Der optimale Weg ist das Ziel

28.09.2006Redakteur: MM

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Effiziente Bearbeitungsstrategie fürs Fräsen im Werkzeug- und FormenbauDer Werkzeug- und Formenbau gehört zu den Schlüsselbranchen des Maschinenbaus: Kein Kunststoff- oder Tiefziehteil könnte ohne dessen Leistungen entstehen. Dabei sind in den vergangenen Jahren die Anforderungen stetig gestiegen: Schnell verfügbar sollen die Bauteile sein. Immer neue und zunehmend festere Werkstoffe sind zu bearbeiten. Die Bearbeitungstiefen nehmen zu; gleichzeitig werden die geforderten minimalen Radien kleiner. Und die Qualität der Oberfläche muss natürlich auch stimmen. Dass derartige Qualität ihren Preis hat, ist klar; klar ist aber auch, dass die Unternehmen des Werkzeug- und Formenbaus im weltweiten Wettbewerb stehen. Weil es sich zudem bei nahezu allen Werkstücken um einmalig anzufertigende Bauteile handelt, sind die bekannten Methoden der Serienfertigung wirkungslos.Wie läuft heutzutage die Fertigung im Werkzeug- und Formenbau ab? Zunächst erhält das Unternehmen die Geometriedaten des zu fertigenden Bauteils. Hier tauchen bereits erste Probleme auf: In der Regel gehen durch die vorhandenen Schnittstellen zwischen verschiedenen CAD-CAM-Systemen viele wichtige Daten verloren. Zusätzlich können Fehler in der Geometrie entstehen. Das Bauteil muss deshalb nach Empfang in der Regel nachbearbeitet oder teilweise neu konstruiert werden.Beim sich anschließenden Erstellen der Werkzeugbahnen sind dem Programmierer Restriktionen auferlegt. Da ist zunächst das nötige Erfahrungswissen, das nicht ihm, sondern dem Bediener der Fertigungsmaschine zur Verfügung steht - sofern nicht direkt an der Maschine programmiert wird. Und vielleicht möchte er eine bestimmte Bearbeitungsstrategie anwenden, die das benutzte System leider nicht zur Verfügung stellt oder deren Programmierung einen zu großen Zeitaufwand bedeutet.Unbekannt ist gerade bei Gussrohlingen das vorhandene Aufmaß, so dass die Bearbeitung aus Sicherheitsgründen mit erheblichem Abstand zum Bauteil begonnen wird, was zu einer großen Zahl an Luftschnitten führt und letztlich unbefriedigend ist. Die anschließende Schlichtoperation erfolgt vielfach mit Kugelkopf-Werkzeugen aus Vollhartmetall. Üblich ist es hierbei, das Werkzeug zur Z-Achse um einen bestimmten Winkel anzustellen, damit im Bereich ebener Flächen nicht der Fall des ,,Schneidens über Mitte" mit seinen bekannten Problemen auftritt. Als Strategie kommt dann das Pendelfräsen zum Einsatz, bei dem die Werkzeugbahnen häufig einen Winkel von 45° zu den X- und Y-Achsen einschließen. In Bild 1 ist diese Pendelstrategie dargestellt, allerdings nicht unter einem Winkel von 45°. Charakteristisch für diese Strategie ist zum einen, dass die Bearbeitung ohne Rücksicht auf vorhandene Geometrieelemente wie zum Beispiel Taschen erfolgt, zum anderen ist diese Vorgehensweise im Hinblick auf den Werkzeugverschleiß nicht optimal.Manuelle Nacharbeit minimierenZuletzt schließt sich dann die manuelle Nachbearbeitung an. Hier wird die Qualität der vorangegangenen Fräsbearbeitung deutlich; sie bestimmt maßgeblich den Aufwand, der nötig ist, um das Bauteil in den gewünschten Endzustand zu bringen. So unterschiedlich wie die gesamte Branche sind auch hier die Anforderungen an die Bauteile: Genügt den einen bereits eine geschlichtete Fräsoberfläche, so ist an anderer Stelle eine Oberflächenrauheit (Ra) von weniger als einem µm gefordert; ganz extreme Anforderungen des Kunden gehen hinunter bis zu Ra-Werten im Nanobereich. Dies ist sicherlich eine Größe, die alleine durch die Fräsbearbeitung nicht machbar ist. Sie zeigt aber auf, in welchen Grenzen sich der Werkzeug- und Formenbau bewegen kann.Anhand der Darstellung der gegenwärtigen Vorgehensweise und Probleme deutet sich an, wo eine Optimierung der Bearbeitung sinnvoll und aussichtsreich ist: Es geht um die Bearbeitungsstrategie. Es gibt verschiedene Alternativen, die alle ihre spezifischen Vor- und Nachteile haben. Messen lassen müssen sie sich letztlich daran, ob mit ihrer Hilfe eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit möglich wird.Weiter oben wurde beschrieben, dass Bauteile in vielen Fällen pendelnd bearbeitet werden. Untersuchungen am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen der TU Darmstadt (PTW) haben ergeben, dass die elementweise Bearbeitung aus mehreren