Wie stellt man einen Mannlosbetrieb sicher?

Back to Beiträge

MMC Hitachi Tool und die Fischer Werkzeug- und Formenbau GmbH optimieren und analysieren zusammen Fräsprozesse für störungsfreie Produktion.

Die innerhalb der Fischer Gruppe selbstständig agierende Fischer Werkzeug- und Formenbau GmbH setzt auch bei der Hartbearbeitung stark auf Automatisierung. „Mit unseren insgesamt 117 Mitarbeitern, davon 58 in Horb am Neckar, bedienen wir sowohl die gesamte Fischer Gruppe als auch externe Kunden mit Neuanfertigungen und Reparaturen“, erläutert Bernd Ströhlein, Bereichsleiter Werkzeugbau von Fischer. „Wir bauen hier am Standort überwiegend hochkavitätige Präzisionsspritzgießwerkzeuge für die Befestigungstechnik und den Automotivebereich, außer­dem Silikonkartuschenwerkzeuge für die Chemie-Befestigungstechnik.“ Dabei kommen hauptsächlich Verfahren wie Ein- und Mehrkomponententechnik bis hin zu 3K, Indumold (induktive Werkzeugerwärmung) oder Gasinnendruck zum Einsatz. Aber auch schon mal das Mould Labeling, die Duroplast-Verarbeitung oder das eine oder andere Oberflächenverfahren. Darüber hinaus werden in Horb Stanzbiegewerkzeuge für die Schwerlastbefestigungstechnik gefertigt.

2K-Werkzeug für Fischer Dübel der Duopower-Reihe mit 48 Kavitäten mit Würfeltechnologie. Der in der Mitte untergebrachte Würfel öffnet sich nach dem Zyklus, dreht um 90°, das Werkzeug schließt sich, die zweite Komponente wird gespritzt, das Werkzeug öffnet sich wieder, dreht sich um 90° und die Einheit wird ausgestoßen. Foto: MMC Hitachi Tool

Abgedeckt wird also eine ganze Palette an Technologien, was die Füllsimulation (Autodesk Moldflow) ebenso umfasst wie die Konstruktion der Werkzeuge mit dem 3D-CAD-System Siemens NX und mit dessen CAM-Bereich, aus dem die NC-Dateien für die Fräs- und Erodiermaschinen abgeleitet werden. Das Fräsen zählt bei Fischer zu den wichtigsten Fertigungs­verfahren. Hierbei wird ebenso wie beim Erodieren konsequent auf Automatisierung gesetzt. Ein Highlight stellt in diesem Zuge die gut 16 m lange Fertigungszelle dar, die vom Schweizer Automatisierungsspezialisten Wick realisiert wurde: Zwei 5-achsige Bearbeitungszentren von Makino zum Grafitfräsen (V33i) sowie zur Hartbearbeitung von Stahl (D500) sind hier mit den beiden Senkerodiermaschinen (Makino EDAF3), der Teilewaschanlage, dem Koordinatenmessplatz sowie den Lagerplätzen über einen auf Linearschienen hin- und her surrenden Knickarmroboter von Kuka verkettet. Damit versucht man in Horb alle Teile, die lange Laufzeiten­ haben, in der automatisierten Fertigungszelle herzustellen. Was jedoch voraussetzt, dass die Fräsbearbeitung absolut prozesssicher abläuft. Seit der Zusammenarbeit mit MMC Hitachi Tool hat Fischer auf diesem Gebiet noch mal einen großen Schritt nach vorne gemacht, vor allem durch die Neuentwicklung der Fräsprozesse anhand zweier konkreter Bau­teile.

