Lesen Sie außerdem in dieser Ausgabe:

<ul><li>EMO-Nachlese: Produktvorstellungen Teil 2: Digitalisierung unterstützt Zerspanungstechnik</li><li>Medizintechnik: Großer Produktivitätssprung beim Schleifen künstlicher Kniegelenke</li><li>Automatisierung: Bestandsmaschine mittels Roboterdirektbeladung auf Trab gebracht</li></ul>

Medizintechnik – 5-Achs-BAZ – Automatisierung – Advanced Materials – Ultraschall

Das DMG Mori Medical Excellence Center in Seebach erarbeitet gemeinsam mit den Kunden ganzheitliche Prozesslösungen – sogenannte Tailor-Made-Lösungen. Die Basis dafür bilden moderne Werkzeugmaschinen, die, je nach Werkstoff, auch mit Ultraschall zu Werke gehen.

Das DMG Mori Medical Excellence Center in Seebach erarbeitet gemeinsam mit den Kunden ganzheitliche Prozesslösungen – sogenannte Tailor-Made-Lösungen. Die Basis dafür bilden moderne Werkzeugmaschinen.

Mit dem anhaltenden Bevölkerungswachstum, der steigenden Lebenserwartung, zunehmendem Wohlstand und dem technologischen Fortschritt wächst auch die Medizintechnik – pro Jahr um über fünf Prozent. Kapazitätszuwächse und Weiterentwicklungen in der Orthopädietechnik sowie bei chirurgischen Instrumenten machen die Medical-Industrie zu einer der Leitbranchen für DMG Mori. Die langjährige Erfahrung und Fertigungskompetenz im Bereich medizintechnischer Applikationen konzentriert der Werkzeugmaschinenhersteller seit drei Jahren im Medical Excellence Center bei DMG Mori in Seebach.

Die dortigen Experten unterstützen Kunden bei der Konzeption und Realisierung ganzheitlicher Fertigungslösungen – sogenannte Tailor-Made-Lösungen – und realisieren sogar komplette Green-Field-Projekte inklusive Zertifizierung. Durch die frühe Einbindung in Kundenprojekte kann das Medical Excellence Center den Fertigungsprozess von Grund auf planen und hinsichtlich Qualität sowie Bearbeitungsdauer nachhaltig optimieren – auf Basis des gesamten DMG-Mori-Portfolios.

Um die erforderliche Wirtschaftlichkeit sowie die hohen Qualitätsanforderungen in der Medizintechnik unter einen Hut zu bringen, bedarf es ganzheitlicher und innovativer Fertigungslösungen. Die dabei mitunter hohen Investitionskosten, rechtfertigt Horst Lindner, Leiter des DMG Mori Medical Excellence Centers, mit dem Wettbewerbsdruck: »Entscheidend sind die Kosten pro Werkstück. Optimale Prozesse beinhalten eine effiziente Programmierung, langlebige Werkzeuge sowie eine hohe Maschinenauslastung durch intelligente Automatisierungskonzepte. Das alles steigert die Produktivität so sehr, dass sich die Mehrinvestitionen binnen kurzer Zeit rentieren.« Gerade bei den Bearbeitungszeiten besteht Optimierungspotenzial von teilweise bis zu 30 Prozent. Neben dem anhaltenden Trend zur Digitalisierung, sind es Werkzeugmaschinen mit besonderen technischen Ausstattungen, die den Unterschied machen.

Die DMP 70 beispielsweise ist eine kompakte Produktionsmaschine für Applikationen in der Medizintechnik, im Bereich Job Shop sowie im Aerospace-Bereich und anderen anspruchsvollen Industrien. Automatisiert mit dem flexiblen Robotersystem WH 3 Cell, bietet die 5-Achs-Produktionsmaschine stabile Fräsoperationen und hohe  Genauigkeit bei zugleich hochdynamischem Werkstückhandling bis 3 kg Bauteilgewicht – und das bei einem Platzbedarf von lediglich 10,65 m2.

Bei Advanced Materials  hilft die Ultraschalltechnologie

DMG Mori bietet seit vielen Jahren zudem Hochleistungs-Werkzeugmaschinen mit Ultrasonic-Technologie für die 5-Achs-Bearbeitung komplexer Werkstücke aus Advanced Materials an. Die wesentlichen Effekte der Ultraschallbearbeitung sind reduzierte Prozesskräfte für filigrane Strukturen, Oberflächenqualitäten bis zu Ra < 0,1 µm und längere Werkzeugstandzeiten.

Auch hier schreitet die Entwicklung rasant voran. So wurde die Ultrasonic 20 linear mit einem vollständig digital gesteuerten Ultraschallgenerator und die Ultrasonic-Aktoren mit höherer Leistung und Drehgeschwindigkeiten von bis zu 50 000 min-1 ausgestattet. Die Werkzeughalter mit angepasster Aktor-Technologie können einfach und vollautomatisch in die Frässpindel gewechselt werden. Jeder dieser Halter ist mit Piezoelementen ausgestattet, die über ein programmgesteuertes Induktionssystem mit Hochfrequenz zwischen 20 und 50 kHz aktiviert werden. Der ursprünglichen Werkzeugdrehung werden so zusätzliche Werkzeugbewegungen mit definierter Amplitude in Längsrichtung überlagert. Die resultierende Auslenkung der Schneidkanten beziehungsweise der Schleifflächen wird über das NC-Programm gesteuert und kann in einem Bereich von bis zu 10 µm oder sogar darüber liegen. Beim Schleifen, Bohren und Fräsen haben diese überlagerten Schwingungen einen  direkten, positiven Einfluss auf die Prozesskräfte, das Abtragsvolumen und die Werkzeugstandzeit und führen damit zu reduzierten Kosten und höherer Produktivität.

Im Detail erzielt die Ultrasonic-Technologie bei der Bearbeitung von Advanced Materials wie Glas, Keramik, Saphir, Hartmetall und Verbundstoffen sowie Karbid eine höheres Abtragsvolumen, eine präzisere Kantenbearbeitung und um bis zu 40 Prozent reduzierte Prozesskräfte. Dies erhöht gleichzeitig die Präzision der Werkstücke und die Zuverlässigkeit des Prozesses wird gesteigert. Darüber hinaus führt die oszillierende Unterbrechung des Werkzeugkontakts mit dem Werkstück zu einer verbesserten Schmierung und Kühlung der Schneidkanten und zur optimalen Entfernung abgetragener Partikel aus dem Arbeitsbereich.

Resultat ist eine längere Standzeit der Werkzeuge und eine ausgezeichnete Oberflächengüte Ra von bis zu < 0,1 µm bei hart-spröden Hochleistungsmaterialien. Die Ultrasonic 20 linear kombiniert in idealer Weise das Hochgeschwindigkeitsfräsen mit dem hocheffizienten Ultrasonic-Schleifen von Advanced Materials auf einer einzigen Maschine. Sie ermöglicht die Bearbeitung einer nie dagewesenen Bandbreite von unterschiedlichen Materialien.

Die Ultrasonic Parameter Detection sorgt bei der Ultrasonic 20 linear mit leistungsstarken Funktionen zur Prozessüberwachung für eine automatische Erkennung der Ultraschallfrequenz, die am besten zu Aktor und Werkzeug passt. Eine weitere Funktion ist die Überwachung sowie Nachführung von Frequenz und Amplitude bei laufendem Bearbeitungsprozess. Dazu verfolgt UAT (Ultrasonic Auto Tuning) automatisch den Frequenzverlauf und kompensiert alle äußeren Einflüsse wie etwa die Dämpfung der Ultraschallschwingungen durch die primären Prozesskräfte. So lässt sich eine durchgehende Nachregelung auf die Sollamplitude beziehungsweise auf den im NC-Programm festgelegten Wert erreichen. Der Anwender kann dadurch seinen Prozess voll ausreizen und die Werkzeugausnutzung steigern, die Zykluszeiten reduzieren und insbesondere durch die Verminderung der Prozesskräfte noch filigranere, präzisere und hochwertigere Bearbeitungsergebnisse erzielen.

