Leichtbau im Werkzeugbau Leichtbauwerkzeuge für Schwerstarbeit

Autor / Redakteur: Dr. Dirk Sellmer / Andrea Gillhuber

Leichtbau erobert die unterschiedlichsten Industrien. Auch in der Zerspanungstechnik spielt er vor allem dann eine große Rolle, wenn es darum geht, bewegte Masse zu reduzieren und die Energieeffizienz zu verbessern.

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Leichtbau spielt auch im Werkzeugbau eine immer größere Rolle.
Leichtbau spielt auch im Werkzeugbau eine immer größere Rolle.
(Bild: Mapal)

Nicht nur für Bauteile, beispielsweise in der Luftfahrt- und Automobilindustrie, spielt der Leichtbau eine gewichtige Rolle. Auch für die Herstellung von Werkzeugen ist er relevant. Die Gründe dafür sind vielfältig. Unter anderem wird durch das Reduzieren bewegter Massen eine verbesserte Energieeffizienz erreicht – und das ist das Gebot der Stunde. Mapal nutzt verschiedene Methoden, um Präzisionswerkzeuge, wann immer möglich und sinnvoll, gewichtsarm zu fertigen.

Als Hersteller hochproduktiver und effizienter Präzisionswerkzeuge beschäftigt sich das Unternehmen seit Langem mit dem Thema Leichtbau. Doch es geht nicht nur um eine möglichst energieeffiziente Produktion, darüber hinaus gibt es Fertigungsbedingungen, die für Werkzeuge nur ein maximales Gewicht zulassen.

Vorteile von Leichtbauwerkzeugen in der Produktion

Das zulässige Werkzeuggewicht der Maschinenspindel, des Werkzeugmagazins oder des Werkzeuggreifers sind Gründe, die von Werkzeugherstellern entsprechend gewichtsarme Werkzeuge fordern. Ähnlich verhält es sich beim Kippmoment, das bei Bearbeitungszentren häufig das Werkzeuggewicht begrenzt. Teilweise können auch die maximale Verfahrgeschwindigkeit oder die geforderten Genauigkeiten nicht erreicht werden, wenn die bewegten Massen zu groß sind. Je höher das Werkzeuggewicht, desto stärker wird die Maschinenspindel belastet. Ergo bedeuten leichtere Werkzeuge eine längere Lebensdauer der Maschine. Nebenzeiten können durch leichtere Werkzeuge ebenfalls reduziert werden, beispielsweise kann die Verfahrgeschwindigkeit beim Werkzeugwechsel erhöht werden. Für Beschleunigungs- und Bremsvorgänge der Spindel wird weniger Energie benötigt, da mit reduziertem Antriebsmoment gearbeitet werden kann. Dies beeinflusst die Energieeffizienz positiv. Für das Handling stellen schwere Werkzeuge ebenfalls oft eine Herausforderung dar: Das Ein- und Auswechseln sowie das Einstellen sind umso schwieriger, je schwerer das Werkzeug ist. Zudem spielt das maximale Werkzeuggewicht bei Mess- und Einstellgeräten eine Rolle.

Ein weiterer und für Hersteller von Präzisionswerkzeugen elementarer Grund, Werkzeuge in Leichtbauweise zu fertigen, ist die Funktionalität. So funktionieren beispielsweise Außenreibahlen in der Regel umso besser, je leichter sie sind.

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Unterschiedliche Ansätze für gewichtsarme Werkzeuge

Um Werkzeuge gewichtsärmer zu gestalten, setzt Mapal auf verschiedene Ansätze. Neben leichteren Werkstoffen wie Titan, kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) oder Aluminium nutzt Mapal Schweißkonstruktionen sowie die Additive Fertigung für Leichtbauwerkzeuge.