Bei der verwendeten Drei-Achs-Strategie zur Bearbeitung der Werkzeuge haben sich die Experten auf möglichst weiche Werkzeugwege, Radien sowie weiche An- und Abfahrbewegungen fokussiert.“ Foto: MMC Hitachi Tool

Seit etwa drei Jahren setzt Fischer neben Werkzeugen anderer Hersteller auch die qualitativ in der oberen Klasse angesiedelten Produkte des japanischen Werkzeugherstellers ein, zunächst nur bei den Messerköpfen. „Unsere Erfahrungen mit MMC Hitachi Tool sind durchweg positiv. Zum Beispiel bei der Hartbearbeitung von Nuten in tief liegenden Kavitäten“, unterstreicht Thomas Brezing, der als Teamleiter Fräsmaschinen mit den täglichen Herausforderungen eng vertraut ist. „Wir hatten bei den Induktionswerkzeugen immer wieder das Problem, dass es beim Fräsen dieser Nut, die später die Litze zur induktiven Erwärmung der Form aufnimmt, sporadisch zu Werkzeugbrüchen kam. Wichtig beim Fräsen dieser Nut ist, dass die Litze, die das Magnet­feld erzeugt, nicht zu viel Luft haben darf, aber eben auch nicht zu wenig.“ Solche Indumold-Werkzeuge zählen zu den Spezia­litäten von Fischer Werkzeugbau und erzielen in der Kombination aus Spritzguss und Reaktionstechnolgie besonders hochwertige Oberflächen. In diesem Fall handelte es sich um ein 1K-Werkzeug mit vier Kavitäten für die Herstellung von Lüftungselementen im Autoinnenraum.

Optimierungskonzept Production 50

Prozessoptimierer Johannes Zimmermann von MMC Hitachi Tool nahm sich des Problems an und ging dabei nach dem Optimierungskonzept Production 50 vor, das der japanische Werkzeughersteller speziell für den Fräsbereich entwickelt hat. Er machte eine Istanalyse, wobei von ihm nicht nur die bisherigen Fräsparameter untersucht wurden, sondern auch die Bauteilgeometrien. Da war zunächst die Schwierigkeit, das auf 52 bis 56 HRC vorgehärtete 1.2343 ADG (X38CrMoV5-1) in der tiefen Kavität zu zerspanen, was lange Werkzeuge erfordert. Es musste sowohl geschruppt als auch auf Endmaß fertiggeschlichtet werden. Die bisherigen Erfahrungen hatten gezeigt, dass ab einer Werkzeuglänge von 40 mm sowohl bei den hier bislang verwendeten 4 mm-Torusfräsern als auch beim Kugelfräser mit demselben Durchmesser Werkzeugbrüche auftraten.

Hartbearbeitung von Werkzeugeinsätzen auf der 5-achsigen Makino D 500, die Bestandteil der Fertigungszelle ist. Auf dieser Maschine fanden auch die Testreihen zum Fräsen der Düsensitze statt. Foto: MMC Hitachi Tool

Johannes Zimmermann glich die Schnittdaten, mit denen bisher die Nuten gefräst wurden, mit seinen eigenen Erfahrungen ab und fuhr zusammen mit Fischer Mitarbeitern verschiedene Versuche mit ausgesuchten Fräsertypen. Diese Tests fanden auf der mit sieben Palettenplätzen automatisierten 5-achsigen DMC 80 U Duoblock statt. „Wir haben uns dann auch die Nutgeometrie angeschaut und zusammen mit den Kollegen aus der Werkzeugkonstruktion kleinere Änderungen vorgenommen, ohne dass die Funktion beeinträchtigt wurde. So ist der Winkel der Nut etwas verändert worden, um den Fräsprozess zu stabilisieren“, beschreibt Johannes Zimmermann die Vorgehensweise. „Bei der verwendeten Drei-Achs-Strategie haben wir uns auf möglichst weiche Werkzeugwege, Radien sowie weiche An- und Abfahrbewegungen fokussiert. Außerdem wurde das NC-Programm so dynamisch ausgelegt, dass die Maschine stets auf die gewünschten Vorschubwerte kommt.“