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Bild 1: Prothesenfuß aus  Aluminium, gefertigt  auf einer DMP 70 

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Bild 2: Die DMP 70 ist eine kompakte Maschine für Applikationen in der Medizintechnik, im Bereich Job Shop und Aerospace; die Roboterautomation WH 3 Cell sorgt für dynamisches Werkstückhandling bis 3 kg Gewicht

Bild 3: Komplettbearbeitung eines Orthopädie-Implantats aus HIP-Zirconium auf einer Ultrasonic 20 linear

Bild 4: Leistungsstark bei Advanced  Materials: Das multifunktionale 5-Achs-BAZ Ultrasonic 20 linear hat einen neuen, vollständig digital gesteuerten Ultraschallgenerator erhalten; zudem agieren die Ultrasonic-Aktoren mit höherer Leistung 

DMG_Hauptartikel

5-Achs-Bearbeitungszentren

Werkzeugmaschinen für die spanende Fertigung

Bearbeitungszentren

Medizintechnische Apparate und Materialien

Elektrotechnik, Elektronik

5-Achs-Simultanbearbeitung

Spanende Verfahren

Medizintechnik – Auftragsfertigung – Mikrobearbeitung mittels Fräsen, Bohren, Erodieren, Schleifen

Bauteile, die in der Medizintechnik zum Einsatz kommen, werden stetig kleiner, präziser und in puncto Geometrie noch komplexer. Innovative Auftragsfertiger – wie die Kern Microtechnik – unterstützen Medizintechnikhersteller bei der Erfüllung dieser hohen Ansprüche.

Bauteile, die in der Medizintechnik zum Einsatz kommen, werden stetig kleiner, präziser und in puncto Geometrie noch komplexer. Innovative Auftragsfertiger – wie die Kern Microtechnik – unterstützen Medizintechnikhersteller dabei.

Die Mikro-Medizintechnik erlebt derzeit ein besonders starkes Wachstum. Dabei werden die in diesem Bereich benötigten Produkte kontinuierlich komplexer. Mit diesem Trend gehen steigende Anforderungen an die Produktionstechnik einher: Die zu fertigenden Teile werden immer kleiner, deren Geometrien komplizierter und die Toleranzen enger. Gleichzeitig liegen die benötigten Stückzahlen oft bei bis zu 20 000 Stück pro Jahr.

Unter diesen Umständen ist es für Medizintechnikunternehmen häufig sinnvoll, sich nicht sofort die dafür notwendigen Bearbeitungstechnologien anzuschaffen und das entsprechende Fertigungs-Know-how aufzubauen. Denn hier kommen Auftragsfertiger ins Spiel, zu denen auch die Kern Microtechnik GmbH zählt. Das Unternehmen ist nicht nur auf die Herstellung hochpräziser Bearbeitungszentren spezialisiert, sondern übernimmt ebenso die Fertigung von Frästeilen im Mikro- und Nanobereich. Lohnfertiger dieser  Kategorie halten sowohl verschiedene Fertigungstechnologien mit den erforderlichen Fähigkeiten und Kapazitäten als auch das bei ihren Mitarbeitern angesammelte Fertigungswissen bereit. Kern-Werkleiter Sebastian Wühr erläutert: »In unserer Auftragsfertigung im oberbayerischen Murnau bearbeiten wir Werkstücke per Fräsen, Bohren, Erodieren und Schleifen.«

Nehmen Medizintechnikhersteller diese Dienste in Anspruch, können sie sich vor allem bei Produkten mit möglicherweise stark schwankender Nachfrage vom Investitionsrisiko befreien und ihre Flexibilität bewahren. Das gilt sowohl für das konkrete Produkt als auch für spätere Artikel, die eventuell andere Produktionsverfahren erfordern. Sie können ihre Produkte frei entwickeln, ohne an bestimmte Fertigungstechnologien gebunden zu sein.

Optimale Qualität und  maximale Präzision

Damit befreien Auftragsfertiger ihre Kunden zunächst einmal von einem wirtschaftlichen Risiko. Hinzu kommen Vorteile bei der Qualität der Produkte. Denn auch hochleistungsfähige Bearbeitungszentren erfordern umfangreiches Produktionswissen. Nur damit lässt sich bestmögliche und gleichbleibende Qualität mit geringsten Toleranzen realisieren. »Hier können Medizintechnikunternehmen vom Know-how profitieren, das unsere Spezialisten über Jahre bei vielen anspruchsvollen Aufträgen aufgebaut haben«, betont Sebastian Wühr.

Unter anderem bei Kern Microtechnik kommt noch ein weiterer Vorteil hinzu. Da das Unternehmen an seinem Standort Eschenlohe nahe Garmisch- Partenkirchen die hochpräzisen Bearbeitungszentren selbst entwickelt und herstellt, findet ein ständiger Know-how-Transfer statt. Gleichzeitig wächst ihr Wissen durch den Austausch mit den Kunden, die Kern-Maschinen in ihrer Fertigung einsetzen.

Aufgrund der unterschiedlichen Produkte, mit denen sie ständig konfrontiert sind, haben die Murnauer Lohnfertiger auch die entsprechende Peripherie zur Verfügung, um maßgeschneidert auf jede Anforderung reagieren zu können. Dazu zählen beispielsweise spezialisierte Messtechnik,  besondere Werkzeuge, eine Klimatisierung für außergewöhnliche Präzision oder auch – für die Medizintechnik  besonders wichtig – verschiedenste  Dokumentationssysteme.

Gerade die Prozessdokumentation, Qualitätsüberwachung, die Gewährleistung der Rückverfolgbarkeit der Teile sowie Auditierungen werden nach  Erfahrung von Kern Microtechnik im Bereich der Medizintechnikfertigung immer bedeutender. Das erfordert eine noch engere und vertrauensvollere  Zusammenarbeit zwischen Fertiger und Kunde als bei anderen Produktgruppen. Sebastian Wühr betont: »Bei uns sind die Beziehungen zu Kunden aus der Medizintechnik langfristig angelegt. Das entspricht unserer Philosophie,  da wir bei Kern stets eine Technologiepartnerschaft mit unseren Kunden  anstreben.«

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Bild 1: Klein, komplex, minimale Toleranzen, vielfältige Materialien: Die Herausforderungen bei der Fertigung medizintechnischer Teile bewältigen Auftragsfertiger aufgrund ihrer umfassenden Erfahrung und hochpräziser Maschinen

Bild 2: Für jede Anforderung das passende Bearbeitungszentrum und die geeignete Peripherie: Damit bieten Auftragsfertiger ihren Kunden aus der Medizintechnik optimale Produktionslösungen

Bild 3: Blick in den Maschinenpark von Kern Microtechnik in Murnau, wo unter anderem medizintechnische Werkstücke per Fräsen, Bohren, Erodieren und Schleifen bearbeitet werden

Kern_Hauptartikel

Werkzeugmaschinen für die Mikrobearbeitung

Kühlschmiermittel – Prozessberatung – Einzelmaschinenbefüllung – KSS-Überwachung

Termintreue, Kosten- und Qualitätsansprüche gilt es als Zulieferbetrieb gleichermaßen zu berücksichtigen. Ein umfassender Kühlschmiermittelservice stellt sicher, dass wertvolle Fertigungskapazitäten bestmöglich genutzt werden können.

