtoptiken. Präzise Spritzgießformen für Lichtoptiken zählen zu unserer Kernkompetenz.“ Diese Werkzeuge seien zwar vom mechanischen Aufbau nicht besonders schwierig, aber Maßhaltigkeit und Oberfläche stellen hohe Anforderungen.

Bereits vor gut fünf Jahren begann der Form- und Werkzeugbauer mit der Umstellung vom Senkerodieren auf das HSC-Fräsen und hier vor allem die Hartbearbeitung. Eingesetzt wurden auf VHM-Werkzeuge (Vollhartmetall) von MMC Hitachi, das Unternehmen firmiert heute unter Moldino. Nur bei den Lichtoptiken blieb es zunächst beim Erodierpolieren, weil die früheren HSC-Maschinen keine ausreichend kleine Toleranzen zuließen. Den Durchbruch brachte schließlich vor zwei Jahren die Anschaffung einer 5-achsigen Maschine von Exeron, die in der auf ±2 Kelvin genau temperierten Halle ihre Präzision und Dynamik voll ausspielen kann.

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Hochglanzgefräster Formkern mit Angaben zur Oberflächenqualität. © RSD Polytec

„Der Anstoß für diese Investition kam vom Kunden“, blickt Jürgen Klausmann zurück. „Es wurde eine sehr hohe Genauigkeit bei den Lichtoptiken gefordert, die selbst im Erodierpolieren nicht zu erreichen war.“ Um spiegelnde Oberflächen zu fräsen, sind beim finalen Schlichten möglichst hohe Drehzahlen und hohe Dynamik zu nutzen. Spätestens bei großen Flächen war es bisher notwendig, mit Schwesterwerkzeugen zu arbeiten, weil die Standzeiten der Fräser nicht ausreichend waren.

Beim Werkzeugwechsel ergibt sich jedoch typischerweise ein minimaler Versatz. Dieser Übergang musste bisher manuell homogenisiert und anschließend die gesamten Oberflächen auf Hochglanz poliert werden. Dank höherer Standzeit der Fräser können jetzt größere Flächen mit einem Werkzeug gefräst und somit die Kosten für die aufwendige Handpolitur reduziert werden. Dennoch ist stets abzuwägen zwischen sehr langen Maschinenlaufzeiten und manueller Polierarbeit. Kleine Flächen werden vollständig auf Hochglanz gefräst, bei großen Flächen wird minimal nachpoliert zugunsten kürzerer Maschinenlaufzeiten.

Produktfamilie von Kugelfräsern der Marke EPDBEH mit TH3-Beschichtung. © Moldino

Eingesetzt werden heute Kugelfräser der Serie Epoch Deep Ball Evolution Hard von Moldino, die den Durchmesserbereich von 0,1 bis 12 Millimeter bei Nutzlängen bis 20 x D abdeckt. Wichtig für Bearbeitungsergebnis und Prozesssicherheit sind auch der Rundlauf der Fräser sowie niedrige Fertigungstoleranzen, die laut Hersteller im einstelligen Mikrometer-μ-Bereich liegen.
Im Vorfeld wurden die Prozesse bei RSD Polytec mit der Production-50-Methode von Moldino analysiert. Es ging darum, auf Basis der bestehenden Fräsprozesse eine neue Perspektive auf den gesamten Fertigungsprozess zu erhalten. So werden Verbesserungspotentiale identifiziert, die zusammen mit dem Kunden umgesetzt werden können.

Am Beispiel eines realen Mehrkavitätenwerkzeugs wurde geprüft, ob die neuen Kugelfräser ihr Versprechen in der Praxis einlösen. Das Werkzeug dient zum Spritzen einer transparenten Platte für ein Automotive-Bauteil. Die Kavität misst etwa 120 x 100 Millimeter und ist 30 Millimeter tief. Die Form- und Maßtoleranzen sind überwiegend bei ±0,01 Millimeter bei spiegelnder Oberfläche. Verwendet wurde der Werkstoff 1.2344 mit 52 HRC.

Gemeinsam entwickelten der Moldino-Kundenberater und ein CAM-Programmierer von RSD die Bearbeitungsschritte samt Schnittdaten und Werkzeugwahl. Programmiert (und konstruiert) wird bei RSD in Bad Säckingen mit der 3D-Software Topsolid 7. Die Tests fanden auf der Exeron mit Minimalmengenschmierung statt. Vor diesem Test wurde bei RSD Polytec geschruppt, vorgeschlichtet und geschlichtet – also in drei Arbeitsgängen gearbeitet. Mit den neuen Fräsern kam der vierte hinzu, das Feinschlichten. Gefräst worden ist wie bisher 3+1-achsig mit angestellter B-Achse. Mit 0,4-Millimeter-Kugeln wurde ein kleiner Durchmesser gewählt. Die Schlichtstrategie in TopSolid 7 wurde beibehalten, die Zustellung zugunsten der Oberflächenqualität etwas verringert, ebenso der Vorschub. Die Schnittgeschwindigkeit ist hingegen dank der TH3-Beschichtung deutlich auf 51 m/min erhöht. Außerdem wurde die Toleranzeinstellung an der Heidenhain-CNC angepasst und mit der im CAM abgestimmt.

Präzisions-Spritzgießen mit hoher Komplexität und Sichtflächen stellt hohe Anforderungen an den Formenbau. Effizienzsteigerungen bei der Zerspanung können die Kosten drastisch senken. © RSD Polytec

„Nach dem Fertigschlichten mit nur einem Fräser ist unser Polierer nur noch mit der 3-Mikrometer- und der 1-Mikrometer-Paste drübergegangen – und wir hatten die perfekte, maßhaltige Hochglanzfläche“, stellt Programmierer Stefan Hribar fest. „Nach knapp zwei Stunden Fräszeit war am Werkzeug kein Verschleiß zu erkennen.“ Fünf Polierarbeitsgänge, die das Schleifen mit verschiedenen Körnungen betrafen, entfielen damit. Bisher habe der Polierer drei Stunden pro Kavität benötigt, jetzt reiche eine Stunde. Die in diesem Projekt für das Polieren erstellte Kostenanalyse zeigte eine Ersparnis von knapp 30 Prozent.

Inzwischen werden in Bad Säckingen alle spiegelnden Oberflächen mit den neuen Kugelfräsern bearbeitet. So sei in einem Werkzeug für einen Flächenlichtleiter mit vergleichsweise großen Spiegelflächen der Polieraufwand halbiert werden. Für die Spiegelfläche der etwa 600 x 300 Millimeter großen und 60 Millimeter tiefen Kavität benötigte die Maschine mit 4-Millimeter-Kugelfräser sieben Stunden. Trotz einer Schnittgeschwindigkeit von 214 m/min zeigte der Fräser keinen nennenswerten Verschleiß, obwohl der Werkstoff 1.2343 ESU eingesetzt wurde. Diese Legierung wird aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff inklusive konturnaher Kühlkanäle im SLS-Verfahren (Selektives Laserschmelzen) hergestellt und ist relativ schwer zu bearbeiten. Ohne die neuen Fräser sei wäre das Projekt nicht oder zumindest nicht in dieser Qualität realisierbar gewesen.

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