Und dann waren da noch die ETRP-4030-50-0908-TH von MMC Hitachi Tool, 3-mm-Torusfräser mit einer TH-Beschichtung aus der EPOCH 21 Serie, die von Johannes Zimmermann ausgewählt wurden und die sich dann als echtes Highlight herausstellten. Denn sie ließen alle anderen Testkandidaten in Sachen Bearbeitungsgeschwindigkeit und Standzeit weit hinter sich. „Wir haben mit den Drei-Millimeter-ETRP-Fräsern sogar bei 50 Millimeter Freilänge, was unser längstes Werkzeug war, die Litzennut absolut prozesssicher geschruppt und geschlichtet. Und dies teilweise mit einem Vorschubwert von 1.200 Millimetern pro Minute ohne einen einzigen Werkzeugbruch“, betont CAM-Spezialist Eduard Rupp. „Das Resultat hat unsere Erwartungen weit übertroffen, weshalb heute bei Fischer die ermittelten Werte auf allen Maschinen als Referenz gelten. Außerdem haben wir an Geschwindigkeit deutlich zugelegt – bisher benötigten wir für die Kavität der Litze pro Einsatz 14,5 Stunden, jetzt haben wir es in zehn Stunden gefräst.“

Weitere Erprobung zur Optimierung

Motiviert von diesem tollen Erfolg sollte ein weiteres Projekt zeigen, ob sich mithilfe von MMC Hitachi Tool auch das hochgenaue Fräsen des Nadelverschlusses für 2K-Dübelwerkzeuge so optimieren lässt, um bis hin zur Passung mannlos arbeiten zu können. In der Passung dichtet die Nadel im Düsensitz nach dem Einspritzen des Kunststoffs zwischen Heißkanal und Kavität ab. Das ist notwendig, damit sich kein Faden am Dübel bildet. In Horb wird bei diesem Werkzeug mit 1.700bar gespritzt, weshalb die Passung der Düse sehr genau sein muss und man es mit einem Nennmaß von +5 µm zu tun hat. Zudem handelt es sich bei den Düsen um ein Verschleißteil. Denn die Zykluszeit des 48-Kavitäten-Werkzeugs beträgt weniger als 20s. Da der Dübelkunststoff stark abrasiv ist, wird hier neben dem erwähnten 1.2343 auch der auf 60 HRC vorgehärtete Chromstahl 1.2379 (X155CrVMo12-1) verwendet.

Vor diesem Hintergrund sind die Düsen für jeweils vier Kavitäten auch auf sogenannten Leisten untergebracht, quasi als Einsatz im Formeinsatz. „Wir nennen sie auch Verschleißleiste, im Verschleißfall baue ich sie aus, schiebe eine neue hinein, verstifte sie und ich kann weiter produzieren“, erklärt Thomas Brezing. „Da relativ viele Leisten repariert werden müssen, zählt die Düsenbearbeitung sozusagen zum Tagesgeschäft. Deshalb war auch unser Wunsch, diesen Schritt zu automatisieren, besonders groß.“ Der für die Tests verwendete, extrem verschleißharte Kaltarbeitsstahl lässt sich dementsprechend schwer zerspanen. Bisher konnte diese Passung nur mit vielem Nachstellen und vielen Messschritten hergestellt werden, was sehr aufwendig war und rela­tiv lange dauerte. Werkzeugbruch war dabei weniger das Problem, eher der Verschleiß.

Niedrige Toleranzen als Herausforderung

Johannes Zimmermann ging hier ähnlich vor wie beim ersten Projekt, nur dass die Versuche diesmal auf der in die Fertigungszelle eingebundenen 5-achsigen Makino D500 stattfanden. Zu den Heraus­forderungen bei der Düse zählten die extrem niedrigen Toleranzen ebenso wie dass die beiden Düsensitzdurchmesser von 0,8mm und 1,2mm mit 0,6-mm- und 0,8-mm-Fräsern hergestellt werden mussten. Im Vordergrund stand, zusammen mit Fischer herauszufinden, warum eine Sache vielleicht nicht funktioniert. So wurde zum Beispiel bei der Düse zunächst ein Werkzeug verwendet, das von der Schneidengeometrie her nicht so scharf war. Beim Schlichten ist man dann mit dem EPHPR-Torusfräser – der eine sehr enge Toleranz von nur 3 μ hat – zur High Precision Line umgestiegen: Die war dann einfach schärfer, weshalb man in Horb noch einmal deutlich prozesssicherer geworden ist. Das war schließlich das Highlight. „Wir haben gesagt, einmal runterlaufen lassen, einmal Leerschnitt, dann muss es passen“, blickt Eduard Rupp zurück. „Und es hat funktioniert: Jetzt war klar, wir können den Prozess mannlos in die Nacht laufen lassen.“