Termintreue, Kosten- und Qualitätsansprüche gilt es als Zulieferbetrieb gleichermaßen zu berücksichtigen. Ein Kühlschmiermittelservice stellt sicher, dass Fertigungskapazitäten bestmöglich genutzt werden können.

Die Firmen Pabst Komponentenfertigung GmbH und Pabst  Automotive GmbH sind im Verbund ein typisches Familienunternehmen und haben im Lauf der Jahre ihre Strukturen an die Bedürfnisse der Kunden angepasst, um kontinuierlich gesicherte Spitzenleistung nach Wunsch zu liefern – in Mustern, Einzelteilen und Serien. Zu den neuesten Fertigungstechnologien zählt für Pabst auch der Einsatz moderner Kühlschmierstoffe. Eni-›aquamet-Produkte‹ sind für den Anwender daher die logische Konsequenz.

Bei der Markteinführung innovativer Produkte aus dem Eni-Schmiermittelprogramm ist und war Pabst nach vorausgegangen Versuchen immer bereit, eine Umstellung aller Maschinen vorzunehmen. Mit Recht kann man hier von einer echten Vorreiterrolle des Unternehmens sprechen. Bei DIN-Ölen, Fetten und anderen Schmierstoffen vertraut Pabst auch auf die Qualität und die schnelle Lieferbereitschaft von Eni Schmiertechnik. In-House-Schulungen, Gerätebeistellung, Beratung und technischer Support durch Eni Schmiertechnik sind selbstverständlich und werden umfänglich angenommen.

Beim Thema ›Industrie 4.0 – Digitalisierungskonzepte im Mittelstand‹ ist Pabst ebenfalls sehr innovativ. So  nähert sich die Pabst-Firmengruppe dieser Herausforderung nicht anhand theoretischer Lehrsätze, sondern hat sich bereits konkret an mehreren Projekten beteiligt, um die Digitalisierung bestimmter Prozessabläufe praxis- und benutzerorientiert zu greifen und zu steuern.

Im Zusammenwirken mit der Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt (FHWS) und weiteren projektbeteiligten Produktions- und Entwicklungsunternehmen wurden zwei vom Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie geförderte Projekte mit der konkret definierten Zielsetzung aufgelegt, einerseits um spezifische Produktionsabläufe mit einem digitalen Überwachungstool noch besser zu steuern und damit die Effizienz in den Prozessläufen zu optimieren und andererseits um ein bedarfsorientiert-vorbeugendes und damit kostenoptimiertes Instandhaltungsmanagement zu realisieren.

Sensorgestützte  KSS-Überwachung geplant

Im Zuge dieser Projekte werden im Zusammenwirken von FHWS, Bosch Rexroth, Pabst, Siemens und der Eni Schmiertechnik Lösungskonzepte rund um die bedarfsgerechte Wartung von Werkzeugmaschinen entwickelt. Ein primäres Ziel stellt hierbei die sensorgestützte bzw. -unterstützende Kühlschmierstoffüberwachung dar. Die sich in der Entwicklung befindlichen Konzepte sollen sowohl technisch, als auch wirtschaftlich speziell für einzelbefüllte Anlagen geeignet sein und den Anwender bei der Erfassung, Dokumentation, Analyse und Bewertung des Kühlschmierstoffzustands unterstützen.

Zum Einsatz kommt bei Pabst das schaumarme ›Eni aquamet LMK 2020 Plus‹ als ein universeller Kühlschmierstoff für alle mittelschweren und schweren Zerspanungsarbeiten. ›Eni aquamet LMK 2020 Plus‹ ist ein emulgierbarer, mineralölhaltiger und schwermetallfreier Hochleistungskühlschmierstoff, der mit EP-Zusätzen angereichert ist und dabei auf Bor- und Formaldehydabspalter verzichtet. Dennoch bietet er eine sehr gute Netz- und Spülwirkung sowie Korrosionsschutz. Die dauerhafte Pufferung sorgt für eine außerordentliche pH-Wert-Stabilität und damit für lange Einsatzstandzeiten der Emulsion.

Die Firmengruppe Pabst und Eni Schmiertechnik verbindet bereits seit 1999 eine gute und intensive Zusammenarbeit.

Bild 3: Thomas Wohlmuth von Eni und Volker Pabst, technischer Geschäftsführer bei Pabst, besprechen das Kühlschmiermittelkonzept

Bild 1: Kühlschmierstoffe aus der eni-aquamet-Reihe eignen sich als  universelles Bearbeitungsmedium für das Fräsen, Bohren und Drehen  verschiedener Werkstoffe

Bild 2: Die Fertigungskapazitäten der Pabst-Gruppe kommen Abnehmern unter anderem aus den Bereichen Automotive, Aerospace und Maschinenbau zugute

ENI_Hauptartikel

Pabst Holding GmbH & Co. KG 97424 Schweinfurt Tel. +49 9721 604949–0 <a href="http://www.pabst-gmbh.de">www.pabst-gmbh.de</a>

Thomas Wohlmuth ist Sales Area Manager & Product Development Industrial Lube bei der Eni Schmiertechnik. <a href="mailto:Thomas.Wohlmuth@eni.com">Thomas.Wohlmuth@eni.com</a>

Kühlschmiermittel

Betriebsausrüstung / Betriebsmittel

Kühlschmiermittelmanagement

KSS-Pflege und -Überwachung

Einfache Automation  von Bestandsmaschinen

Werkstückhandling – Roboterdirektbeladung – integrierte SPC-Schleuse – Durchsatzsteigerung

Mit der Investition in einen Beladeroboter hat Knoll Maschinenbau den Durchsatz bei  der Fertigung von einfachen Bauteilen bei einer Bestandsmaschine um rund 30 Prozent  gesteigert.

Wenn es um die Werkzeugmaschinen-Peripherie geht, dann ist die Knoll Maschinenbau GmbH als führender Hersteller von Förder- und Filteranlagen sowie Pumpen ein Begriff. Die Lösungen aus Bad Saulgau (Oberschwaben) transportieren und trennen Späne sowie Kühlschmierstoffe. Ein weiterer Geschäftsbereich löst anspruchsvolle Logistikaufgaben mit Montage- und Transportsystemen. »Unser Unternehmen wächst stetig. Am Standort in Bad Saulgau sind rund 1100 Mitarbeiter beschäftigt«, erklärt Johannes Lautenschläger, Meister Zerspanung.

Das Werk in Bad Saulgau mit einer Produktionsfläche von rund 57 000 Quadratmetern ist in eine Blechfertigung, Schweißerei, Pulverbeschichtung, Montage, Qualitätskontrolle und Zerspanung gegliedert. Die Fertigungstiefe in der Zerspanung beträgt rund 95 Prozent, wobei vor allem kleinere Komponenten wie Wellen, Kettenräder und Zahnräder produziert werden.

Wachstum verpflichtet, weiß auch Johannes Lautenschläger: »Automatisierung ist für uns ein zentrales Thema, mit der wir nicht nur unsere Fertigungseffizienz steigern, sondern auch unsere Mitarbeiter von monotonen Tätigkeiten entlasten wollen. Somit bleibt bei der Mehrmaschinenbedienung mehr Zeit für wichtigere Tätigkeiten.«

Grund genug, sich auch über die Automatisierung von Bestandsanlagen Gedanken zu machen. Im Oktober 2018 wurde daher an einer Universaldrehmaschine ohne Gegenspindel ein Halter LoadAssistant S-230 in Betrieb genommen. »Wir haben uns aufgrund der einfachen Bedienung, der durchdachten Werkstückspeicherung auf engstem Raum und unproblematischen Teilehandhabung für diese Lösung entschieden«, so Lautenschläger.

