Spanende Fertigung Standardisierung und Automation machen Werkzeugbauer fit

Vor allem Mitbewerber aus Asien und Osteuropa setzen mit niedrigen Lohnkosten den deutschen Werkzeugbau unter Druck. Dem gilt es, Paroli zu bieten. Konsequent und erfolgreich setzt das im oberfränkischen Lichtenfels ansässige Werkzeugbauunternehmen Hofmann deshalb auf Prozessstandardisierung und Automation.

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Hofmann Werkzeugbau, ein Unternehmen der Hofmann Innovation Group AG, Lichtenfels, fertigt und bemustert mit 240 Mitarbeitern Spritzgießwerkzeuge mit Variothermtechnik, Etagenwerkzeuge und Mehrkomponenten-Serienspritzgießwerkzeuge mit unterschiedlichen Techniken für Kunden aus verschiedenen Branchen. Die Fertigungskapazität in der gesamten Hofmann-Gruppe umfasst unter anderem 22 Drei-Achs- und 18 Fünf-Achs-Bearbeitungszentren, acht Graphit-Elekroden-Fräsmaschinen, zwölf Senk- und vier Drahterodiermaschinen sowie 13 Messmaschinen.

Die Vielfalt der Teile und die differierenden Anforderungen, zum Beispiel in der Optik oder der Oberflächengüte, erfordern individuelle Werkzeuge. „Diese unterschiedlichen Werkzeuge und Formen in einem einzigen Werkzeugbau wirtschaftlich, also wettbewerbsfähig fertigen zu können, ist eine große Herausforderungen“, betont Firmenchef Günter Hofmann.

Deshalb muss seiner Auffassung nach für Belegschaft und Betriebsausrüstung der Prozessablauf so gestaltet und organisiert werden, dass ohne große Umrüstzeiten und Spezialistentum die Entwicklung und Fertigung sehr verschiedenartiger Werkzeuge und Formen möglich sind. Das Lösungswort für diese Anforderungen heißt für Hofmann Standardisierung: „Sie bedeutet Eindeutigkeit und Verlässlichkeit im Herstellungsablauf. Ist die gesamte Prozesskette, angefangen von der Projektleitung über die Konstruktion und NC-Programmierung bis hin zur Fertigung komplett standardisiert, sind Kommunikationsprobleme auszuschließen.“

Standardisierung beginnt mit der Angebotserstellung

Im Lichtenfelser Werkzeugbauunternehmen beginnt die Standardisierung bereits mit der Angebotserstellung und setzt sich fort mit Auftragsannahme bis hin zur Auslieferung des Werkzeugs. Schon der Projekteiter – er erstellt das Angebot und ist dem Kunden als Ansprechpartner direkt zugeordnet – nutzt für das Projektmanagement die standardisierte auftragsbezogene Ablage in Lotus Notes.

Der Projektablauf für jedes Werkzeug ist standardisiert und umfasst die Schritte: Angebot, Auftrag, technische Abwicklung, Konstruktion, Mold-Flow-Analysen, Kundenbesprechungen, Fertigungsplanung, Bemusterung sowie Korrekturen und Änderungen. „Sämtliche Projektinformationen und Besprechungsprotokolle eines Auftrages sind in Lotos Notes hinterlegt und für alle Mitarbeiter zugänglich“, erläutert Hofmann.

Hat der Kunde das Angebot akzeptiert, beginnt die Konstruktion des Werkzeugs – im permanenten Dialog mit dem Kunden. Dabei werden sämtliche Vorgaben des Kunden, beispielsweise Spritzgießart und die zu verwendende Spritzgießmaschine, berücksichtigt. Jedes Teil eines Werkzeugs ist virtuell dreidimensional in den Unigraphics-Systemen gespeichert. Farben kennzeichnen die jeweilige Funktion der Werkzeugkomponenten. Aus einer Datenbank können jederzeit Komponenten, die für verschiedene Werkzeugen verwendet werden können, abgerufen werden. Das steigert die Effizienz der Werkzeugkonstruktion.

Bei komplexen Werkzeugen, beispielsweise Mehrkomponenten-Spritzgießwerkzeugen, werden die gesamten Funktionen am Computer simuliert. Mold-Flow-Systeme geben den Konstrukteuren Einblick in den Einspritzverlauf im Werkzeug. Weitere Softwaretools zeigen die Werkzeugdurchbiegung an oder machen den Bewegungsablauf des Spritzgießwerkzeugs sichtbar.

Haben die Werkzeugkonstrukteure ihre Arbeit beendet, kommt der Kunde wieder zum Zug. Erst nach seiner Freigabe erfolgen die nächsten Schritte des Projektablaufs. Das Material wird bestellt. Dazu wird eine Software verwendet, die die Bestellung automatisch an die Lieferanten sendet. Fertigungsplaner machen sich an die Arbeit und erstellen auf Basis der CAD-Daten die NC-Programme für jedes Werkzeugteil und für die Bearbeitung der erforderlichen Elektroden.