Statt Verlängerungen aus Stahl werden bei großen Bohrungen beziehungsweise langen Auskraglängen Werkzeuge mit CFK-Elementen eingesetzt, um das maximale Maschinengewicht nicht zu überschreiten. Durch das geringe Gewicht kann also der Anwendungsbereich der Maschine erweitert werden. Doch Werkzeuge mit CFK-Elementen haben neben ihrem geringen Gewicht noch weitere Vorteile: Im Gegensatz zu den üblicherweise eingesetzten Werkzeugen in Stahl- oder Aluminiumbauweise ist besonders bei Brückenwerkzeugen der Vorteil der CFK-Bauweise gewichtig. Denn CFK-Werkzeuge weisen eine sehr geringe Wärmeausdehnung auf. Somit sind Maßstabilität und eine konstante Genauigkeit des Werkzeugs auch bei schwankenden Temperaturen gewährleistet. Nachjustieren und Kontrollschnitte entfallen. Trotz ihrer Größe sind die Werkzeuge dank des geringen Gewichts leicht ein- und auszuwechseln. Zudem ist die Biegesteifigkeit der Werkzeuge sehr hoch.

Fräsköpfe aus Aluminium für hohe Drehzahlen

Auch Werkzeugmaschinen, die mit hohen Drehzahlen arbeiten, benötigen leichte Werkzeuge. Beispielsweise im asiatischen Raum sind unzählige kleine Bearbeitungsmaschinen zu finden, die unter anderem zur Herstellung von Aluminiumgehäusen genutzt werden. Diese Maschinen haben sehr genaue Spindeln, die Drehzahlen bis zu 33.000 min-1 besitzen. Das maximale Werkzeuggewicht beträgt bei einem Großteil der Maschinen 3 kg. Das hat neben der Spindel mit den Fliehkräften zu tun: Diese werden stärker, je schwerer das Werkzeug ist. Ist bei der hohen Drehzahl ein Werkzeug also zu schwer, wird entweder das Werkzeug oder die Spindel selbst beschädigt.

Aus diesem Grund und zum Einsatz bei hohen Drehzahlen sind viele der Mapal-Fräsköpfe mit wechselbaren Fräseinsätzen aus Aluminium gefertigt. Beispielsweise der Fly Cutter, ein Fräswerkzeug zur Fertigbearbeitung von Aluminiumgehäusen. Alle unterschiedlichen Fräskopfdurchmesser, die von 80 bis 160 mm verfügbar sind, lassen sich auf demselben Aufsteckfräserdorn montieren – passend zur Bauteilgröße. Ein Beispiel: Der Fly Cutter mit einem Durchmesser von 140 mm wiegt gemeinsam mit einem Aufsteckfräserdorn BT30 1,5 kg.

In besonderen „exotischen“ Fällen werden Werkzeuge auch aus Titan gefertigt, um das maximale Werkzeuggewicht nicht zu überschreiten. Dabei handelt es sich in der Regel um speziell ausgelegte Sonderwerkzeuge.

Für die Bearbeitung mehrerer Stufen in großen Gehäusen, beispielsweise Getriebegehäusen, sind große Werkzeuge vonnöten, denn Durchmesser von 300 und 600 mm Auskraglänge sind in diesen Fällen keine Seltenheit. Allerdings sind auch hier maximales Werkzeuggewicht und maximales Kippmoment durch die Bearbeitungszentren begrenzt. Da die Anforderungen an die Koaxialität und die Stufenmaße sehr hoch, sowie hohe Taktzeiten zur Wirtschaftlichkeit nötig sind, können die Stufen nicht mit jeweils einem einzelnen Werkzeug bearbeitet werden.

Schweißkonstruktionen für große Bohrungen

Führungsleistenwerkzeuge als Schweißkonstruktion sind die Lösung. Ein dünnwandiges Rohr dient dabei als Grundkörper, wodurch das Werkzeug sowohl besonders leicht als auch sehr stabil und steif ist. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Bohrstange wiegen die Schweißkonstruktionen nur die Hälfte. Die Träger der Schneiden und der Führungsleisten sind angeschweißt und stützen sich durch Verbindungsstege gegenseitig ab. Das minimiert die Gefahr des Ratterns und die Abstützung ist selbst gebrochenem Schnitt gewährleistet. Auch bei ungünstigen Auskraglängen funktioniert das Werkzeug genau, denn das Biegewiderstandsmoment ist durch die Rohrkonstruktion und die Stabilisierungsrippen sehr gut.