Der Halter LoadAssistant S-230 ist ein Beladeroboter, ausgelegt für rotationssymmetrische Teile bis zu einem Durchmesser von 230 mm und einer maximalen Werkstückhöhe von 175 mm. Das System verfügt über einen rotierenden Beladetisch mit insgesamt zwölf Stapelstationen als Werkstückpuffer – maximale Kapazität 385 Teile bei einer Werkstückhöhe von 10 mm. Mit Rohteilen bestückt wird der LoadAssistant von seiner Rückseite. Zum Beladen einer Drehmaschine greift der Roboter an einer spezifischen Position ein Werkstück aus einer Stapelstation. Ist der Roboter inaktiv, kann die Bedienertür des LoadAssistant geöffnet werden, damit jeweils vier Stapelstationen zur Entnahme von Fertigteilen sowie zum Beladen von neuen Rohteilen zugänglich sind.

Definierte Abgreifposition  für den Roboter

»Wir produzieren mit diesem Automationssystem sehr viele Ketten- und Stirnräder sowie Lagerflansche und Gusskettenräder, die zur Maschinenbeladung lagerichtig aufgenommen werden müssen. Zur orientierten Werkstückaufnahme haben wir daher die Stapelstationen mit eigenen Vorrichtungen ausgestattet«, erklärt Werner Blaser, Gruppenleiter Zerspanung.

Um außerdem eine exakte Abgreifposition der Rohlinge mit dem Roboter sicherzustellen, verfügt der LoadAssistant über einen Näherungsschalter. Hierzu Blaser: »Gussteile oder Sägeabschnitte haben gewisse Rohteiltoleranzen in der Werkstückhöhe, die sich beim Stapeln in den Stationen summieren würden. Um dies zu vermeiden, werden die in einer Stapelstation über eine Gewindespindel sukzessive nach oben bewegten Werkstücke zur Ermittlung der korrekten Abnahmeposition des obersten Teils mit einer Laser-Lichtschranke abgefragt. Die Position des obersten Werkstücks in einer Stapelstation ist somit immer identisch, ganz gleich, welche Abweichungen die Teile in ihrer Höhe haben.«

Derzeit sind rund 70 Programme zur vorwiegenden 2-Seiten-Bearbeitung von Werkstücken (rund 80 Prozent) in Losgrößen von 20 bis 500 Teilen auf der CNC-Maschine aktiv, Tendenz steigend. Die Bearbeitungszeiten pro Bauteil bewegen sich zwischen einer und sieben Minuten.

In den Tagschichten, produziert wird im Zweischichtbetrieb, ist der  Beladeroboter permanent im Einsatz, wobei der jeweils verantwortliche Bediener während der Abarbeitung eines Auftrags auch andere Maschinen umrüsten oder einrichten kann. »Zusätzlich bietet der Beladeroboter Potenzial für Geisterschichten zur Produktion weniger komplexer Bauteile, wann immer das möglich ist. Hierzu wird das System am Ende der zweiten Tagschicht vorbereitet, um mannlos weiterarbeiten zu können. Reizen wir den Werkstückpuffer mit hoher Bauteilanzahl aus, wie es etwa bei unseren Kettenrädern der Fall ist, kommt der LoadAssistant immerhin auf eine unbemannte Laufzeit von rund drei Stunden«, berichtet Johannes Lautenschläger und gibt gleichzeitig zu bedenken, dass auch bei Knoll zunehmend der Trend zu immer kleineren Stückzahlen pro Auftrag vorherrscht. »Es kommt durchaus vor, dass wir das Fassungsvermögen der Stapelstationen je nach Teilespektrum nicht immer vollständig ausschöpfen.« Aber selbst dann lohne sich die Automation: »20 bis 30 Werkstücke sollten es aber pro Auftrag sein, sonst wird der Aufwand für die Produktionsvorbereitungen zu hoch. Um überdies auf höhere Stückzahlen für den Beladeroboter zu kommen, fassen wir mitunter mehrere identische Teile aus unterschiedlichen Aufträgen zu einer Produktion zusammen.«

Eine Besonderheit ist sicherlich, dass über die Automationslösung auch hochpräzise Teile gefertigt werden, etwa  Lagerflansche, die hinsichtlich der  Lagersitze über sehr enge Toleranzen zwischen 10 und 20 μm verfügen. »Eigens hierfür haben wir ein kleines Förderband mit einer Messtasse am LoadAssistant montiert und die Software des Beladeroboters angepasst. Ein fertiger Lagerflansch wird vom Roboter nicht zurück in den Puffer transportiert, sondern auf dem Band abgelegt und zur Qualitätsprüfung aus dem System ausgeschleust. Auch andere Produkte, etwa Gusskettenräder, gelangen zur direkten Weiterverarbeitung nach der Zerspanung auf diese Weise aus dem System«, erklärt Lautenschläger und betont: »Das sind aber eher Ausnahmen, da wir aus Gründen der Prozesssicherheit vorwiegend einfachere Produkte über das System fertigen.«

Durch das Beladesystem hat sich nach Überzeugung von Werner Blaser hinsichtlich der Produktivität der Bestandsmaschine, aber auch im unmittelbaren Produktionsumfeld, vieles verändert. »Wir konnten den Durchsatz an der CNC-Maschine um rund 30 Prozent steigern und letztendlich auch Prozesse optimieren. Die kürzeren Fertigungslaufzeiten verlagern wir nun ganz bewusst auf den LoadAssistant, damit der Bediener Zeit findet, sich auf wichtigere Dinge zu konzentrieren. Weiterhin sammeln wir nach wie vor wertvolle Erfahrungen, zum Beispiel welche wiederkehrenden Teile sich für das Beladen mit dem Roboter eignen und welche mannlosen Zeiten wir damit erreichen. Solche Teile verlagern wir zunehmend von anderen Maschinen. Außerdem kommen täglich rund fünf neue Bauteile in die Produktion. Auch hier prüfen wir, welches Werkstück sich möglicherweise für die automatisierte Produktion eignet.«

Die Vorzüge des Halter LoadAssistant S-230 als gleichermaßen einfache wie effiziente Automationslösung sind für Lautenschläger unbestritten: »Wir werden in weitere Beladeroboter investieren«.

Bild 4: Zur Qualitätsprüfung, oder, wie hier, zur direkten Weiterverarbeitung von Gusskettenrädern, werden die Fertigteile über ein Förderband unmittelbar aus dem System ausgeschleust

Bild 2: Ist der Roboter inaktiv, wird zur Entnahme von Fertigteilen oder zum Beladen von neuen Rohteilen die Bedienertür des  LoadAssistant  geöffnet 

Bild 3: Abweichungen der Rohteilmaße beeinflussen die Abnahmeposition nicht, da über einen Näherungsschalter stets die korrekte Höhe des obersten Teils für den Roboter ermittelt wird 

Bild 5: Johannes Lautenschläger, Meister Zerspanung: »Der Beladeroboter bietet zusätzlich Potenzial für Geisterschichten zur Produktion weniger komplexer Bauteile.«

Bild 1: Der Halter LoadAssistant S-230 ist für rotationssymmetrische Teile bis zu einem Durchmesser von 230 mm und einer Werkstückhöhe von 175 mm ausgelegt. Das System verfügt über einen rotierenden Beladetisch mit insgesamt 12 Stapelstationen als Werkstückpuffer

Halter_Hauptartikel

Knoll Maschinenbau GmbH 88348 Bad Saulgau Tel. +49 7581 2008–0 <a href="http://www.knoll-mb.de">www.knoll-mb.de</a>

Martinus Menne ist freier Journalist aus Drolshagen.