Parallel dazu werden Aufträge extern vergeben, denn das Bearbeiten von Formplatten und Bauteilen mit Fertigungstoleranzen von 0,1 mm überlässt Hofmann Zulieferunternehmen: „Wir konzentrieren uns beim mechanischen Fertigen auf das Bearbeiten komplexer Formeinsätze, das sehr viel Know-how erfordert.“ Die Komponenten und Formteile werden auf Drei- und Fünf-Achs-Bearbeitungszentren vorgefräst, die Kühlbohrungen eingebracht, anschließend gehärtet, dann die Referenzflächen geschliffen.

Hartfräsen der endgültige Form auf Fünf-Achs-Bearbeitungszentren

Die endgültige Form wird auf Fünf-Achs-Bearbeitungszentren hartgefräst. Dort, wo das Fräsen in der Formgebung an seine Grenzen stößt, kommt das Draht- und Senkerodieren zum Zug. Die Frage, ob die Leistung der Senkerodiermaschinen seine Erwartungen erfüllt, beantwortet Hofmann mit „nicht befriedigend.“ Er erwartet von der nächsten Maschinen-Generation „eine höhere Abtragsleistung und weniger Elektrodenabbrand.“

Weil beim Fräsen von Formeinsätzen die Genauigkeit von üblichen Bearbeitungszentren nicht den Ansprüchen von Hofmann genügt, hat er die Maschinen mit einem sogenannten Genauigkeitspaket geordert, beispielsweise von DMG und Hermle. „Damit arbeiten die Bearbeitungszentren auch auf lange Sicht sehr genau“, erläutert der Firmenchef und fügt hinzu: „Wir haben die Erfahrung gemacht, dass Spindeln mit HSK-100-Schnittstelle und Drehzahlen von 10000 oder 12000 min1 mit stabilen Fräswerkzeugen das beste Fertigungsergebnis hinsichtlich der Oberflächengüte bringen. Das verringert den Aufwand fürs Polieren.“ Genauigkeiten von ±0,01 mm seien erreichbar.

Nahezu parallel mit der Fertigung der Werkzeugkomponenten erfolgt das Fräsen der Elektroden. Die Graphitelektroden werden zu rund 80% aus standardisierten Rohlingen in drei Größen in einer automatisierten Fertigungszelle bearbeitet: Zwei HSC-Fräsmaschinen RXP 500 von Röders und eine Hermle-Fräsmaschine C 800 U, die von einem Fanuc-Sechsachs-Roboter aus einen Magazin be- und entladen werden, bringen die Elektroden in Form. Die üblichen Toleranzen der Elektroden betragen 0,01 mm. An der Leistungsfähigkeit und Genauigkeit dieser Werkzeugmaschinen hat Firmenchef Hofmann nichts auszusetzen. Die Fertigungszelle arbeitet zu seiner Zufriedenheit mannarm in drei Schichten rund um die Uhr. Mitarbeiter können per Video und Internet die Elektrodenfertigung von zuhause aus überwachen und im Störfall auch eingreifen.

Nullpunktspannsysteme senken Rüst- und Einstellzeiten

Alle Werkzeugmaschinen hat Hofmann mit einem Nullpunktspannsystem ausgerüstet. Sämtliche zu bearbeitenden Werkzeugteile und alle Elektroden werden auf Nullpunktspannpaletten befestigt, und zwar von unten, so dass keine Störkonturen vorhanden sind. Das vereinfacht die Fünf-Seiten-Bearbeitung. An einem Messplatz mit 3D-Koordinatenmessmaschine werden die Paletten eingerichtet und können auf dem Tisch der Bearbeitungszentren und Erodiermaschinen ohne großen Umrüst- und Einrichtaufwand gespannt werden.

Der Transport der Paletten von Maschine zu Maschine geschieht derzeit noch manuell. Die Übergabe der Daten zur Bearbeitung des Werkstücks an die Maschinensteuerung erfolgt per Transponder-Chip an den Nullpunktspannpaletten. Bei Elektroden werden auch die X-,Y-, Z- und C-Versatzdaten automatisch übergeben. Fehler bei der Datenübertragung werden dadurch sicher vermieden.

„Werkzeugbauer mit solch einer mannarmen Fertigung werden auch im Vergleich zu Mitbewerbern aus Asien wettbewerbsfähig bleiben“, ist Hofmann überzeugt. Standardisieren und Automatisieren ist seiner Auffassung nach notwendig, aber allein nicht ausreichend: „Um auf lange Sicht in Europa als Werkzeugbauer konkurrenzfähig zu bleiben, ist es genauso wichtig, Mitarbeiter gut auszubilden und Qualitätsstandards zu verbessern. Wenn wir dann noch innovativ sind und ein offenes Ohr für Kundenwünsche haben, sind wir als Formenbauer unentbehrlich für den Industriestandort Europa.“

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