Additive Fertigung ermöglicht innere Hohlräume

Die neuste Technologie, um Werkzeuge gewichtsarm herzustellen, ist die Additive Fertigung. Mapal setzt auf selektives Laserschmelzen, einen Pulverbett-basierten Prozess. Loses Metallpulver wird mittels eines Laserstrahls Schicht für Schicht an den Stellen aufgeschmolzen, an denen Material sein soll. Das Bauteil entsteht von unten nach oben. Die Flächen, die geschmolzen werden, sind in Quadrate (Schachbrettmuster) unterteilt. Diese werden nicht aufeinanderfolgend, sondern statistisch verteilt aufgeschmolzen. Dadurch wird eine Verteilung des Wärmeeintrags erreicht. Außenkonturen und Flächen werden mit unterschiedlichen Parametern bearbeitet. Denn: Die Bearbeitungsparameter haben Einfluss auf die Materialeigenschaften. Beim selektiven Laserschmelzen handelt es sich um einen „Brutto“-Prozess, das heißt, es entsteht fast kein Abfall. Pulver, das übrig bleibt, wird beim nächsten Fertigungsprozess nahezu vollständig wiederverwendet. Bei Mapal kommt hauptsächlich ein spezieller Warmarbeitsstahl in Pulverform mit einer Korngröße von 10 bis 45 µm für die Additive Fertigung zum Einsatz. Dieser Werkstoff bietet zahlreiche Vorteile: er ist schweiß- und lötbar, relativ verzugsarm und sehr gut geeignet zum hybriden Bauen. Mithilfe der Additiven Fertigung können fast beliebige räumliche und komplexe Geometrien sowie innen liegende Hohlräume realisiert werden, unbeeinträchtigt von Maschinenaufspannungen, Werkzeugen oder Fertigungsmitteln. Dadurch ergeben sich in vielen Bereichen ganz neue Möglichkeiten. Mapal und auch andere Unternehmen der Branche machen sich beispielsweise bei der Fertigung von Außenreibahlen die Möglichkeit zunutze, innere Hohlräume sowie deutlich gewichtsärmer zu fertigen. Denn Außenreibahlen funktionieren in der Regel umso besser, je leichter sie sind – insbesondere bei der Bearbeitung von Wellen mit kleinen Durchmessern. Ein herkömmlich gefertigtes Werkzeug aus Stahl zur Bearbeitung eines Durchmessers von beispielsweise 8,5 mm wiegt jedoch bereits 390 g. Dieses Gewicht und die daraus resultierende Trägheit schränken die maximal möglichen Schnittgeschwindigkeiten stark ein. Deshalb bringt eine Gewichtsoptimierung sofort deutliche Produktivitätssteigerungen. Durch eine speziell entwickelte Rippenstruktur im Inneren des Werkzeugs ist es zudem gelungen, die bereits erwähnte Reibahle mit einem Gewicht von 172 g herzustellen; das Gewicht konnte also um mehr als die Hälfte reduziert werden. Die Bearbeitung kann mit den Additiv gefertigten Außenreibahlen deutlich schneller und mit höherer Genauigkeit durchgeführt werden.

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Produktivitätssteigerung und verbesserte Werkstückqualität

Die Gründe für den Einsatz von Leichtbauwerkzeugen sind Maschinenanforderungen aufgrund von Drehzahl, maximalem Werkzeugwechselgewicht, Spindelnachgiebigkeit und der verbesserten Achs- und Spindeldynamik. Bei Außenreibahlen in Pendelhaltern ist die Motivation die verbesserte Werkstückqualität. Je nach Bearbeitungsaufgabe und vorhandener Infrastruktur bietet Mapal das optimale Werkzeug in Leichtbauweise. Dafür nutzt das Unternehmen unterschiedliche Methoden: So werden Werkzeuge aus Leichtbauwerkstoffen beziehungsweise mit Komponenten aus Leichtbauwerkstoffen (Titan, Aluminium, CFK) gefertigt und es wird auf Methoden wie das Schweißen und die Additive Fertigung zurückgegriffen.

* Dr. Dirk Sellmer ist Leiter Forschung und Entwicklung bei Mapal in 73431 Aalen, Tel. (0 73 61) 5 85-0, info@de.Mapal.com

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