Flexible Fertigungssysteme

Pumpen und Kompressoren

Maschinenbau

Fertigungsautomation

Automatisierungstechnik

Simulationssystem für digitale Zwillinge

Digital Twin – digitale Transformation – Time-to-market – virtuelle Inbetriebnahme

ISG-virtuos ist eine offene Simulationsplattform für digitale Zwillinge. Anwender im Anlagen- und Maschinenbau verkürzen die Inbetriebnahmezeit und schaffen weitere Mehrwerte.

Immer mehr Produzenten stellen neben den realen auch die virtuellen Komponenten bereit, um ihren Kunden die digitale Transformation zu erleichtern. Die ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH stellte dazu die komplett überarbeitete Version 2.8 des Simulationssystems ISG-virtuos, eine offene Simulationsplattform für digitale Zwillinge, auf der Messe SPS vor. Anwender dieser Plattform – insbesondere im Anlagen- und Maschinenbau – können dadurch die Time-to-market signifikant verkürzen und die Inbetriebnahmezeit um bis zu 90 Prozent reduzieren. Auch Betreiber der Anlagen profitieren von dieser Plattform, auf der Hersteller die sogenannten Schattenanlagen für die produktionsbegleitende Optimierung und Serviceunterstützung als Mehrwert anbieten können.

Durch den technologisch realisierten Plattformgedanken in der Version 2.8 des Simulationssystems ISG-virtuos lassen sich digitale Zwillinge nahtlos von Modell- über Software- bis zu echtzeitdeterministischen Hardware-in-the-Loop-Simulationen aufbauen und nutzen. Auf Basis dieser offenen Plattform mit standardisierten Integrationsmechanismen für virtuelle Komponenten in Bibliotheken, mit virtualisierten Steuerungen diverser Hersteller sowie spezialisierten Simulationslösungen von Drittanbietern lassen sich kundenspezifisch optimierte Simulationslösungen entwickeln. Dank der intuitiven Konfigurationsoberfläche in 3D und vorhandener Komponentenbibliotheken können auch ›normale‹ Anwender die Plattform unkompliziert nutzen – Spezialwissen wird in dieser Projektierungsphase nicht benötigt. »Bei der Neugestaltung dieser Systemplattform haben wir eng mit führenden Anwendern aus dem Automotivbereich und Herstellern von Holzbearbeitungssystemen und Steuerungstechnik zusammengearbeitet«, erklärt Dr.-Ing. Christian Daniel, Business Manager simulation technology bei der ISG. »Komponentenhersteller und Dienstleister  nutzen zunehmend unser SDK C++, um Simulationsmodelle für intelligente Komponenten wie Antriebe, RFID- oder Dichtheitsprüfgeräte zu erstellen und den Anwendern als wiederverwendbare Bausteine in der Plattform-bibliothek zum Aufbau virtueller Systeme anzubieten. Das Alleinstellungsmerkmal im Bereich der deterministischen Steuerungsechtzeit haben wir  zudem weiter ausgebaut – mit neuen Bibliotheksbausteinen, die es ebenfalls ermöglichen, Steuerungstechnik im Feldbus-Takt mit deterministischem Verhalten zu prüfen.«

Der Systemtest an einem digitalen Zwilling als Hardware-in-the-Loop-Simulation gestattet exakte, auf den Feldbus-Takt von beispielsweise 1 ms genaue Aussagen zur Performance unter Berücksichtigung aller Komponenten und Baugruppen inklusive der Störsituationen von Baugruppen – bis hin zur Fabriksimulation.

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Bild 1: Der Systemtest an einem digitalen Zwilling gestattet exakte Aussagen zur Leistung unter Berücksichtigung aller Komponenten und Baugruppen inklusive der Störsituationen

Bild 2: Dank der intuitiven Konfigurationsoberfläche in 3D und vorhandener Komponentenbibliotheken lassen sich Simulationslösungen ohne  großen Aufwand entwickeln

Smart Factory Startartikel

Smart Factory

Energieeffizienz

Simulation

Software

Maschinen-Inbetriebnahme, -Kalibrierung

Dienstleistungen

Dienstleistungen in der Metallbearbeitung

Zufrieden mit der Messe,  ausgebremst vom Markt

Der erhoffte Erkenntnisgewinn auf der EMO ist für Aussteller und Besucher erfolgt. Die Branche muss sich auf eine Marktberuhigung einstellen. Positiv stimmt das respektable Interesse an zeitgemäßen Prozessen, schließlich gilt es, sich für die Zeit danach aufzustellen.

Der erhoffte Erkenntnisgewinn auf der EMO ist für Aussteller und Besucher erfolgt. Die Branche muss sich auf eine Marktberuhigung einstellen.

Bereits im Vorfeld der EMO hatten sich die konjunkturellen Vorzeichen für das kommende Jahr ins Negative gedreht. Die Bremsspuren bezüglich des jahrelang vorangetriebenen Kapazitäts- und Technologieausbaus hinterließen ab Q3/2019 in den Auftragsbüchern von Maschinen- und Werkzeugherstellern ihren Abrieb. So kam die EMO in Hannover recht, um im Dialog zwischen Ausstellern und Besuchern einen Blick in die kommende Investitionsperiode zu werfen.

Leichter Rückgang bei Quantität,  unverändert hohe Qualität

Mit 117 000 Besuchern verbuchte der EMO-Veranstalter VDW zwar einen Rückgang um zehn Prozent, mit über 2200 Ausstellern konnte jedoch das Niveau der letzten Veranstaltung gehalten werden. »Angesichts der gedämpften Konjunkturerwartungen in den vergangenen Monaten ist der moderate Besucherrückgang als Erfolg zu werten. Uns freut ganz besonders, dass der Anteil ausländischer Besucher nochmals gestiegen ist«, sagt EMO-Generalkommissar Carl Martin Welcker.

Viele Aussteller berichten von einer überraschend hohen Besucherfrequenz auf ihren Ständen. »Die EMO hat sich einmal mehr als Fels in der Brandung erwiesen und gibt auch in unsicheren Zeiten Orientierung für die weitere Entwicklung in der Produktionstechnik«, urteilt Welcker. Hohe Internationalität und Qualität bei Besuchern und Ausstellern sowie eine ungeheure Dichte an Innovationen und Präsentationen von Produktneuheiten seien das Markenzeichen der Leitmesse.

Mehr als die Hälfte der Besucher kam aus dem Ausland, davon jeweils die Hälfte aus Europa und aus Übersee. Bemerkenswert ist der Anstieg der Gäste aus Übersee um ein Fünftel. Dabei stellten Asien fast ein Drittel der ausländischen Besucher, allen voran aus China, Japan, Taiwan und Indien.

Auch bei dieser Veranstaltung konnte die EMO ihren Ruf als Innovationsplattform gerecht werden. Neben zahlreichen Produktvorstellungen waren die Themen Automatisierung und Digitalisierung omnipräsent. Schlagworte dazu lauteten Apps, Digitaler Zwilling, Künstliche Intelligenz sowie Edge- und Cloudcomputing. Wie unter anderem Christian Thönes, Vorstandsvorsitzender der DMG Mori AG in Bielefeld bestätigte, waren Lösung gefragt, die sich an der ganzheitlichen Prozesskette inklusive digitaler Services orientierten und dadurch den relevanten Mehrwert für die Kunden schafften. Die kommende EMO wird dann vom 4. bis 9. Oktober 2021 in Mailand stattfinden.