Gründen vorteilhaft ist: Zum einen besteht die Möglichkeit, eine Strategie auszuwählen, bei der sich die Eingriffsbedingungen des Werkzeugs während der Bearbeitung nicht ändern. Frühere Arbeiten am PTW [2] zeigten, dass der Werkzeugverschleiß hiervon in nicht unbedeutendem Maß abhängig ist. Zum anderen ist die Berücksichtigung der Geometrieausprägung im Hinblick auf die Funktion des Bauteils sinnvoll. Bei einer Form für Spritzguss beispielsweise müssen Aushebeschrägen vorgesehen sein, um das abgegossene Werkstück aus der Form entfernen zu können. Es ist nun sicherlich sinnvoll, solche Funktionsflächen in der gleichen Orientierung zu bearbeiten, wie sie durch die Richtung der Entformung vorgegeben ist. Dadurch können die Entformungskräfte reduziert werden. Und schließlich gibt es Bereiche, in denen die Anwendung der einen oder anderen Frässtrategie darüber entscheidet, ob der Bearbeitungsprozess stabil abläuft oder zur Instabilität neigt. Ein Kennzeichen für solche Fälle ist der Umschlingungswinkel des Bearbeitungswerkzeuges.Die Anwendung unterschiedlicher Strategien in Abhängigkeit von vorhandenen Geometrieelementen bringt jedoch unerwünschte Nebeneffekte mit sich. Einer der gewichtigsten ist die Bearbeitungszeit. Viele Anwender argumentieren, dass die pendelnde Bearbeitung am schnellsten geht. Die Abwendung von dieser Strategie bringe wegen vermehrter Zustellbewegungen längere Bearbeitungszeiten mit sich und könne daher per se nicht wirtschaftlich sein. Dies trifft so sicherlich zu. Der geringere Werkzeugverschleiß, den eine geänderte Strategie mit sich bringt, kann den Zeitfaktor alleine nicht in jedem Fall wettmachen. Anders sieht das Bild dagegen aus, wenn man entsprechende Bahngeschwindigkeiten und - viel wichtiger - große Beschleunigungswerte bei den Bearbeitungszentren zur Verfügung hat. Möglich wird dies durch die Nutzung der Linearantriebstechnik, die mittlerweile bei Werkzeugmaschinen für den Werkzeug- und Formenbau verfügbar ist. Bild 2 zeigt im Vergleich die Bearbeitung eines Bauteils mittels einer konventionellen Maschine und einer Linearmotormaschine. Deutlich zu erkennen ist hier der Zeitvorteil der Linearantriebe.Ein weiteres Problem, das sich bei der Anwendung unterschiedlicher Strategien für einzelne Geometrieelemente ergibt, sind Übergänge zwischen den Strategiewechseln der einzelnen Elemente. Ganz lösen lässt sich dieses Problem bis heute noch nicht. Aber es lässt sich verlagern in Bereiche, die praktisch nicht sichtbar sind und daher auch nicht als störend auffallen. Gerade bei größeren Bauteilen tritt dieses Problem auch unabhängig von der Strategie auf; dann nämlich, wenn ein verschlissenes Werkzeug gewechselt werden muss. Auch hier ist es sinnvoll, den Werkzeugwechsel in einen Bereich zu verlegen, in dem die zwangsläufig entstehende Marke nicht störend auffällt. Auch für solche Fälle bietet es sich daher an, einzelne Geometrieelemente mit angepassten Strategien zu bearbeiten.Individuelle Strategie zur BearbeitungSchließlich wird der Programmierer fragen, wie er denn den Wunsch realisieren soll, nicht mehr die bis dahin übliche ,,Einheits-Strategie" zur Bearbeitung zu wählen. Zwar sind die heutigen CAD/CAM-Systeme wesentlich weiterentwickelt, und auch die inzwischen verfügbaren Rechenkapazitäten stellen die früheren Möglichkeiten weit in den Schatten. Dennoch bleibt hier eine Diskrepanz, die jeder Anwender bestätigt: Es besteht auch weiterhin deutlicher Bedarf zur Verbesserung.Man sieht also: Der Weg zum Ziel ist steinig, aber gangbar. Ziel für die Zukunft muss sein, die Anwender im Werkzeug- und Formenbau gerade im Bereich der Bearbeitungsstrategie noch wesentlich stärker zu unterstützen. Sinnvoll ist dabei auch die direkte Zusammenarbeit aller, die an der gesamten Prozesskette beteiligt sind, also CAD/CAM-Hersteller, Werkzeughersteller und Anwender. Beispiel für eine solche Zusammenarbeit ist das Projekt Hochgeschwindigkeitsbearbeitung im Werkzeug- und Formenbau (HSC-WF) IV, das derzeit mit Beteiligung namhafter Industriepartner am PTW in Darmstadt durchgeführt wird.Literatur:[1]Geist, J.: HSC-gerechte NC-Programmierung von Freiformgeometrien mit Fertigungsfeatures. Dissertation TU Darmstadt 2000.[2]Hock, S.: Hochgeschwindigkeitsfräsen im Werkzeug- und Formenbau. Dissertation TH Darmstadt 1995.[3]Schulz, H.: Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. München: Hanser Verlag 1996.