Spritzgießwerkzeug prozesssicher und durchdacht gefräst: Die Düsensitze für jeweils vier Kavitäten des Dübelwerkzeugs sind auf einer Leiste untergebracht, die sich bei Verschleiß leicht austauschen lässt. Foto: MMC Hitachi Tool

Johannes Zimmermann hatte im Rahmen des Konzepts Production 50 auch eine Wirtschaftlichkeitsberechnung für die Herstellung der Litzenkavität vorgenommen. Hierbei werden auf Basis der bisherigen und der neuen Vorgehensweise die Fertigungskosten exakt dokumentiert. Da die Werkzeuge heute deutlich länger durchhalten, haben sich beim Fräsen der Litzenkavität alleine die Werkzeugkosten bei Fischer um rund zwei Drittel reduziert. Hinzu kommen die eingesparten Maschinenstunden durch die um 30% kürzere Bearbeitungszeit. Auch bei der Düsenfertigung haben sich wirtschaftliche Vorteile ergeben: So konnten mit MMC Hitachi Tool 24 Düsensitze mit einem Fräser gefräst werden. Das Werkzeug war dann sogar noch benutzbar, allerdings nicht mehr zum Feinschichten enger Toleranzen. Vorher dagegen war es so, dass ein Werkzeug manchmal sechs Leisten gehalten hatte oder vielleicht nur eine. Weder der Fräsprozess noch das Verschleißverhalten waren reproduzierbar. „Im Schnitt können wir bei den Nadelverschlüssen sagen, dass wir heute mit dem MMC Hitachi Tool-Werkzeug 50 Prozent länger fräsen können“, zieht Bereichsleiter Bernd Ströhlein ein positives Fazit. „Dank der zusammen mit MMC Hitachi Tool neu entwickelten und gut dokumentierten Prozesse können wir jetzt sowohl die Litzenkavitäten als auch die Düsensitze prozesssicher und somit mannlos automatisiert fräsen. Und zwar auch auf verschiedenen Maschinen, was für uns besonders wichtig ist.“

Die Gesprächsteilnehmer (v.l.n.r.): Johannes Zimmermann, Anwendungstechniker MMC Hitachi Tool, CAM-Programmierer Eduard Rupp, Bernd Ströhlein, Bereichsleiter Werkzeugbau, und Thomas Brezing, Teamleiter Fräsmaschinen Foto: MMC Hitachi Tool

Problemstellung

Werkzeugbrüche bei tiefen und engen Kavitäten Mit dem früheren Werkzeuglieferanten hatte Fischer schon einige Versuche gefahren, „und wir haben es auch immer irgendwie hinbekommen“, wie Thomas Brezing die damalige Situation beschreibt. „Manchmal mussten wir die Programme jedoch ganze drei Mal laufen lassen, bis wir das gewünschte Ergebnis erreicht hatten“, ergänzt Eduard Rupp, der als CAM-Programmierer von Anfang an in das Projekt involviert war. „Im schlimmsten Fall haben wir beim Nutenfräsen eines Einsatzes zwei komplette Werkzeugsätze benötigt“, was viel Zeit und Geld gekostet hat. „Und da der Name MMC Hitachi Tool gerade auch beim Hartfräsen unter Branchenkollegen immer wieder gelobt wurde, entschlossen wir uns schließlich, mit dem japanischen Werkzeughersteller wegen unseres Problems Kontakt aufzunehmen – mit Erfolg!“

sl

Share this post

Back to Beiträge