Bild 1: DMG-Mori-Pressekonferenz auf der EMO: Die beiden Konzern-Chefs Christian Thönes und Dr. Masahiko Mori nahmen Bezug auf die aktuelle Lage der Branche; der Tenor lautete Durchhalten und weiter Angreifen

EMO-Nachbericht_Hauptartikel

Präzisionswerkzeuge

Medizintechnik – Schleifwerkzeuge – Prozesszeitverkürzung

Mit Kompetenz und Teamarbeit gelang den Schleiftechnik-Profis von Tyrolit und Schütte jüngst ein Produktivitätssprung. Sie verkürzten mit neuen Werkzeugen auf einer Multifunktions-Schleifmaschine 325 linear die Prozesszeit beim Kniegelenkschleifen um zwei Drittel.

Die Medizintechnik boomt und wächst stetig. Schließlich benötigt eine alternde und dennoch aktive Bevölkerung vermehrt Implantate, Schrauben und Gelenkprothesen. Zugleich steigen die technischen Anforderungen an körperfremde Ersatzteile bezüglich Materialbeschaffenheit, Reinheit, Geometriegenauigkeit und Oberflächengüte. Das alles stellt die Hersteller solcher Komponenten zunehmend vor anspruchsvolle Aufgaben. Hinzu kommt für sie ein wachsender Kostendruck im globalen Wettbewerb.

An erster Stelle steht der Wunsch nach möglichst kurzen Fertigungszeiten. Zugleich werden immer bessere Oberflächen bei den oft schwierig bearbeitbaren Werkstoffen gefordert. Gemeinsam ist es nun dem Schleifwerkzeughersteller Tyrolit und dem Schleifmaschinenhersteller Schütte gelungen, diesen Teufelskreis zu durchbrechen und die Schleifzeiten für künstliche Kniegelenke von zwölf auf viereinhalb Minuten zu verkürzen.

Künstliche Kniegelenke schleifen in 4,5 statt in 12 min

Die Basis der Lösung bildet eine Schleifmaschine Schütte 325 linear, die sehr dynamisch und vielseitig ist. Sie kann sowohl schleifen als auch fräsen, und es sind auch Bandschleif- und Polier-Operationen möglich. Somit lassen sich die Teile weitgehend komplettfertigen, was einerseits die Genauigkeit erhöht, weil nicht umgespannt werden muss, und andererseits die Gesamtfertigungszeit verkürzt, denn es entfallen Arbeitsgänge. Integriertes Abrichten erhöht zusätzlich die Prozesseffizienz.

 Die hohe Umkehrdynamik der Maschine − sie hat kein Umkehrspiel −, prädestiniert sie für viele hoch präzise Anwendungen, vorrangig in der Medizintechnik. Sie lässt sich mit Palettensystemen ergänzen, auf die mehrere Teile gespannt werden können, um das Wechseln zu beschleunigen.

Doch nicht nur die hohe Steifigkeit, das fehlende Umkehrspiel und die Linearachsen-Dynamik der Maschine erwiesen sich als maßgebend für ihren Erfolg beim Kniegelenk-Hersteller, sondern auch eine neu entwickelte Schleifscheibe von Tyrolit. Bekanntlich bietet der österreichische Hersteller seit Langem eine ganze Reihe leistungsfähiger Schleif- und Polierlösungen für die Medizintechnik an, nicht nur für Human-Ersatzteile, sondern auch für medizinische Instrumente und Ähnliches.

Was das hier relevante Schleifwerkzeug betrifft, so soll es einmal mehr neue Maßstäbe setzen. Ermöglicht wird das durch eine kombinierte Weiterentwicklung von Trägerkörper und Schleifbelag. Wie bei anderen Schleifscheiben auch, bietet Tyrolit den Trägerkörper aus verschiedenen Materialien an, sei es Stahl, Aluminium oder Karbon.

 Gemäß seinen Anforderungen und den Empfehlungen der Tyrolit-Anwendungstechnik kann der Kunde den Trägerkörper seinen Bedürfnissen optimal angepasst auswählen. Im Fokus stehen Prozessparameter wie die geforderte Spindeldrehzahl, aber auch die Gesamtkosten im Verlauf der Serienfertigung.

 Im vorliegenden Fall wurde ein Trägerkörper aus einer hochfesten, aber leichten Aluminiumlegierung gewählt. Die Scheibe ist gewuchtet und erfordert zum Feinwuchten an der Maschine nur wenig Aufwand. Zudem bietet die Alu-Trägerscheibe bessere Dämpfungseigenschaften als eine solche aus Stahl. Hier ist die Version aus Alu auch 65 Prozent leichter, was der gewünschten Dynamik entgegenkommt.

Am Außenumfang auf die Trägerscheibe aufgesetzt befindet sich der aktive Schleifbelag. Beim vorliegenden, innovativen Schleifwerkzeug besteht er aus einer Vielzahl speziell geformter Segmente, die sowohl mit dem Trägerkörper als auch mit dem jeweils benachbarten Segment fest verklebt sind und so einen sicheren, geschlossenen Verbund bilden. Die Zusammensetzung des Schleifbelags selbst ist aus der Schleifscheibenserie Genis 2 abgeleitet, die sich schon in vielen anderen Anwendungen, zum Beispiel in der Automobilindustrie, bewährt.

 Der Schleifbelag aus keramisch gebundenem CBN zeichnet sich vor allem durch einen hohen Schleifabtrag bei gleichzeitig kühlem Schliff aus − eine Eigenschaft, die beim Schleifen von Knieprothesen aus Chrom-Kobalt-Verbindungen bedeutsam ist, denn die zu bearbeitende Fläche ist relativ groß; gleichzeitig sind die Anforderungen an die Oberflächen sehr hoch.

 Die keramische Bindung hält das gut schneidende Schleifkorn aus CBN fest im Belag, auch bei hoher Schnittgeschwindigkeit. Zugleich sorgt sie für ausreichend große Zwischenräume, die das Kühlmittel zur Wirkstelle bringen und die Späne abtransportieren. Zum einen ist der keramisch gebundene Schleifbelag also für ein langes Festhalten des Schleifkorns verantwortlich und verlängert so die Standzeit der Scheibe; andererseits ermöglichen die Porenräume einen besseren Kühlmittelzufluss, sodass der erwähnte kühle Schliff entsteht und Schleifbrand verhindert wird.

Die Scheibe ist über die gesamte Belaghöhe von 20 mm voll nutzbar

Die großen Spanräume nehmen den Werkstoffabtrag auf und transportieren ihn ab, ohne dass zusätzlicher Schleifdruck oder gar ein Spänestau entstehen kann, was sich wiederum in einer hohen Oberflächengüte widerspiegelt.

Doch nicht nur der Schleifbelag stellt sicher, dass die Scheibe mit einer hohen Schnittgeschwindigkeit bis zu 125 m/s verwendet werden kann.

Hinzu kommt, das der Trägerkörper dieser Schleifscheibe 1FF1 am Übergang zu den Schleifsegmenten ein einzigartiges Profil hat, das für eine sehr große Kontaktfläche zwischen Träger und Schleifbelag sorgt.

 Der Schleifbelag hat ein Bodenprofil, das von den Außenseiten zur Mitte hin ansteigt und exakt dem Gegenprofil des Trägerkörpers entspricht. Dadurch vergrößert sich zum einen die Kontaktfläche zwischen Schleifbelag und Trägerkörper, was sich in höheren Leistungswerten niederschlägt, zum anderen reicht der aktive Schleifbelag an den Seiten deutlich weiter herab als bei sonst verwendeten Schleifscheiben. Somit ist das Werkzeug über die gesamte Belaghöhe von 20 mm voll nutzbar. Das spart vorzeitige Werkzeugwechsel und steigert die Produktivität. Die verschlissene Scheibe kann neu belegt werden.

Für ein eventuelles Polieren stehen elastische Schleifscheiben aus dem Tyrolit-Programm zur Verfügung, die sich dem Formdruck des Teils und dem Schleifdruck anpassen und eine hohe Oberflächengüte erzeugen. Zudem bietet Tyrolit optimierte Diamant-Abrichtwerkzeuge für alle Schleifwerkzeuge an.

Tyrolit sieht es als selbstverständlich an, dass die Kunden von den Anwendungstechnikern des Schleifspezialiste vor Ort unterstützt werden − so wie im Fall des Kniegelenk-Herstellers. Zum Bearbeiten eines Kniegelenks aus Kobalt-Chrom-Guss (ISO 5832-4) analysierten beide Seiten gemeinsam den Prozess und loteten die Möglichkeiten aus, um den besten Kompromiss zwischen Vorschub, Schleifdruck sowie thermischer und dynamischer Belastung zu finden. Schließlich konnte mit der 1FF1 bei einer Umfangsgeschwindigkeit von 95 m/s und einem Vorschub von 10 m/min ein hervorragendes Schleifergebnis erreicht werden. Der Schleifprozess nimmt gegenwärtig mit 4 min und 30 s nur noch ein Drittel der vorherigen Schleifzeit in Anspruch.

Bild 1: Der Produktivitätssprung in der Kniegelenkfertigung gelang mit Tyrolit-Schleifscheiben auf einer Schleifmaschine Schütte 325 linear, die schleifen einschließlich bandschleifen, polieren und abrichten kann, aber auch fräsen

2 Aktuelle Schleifscheiben von Tyrolit, die sich zum Kniegelenkschleifen eignen und sich durch eine kombinierte Weiterentwicklung von Trägerkörper und Schleifbelag auszeichnen. Um sich den individuellen Bedingungen anzupassen, kann der Trägerkörper aus Stahl, Aluminium (links) oder Karbon (rechts) bestehen (© Tyrolit)

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Karl-Heinz Gies ist freier Fach- journalist und Inhaber der Agentur Gies Consult in Stuttgart <a href="mailto:gies-consult@t-online.de">gies-consult@t-online.de</a>

Schleifwerkzeuge

Schleifmaschinen

Hartmetallbeschichtung – Spannungsanalyse – Standzeitverlängerung

Mit üblichen Methoden sind die Eigenspannungen in Beschichtungen an Hartmetallwerkzeugen nur abseits der Schneidkante ermittelbar. Mithilfe der Raman-Mikroskopie gelingt dies aber auch direkt im Schneidkeil. Das Verschleißverhalten lässt sich so besser beeinflussen.

Mit üblichen Methoden sind die Eigenspannungen in Beschichtungen an Hartmetallwerkzeugen nur abseits der Schneidkante ermittelbar. Mithilfe der Raman-Mikroskopie gelingt dies aber auch direkt im Schneidkeil.

Bekanntlich lässt sich die Standzeit von Zerspanungswerkzeugen mit modernen PVD-Beschichtungen erheblich steigern. Ein wichtiger Einflussfaktor in diesen Schichten ist der Eigenspannungszustand, der sich über den Beschichtungsprozess in gewissen Fenstern einstellen lässt. Im Allgemeinen werden Druckeigenspannungen angestrebt, die sich bei dauerbelasteten Bauteilen als vorteilhaft erwiesen haben, weil sie der Rissbildung und -ausbreitung entgegenwirken. Höhere Druckeigenspannungen sind bis zu einem kritischen Grenzwert mit einer längeren Werkzeug- lebensdauer verbunden <a href="http://[1]">[1]</a>. Ein Überschreiten dieses Grenzwertes verschlechtert die Werkzeugeigenschaften wieder.

Wie wirken sich die Eigenspannungen auf die Werkzeugstandzeit aus?

 Während des PVD-Beschichtungsprozesses bilden sich Druckeigenspannungen aus, deren Höhe von den Beschichtungsparametern wie der Bias-Spannung abhängt. Darüber hinaus lässt sich der Eigenspannungszustand durch mechanische Nachbehandlungsverfahren wie dem Nass- und dem Mikrostrahlen beeinflussen. Das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover beschäftigt sich mit den Einflüssen dieser Eigenspannungszustände auf das Standzeitverhalten von (Ti,Al)N-PVD-beschichteten Zerspanungswerkzeugen.

Für die Standzeituntersuchungen wurden Hartmetall-Wendeschneidplatten der Geometrie SNMA 120408 mit 94 Gew.% WC + 6 Gew.% Co eingesetzt, die man mittels DC-Arc-PVD-Prozess beschichtet hatte. Um unterschiedliche Eigenspannungszustände einstellen zu können, wurden für die ersten drei Werkzeugchargen die Bias-Spannungen UB = -40 V, -65 V sowie -85 V gewählt.  Zusätzlich wurde eine Charge mit UB = -40 V beschichtet und anschließend bei einer Temperatur von 700 °C wärmebehandelt, um in den folgenden Untersuchungen auch Zugeigenspannungen berücksichtigen zu können.

Tiefenaufgelöste Eigenspannungsmessung  in der Werkzeugbeschichtung

Anschließend ermittelte man die Eigenspannungen mithilfe der Streuvektormethode. Dazu wurde ein 5-Kreis-Diffraktometer vom Typ Seifert XRD 3003 eta der Firma General Electric mit Co-Kα-Strahlung genutzt. Die Streuvektormethode ermöglicht im Vergleich zur klassischen sin²ψ-Methode eine tiefenaufgelöste Eigenspannungsmessung bis zur maximalen Eindringtiefe der Röntgenstrahlung in das Material. Dies ist bei Schichten mit einer Dicke von wenigen Mikrometern nötig, da steile Eigenspannungsgradienten über die Tiefe zu erwarten sind <a href="http://[2]">[2]</a>. Die Messungen wurden an den Freiflächen der Wendeschneidplatten durchgeführt. Im Rahmen der Einsatzversuche verwendete man eine Drehmaschine MD10S des Werkzeugmaschinen-Herstellers Gildemeister für das Orthogonaldrehen von AlSI1045. Der Drehprozess wurde ohne Kühlschmierstoff (KSS) durchgeführt. Die folgenden Zerspanprozess-Parameter wurden in diesem Zusammenhang verwendet: Schnittgeschwindigkeit vc = 500 m/min, Spanwinkel γ und Freiwinkel α = 6° sowie Vorschub f = 0,1 mm.

Wie in Bild 2 dargestellt, ergeben sich mit steigender  Bias-Spannung höhere Druckeigenspannungen. Mit zunehmender Eindringtiefe nehmen jedoch die Druckeigenspannungen wieder ab. Die wärmebehandelten Zerspanungswerkzeuge zeigen über den gesamten betrachteten Bereich von 0,5 bis 1,5 µm einen Zugeigenspannungszustand. Werkzeuge, die mit einer geringen Bias-Spannung beschichtet wurden,  weisen oberflächennah Druck- und in großen Tiefen deutliche  Zugeigenspannungen auf. Es zeigte sich in allen untersuchten Zerspanungswerkzeugen, dass über die Tiefe ein Trend zu niedrigeren Druck- beziehungsweise höheren Zugeigenspannungen vorhanden ist.

Mit der Bias-Spannung nehmen auch  die Druckeigenspannungen zu

Während der Einsatzuntersuchungen wurden die Wendeschneidplatten auf die Verschleißkriterien Kolkbreite  KB = 0,1 mm sowie erste Substratschädigung untersucht.  Sobald eines der Kriterien erfüllt war, nahm man die spezifische Standzeit für dieses Verschleißkriterium auf.

Diese Standzeiten sind in Bild 3 dargestellt und belegen eine Abhängigkeit vom Eigenspannungszustand der Schicht. Wie zu erwarten war, zeigen die wärmebehandelten Werkzeuge die kürzeste Standzeit − sowohl beim Betrachten der ersten Substratschädigung als auch beim Kolkverschleiß.

 Niedrige Druckeigenspannungen wie beim zweiten Werkzeug verbessern die Standzeiten kaum. Werden jedoch die Werkzeuge mit einer Bias-Spannung von UB = -65 V betrachtet, zeigt sich, dass die Werkzeugstandzeit deutlich zunimmt. Das gilt für beide Standzeitkriterien. Wird jedoch die Bias-Spannung weiter erhöht, entsteht ein gegensätzlicher Effekt: Es kommt zu einer Verkürzung der Standzeit.

Die dargestellten Untersuchungen und Ergebnisse haben gezeigt, dass die Eigenspannungen der Schicht einen signifikanten Einfluss auf das Verschleißverhalten haben. Aufgrund von Beschränkungen im röntgenografischen Messverfahren, die nur auf ebenen Oberflächen anwendbar sind, fehlen Erkenntnisse über den Eigenspannungszustand in der Schneidkante. Da es in der Schneidkante zu hohen Druck- und Scherspannungen während der Bearbeitung kommt, lässt hier die Kenntnis über den Eigenspannungszustand Potenzial bezüglich einer Beschichtungsoptimierung erwarten.

Für die lokale Eigenspannungsanalyse an transluzenten Schichten ist die Raman-Mikroskopie in der Theorie geeignet <a href="http://[3]">[3]</a>. Die Voraussetzung dafür: Das Beschichtungsmaterial ist ramanaktiv. Bei der Raman-Mikroskopie wird die Beschichtung mit kohärentem Laserlicht bestrahlt und anschließend das zurückgestreute Licht analysiert. Wegen der Interaktion des Laserlichts mit dem Beschichtungsmaterial kommt es zu einer Wellenlängenänderung, die unter anderem vom lokalen Eigenspannungszustand der Schicht abhängt.

 Die Raman-Mikroskopie ist schnell und hat nur einen kleinen Messpunkt

 Vorteile dieser Messmethode sind der sehr kleine Messpunkt, der nur wenige Mikrometer (2 bis 5 µm) im Durchmesser ist, sowie die geringe Messzeit im Bereich von Sekunden bis zu wenigen Minuten. Das IFW der Universität Hannover sieht ein großes Potenzial darin, diese Messmethode in der Schneidkante sowie im nahen Umfeld anzuwenden, um dort die Eigenspannungsverteilung ermitteln zu können, wie in Bild 4 dargestellt.

Im ersten Schritt überprüfte man die Methode auf ihre Leistungsfähigkeit, indem Proben mit unterschiedlichen  Eigenspannungszuständen gemessen wurden. Um den Einfluss des Beschichtungsprozesses auszuschließen, wurden Proben mit einer Bias-Spannung von UB = -30 V beschichtet. Außerdem wurde ein Teil der Werkzeuge anschließend mit Wasser und Korund nassgestrahlt, um zwei unterschiedliche Eigenspannungszustände zu erhalten. Es zeigte sich bei röntgenografischen Übersichtsmessungen, dass sich, wie bereits eingehend beschrieben, durch den Strahlprozess eine bedeutend höhere Druckeigenspannung einstellt.

Werden die gleichen Werkzeuge mit dem Raman-Mikroskop gemessen, ergibt sich ein deutlicher Unterschied der  Peakpositionen zwischen den unbehandelten und den mittels Strahlen nachbehandelten Werkzeugen. Die Abweichung der Raman-Peakpositionen ergibt sich zum einen durch lokal unterschiedliche Eigenspannungen als auch durch Störgrößen wie Schmutz oder eine lokale Inhomogenität der Eigenspannungen beziehungsweise der Schichtzusammensetzung, für die die Ramanmikroskopie ebenfalls empfindlich ist. Trotzdem zeigen die Untersuchungen bisher sehr deutlich, dass die Raman-Mikroskopie für den Einsatz von Eigenspannungen in Titanaluminiumnitrid geeignet ist.

Einfluss der Beschichtungsparameter auf die Schicht muss zusätzlich untersucht werden

Aktueller Stand der Forschungen ist es, die beschriebenen Störgrößen ermitteln, bewerten und berücksichtigen zu können. Zusätzlich muss untersucht werden, welchen Einfluss die Beschichtungsparameter neben den Eigenspannungen auf die Schicht haben, um anschließend das Messverfahren auf die Schneidkante übertragen zu können. Um das zu bewerkstelligen, misst man an der Freifläche und an der Spanfläche des Zerspanungswerkzeugs den Eigenspannungszustand röntgenografisch als Referenz.  In einem anschließenden Schritt wird die Raman-Peakposition ebenfalls an gleicher Stelle bestimmt.

 An diesen Schritt wiederum anschließend wird über den im Zerspanprozess kritischen Bereich der Schneidkante ein gezieltes Mapping mittels Raman-Mikroskopie erstellt und so auf die Eigenspannungsverteilung geschlossen. Liegen die Eigenspannungsverläufe über die Schneidkante vor, sind weitere Einsatz- untersuchungen geplant, die jetzt die lokalen Eigenspannungszustände als Fokus beinhalten.

Das System hilft Beschichtern bei der Qualitätssicherung

Eine denkbare Anwendung des in diesem Fachbeitrag erläuterten Systems ist die Bestimmung von Eigenspannungen in Schichten beim Beschichter zur Qualitäts- sicherung, aber auch beim Werkzeughersteller, dem auf diese Weise die Möglichkeit gegeben wird, eine individuelle, belastungsangepasste Beschichtung herzustellen.

Des Weiteren wäre auch eine Messung zwischen bestimmten Bearbeitungsschritten prinzipiell möglich, und zwar zu dem Zweck, eine Eigenspannungsänderung als Frühindikator für den Verschleiß des Zerspanungswerkzeugs zu ermitteln.

Die Autoren dieses Fachartikels danken ausdrücklich der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die engagierte Förderung des damit korrespondierenden Projekts mit der Bezeichnung ›Auswirkungen der Schneidkanteneigenspannungen auf das Verschleißverhalten PVD-beschichteter Zerspanwerkzeuge‹. In diesem Zusammenhang sei auch  Dr. Jon Andersson vom Werkzeug- spezialisten Seco Tools gedankt. Mit  der von ihm initiierten Bereitstellung diverser beschichteter Zerspanungswerkzeuge tragen er und sein Unternehmen maßgeblich zum Erreichen der gesteckten Ziele bei.

Bild 1: Im Messen mithilfe der Raman-Mikroskopie, die mit Laserlicht arbeitet, sehen die  Zerspanungsforscher vom IFW in Hannover ein großes Potenzial, wenn es darum geht,  die Eigenspannungsverteilung in der Schneidkante und in ihrem Umfeld zu ermitteln 