Die Suppe zu Nüssen von Dies and Moulds

Die Werkzeug- und Formenbauindustrie als umfassend oder weitreichend zu bezeichnen, ist so, als würde man ein Schweizer Taschenmesser einen schicken Schraubenzieher nennen. Folgeverbundstanzwerkzeuge, Abkantwerkzeuge, Blasformen, Druckgussformen und Schmiedegesenke – dies sind nur einige der bearbeiteten Produkte, deren Herstellung eine Person erlernen kann, wenn sie ihr Werkzeug- und Formenzertifikat an der örtlichen beruflich-technischen Einrichtung erlangt (was mehr junge Leute anstreben sollten), ein Ort, der dazu beiträgt, die Räder der Zivilisation am Laufen zu halten.

Trotz des Titels dieses Artikels ist er alles andere als ein umfassender Einblick in den Werkzeugbau. Dafür wären viele Hundert Seiten und der Input Dutzender Branchenexperten erforderlich. Es wird jedoch einige Einblicke in die Bearbeitungstechnologie geben, die hinter den komplexen, dreidimensionalen Formen in Kunststoffspritzgussformen steckt, sowie einige Anleitungen zu der Software, die zum Entwerfen, Simulieren und Optimieren dieser anspruchsvollen Baugruppen erforderlich ist.

Darüber hinaus gilt vieles von dem, was hier beschrieben wird, auch für andere Anwendungen im Werkzeugbau, beispielsweise für Stanzwerkzeuge zur Herstellung von Karosserieteilen für Kraftfahrzeuge oder für die Formen für die thermogeformte Verpackung, die Ihr Abendessen zum Mitnehmen gestern Abend auf der Heimfahrt warm hielt. Dies gilt auch für die Schneidwerkzeuge, CNC-Maschinen und CAM-Software, die zur Herstellung dieser hochpräzisen, oft frei geformten Oberflächen verwendet werden, die alle ebenso notwendig sind, um Komponenten in Branchen wie der Luft- und Raumfahrtindustrie und der Medizintechnik herzustellen. Dann stellt sich die Frage: Was ist das Besondere an der Werkzeug- und Formenarbeit?

Sean Shafer, Segmentmanager für den Werkzeug- und Formenmarkt von Makino Inc., hat ein paar Ideen. Der Maschinenbauer aus Mason, Ohio, ist für seine Präsenz in dieser Branche bekannt, und Shafer ist – zusammen mit Produktmarketingmanager Dave Ward – schon länger im Unternehmen, als viele Leser ihren Führerschein besitzen. Die Branchenveteranen führten mehrere wesentliche Unterscheidungsmerkmale zwischen dieser und anderen Bearbeitungsarten auf, angefangen bei der Komplexität.

„In letzter Zeit wurde viel über Tesla und die Giga Press der Idra Group geschrieben, aber das ist nur die Spitze des Eisbergs“, sagte Shafer. „Die Automobilindustrie insgesamt hat den Wert der Kombination mehrerer Strukturkomponenten in einem einzigen Druckguss erkannt. Es verkürzt die Installationszeit, reduziert das Gewicht und erhöht die strukturelle Steifigkeit des Fahrzeugs.“

Doch wie Ward betonte, erfordert die Herstellung dieser Teile größere und tiefere Formen als in der Vergangenheit, Arbeiten, für die herkömmliche dreiachsige Bearbeitungszentren weniger produktiv sind. „Sie benötigen die Möglichkeit, die Spindel zu kippen, um den effektivsten Angriffswinkel zu erreichen und diese tiefen Merkmale zu erreichen, ohne das Werkzeug zu weit herausstrecken zu müssen. Dieser Ansatz verbessert nicht nur die Werkzeugstandzeit und die Oberflächengüte, sondern erhöht auch die Zerspanungsraten deutlich.“

Die Rede ist von Fünf-Achsen-CNC-Bearbeitungszentren, einer Technologie, die die Art und Weise verändert, wie Werkstätten aller Art Teile herstellen. Makino hat sein Angebot in diesem Bereich kürzlich um zwei Maschinen erweitert, die V100S und die D2, die beide „von Grund auf speziell für große Formen- und Gesenkkomponenten entwickelt wurden“. Darüber hinaus bietet das Unternehmen weiterhin Automatisierung in Form integrierter Robotik und Palettenwechselsysteme an. Lachend bemerkte Ward: „Wir besuchen viele Geschäfte und es gibt derzeit drei Haupttrends: fünfachsig, fünfachsig und Automatisierung.“

Bei der Bearbeitung auf einem Drei-Achsen-Fräser ist der Fräser immer senkrecht zum Werkstück ausgerichtet, betonte Ward. Dies ist für Bohren, Planfräsen und andere übliche Bearbeitungsvorgänge in Ordnung, aber bei Formhohlräumen, die normalerweise mit Kugelfräsern fertig bearbeitet werden, übernimmt die Werkzeugspitze oft einen Großteil des Schnitts. Leider nähern sich die Oberflächengeschwindigkeiten dem Nullpunkt, je näher man diesem „Nullpunkt“ kommt, wodurch sich die Zerspanungsraten erheblich verringern.

„Wenn Sie nun den Schaftfräser wie bei einer Fünf-Achsen-Maschine in einem Winkel kippen können, schneiden Sie mit der Peripherie der Kugel“, sagte Shafer. „Vielleicht bekommen Sie sechs effektive Flöten statt einer. Dadurch wird eine viel bessere Scherwirkung erzielt, und da Sie das Werkzeug anschneiden können, werden Vibrationen vermieden und Sie können den Vorschub deutlich aggressiver gestalten. Es sind Vorteile wie diese, die Fünf-Achsen-Bearbeitungszentren zur bevorzugten Werkzeugmaschine in vielen Werkzeug- und Formenbaubetrieben machen. Sie sind der einzige Weg, egal wie groß die Arbeit ist, die Sie erledigen.“

Ironischerweise beginnen Fünfachsen den Bedarf an Kugelkopfeinheiten zu verringern. Ward und Shafer waren sich einig, dass sie, wenn sie nicht mit ihren Kunden über „Fünf-Achsen, Fünf-Achsen und Automatisierung“ sprechen, Fragen zum Kreissegmentschneiden, auch Tonnenfräsen genannt, beantworten. So auch Takuro „Tak“ Sato, der technische Anwendungsmanager für das Die and Mould Team bei Mitsubishi Materials USA (MMUS), Costa Mesa, Kalifornien, einer Gruppe, die die Schneidwerkzeugmarke Moldino des Unternehmens vertritt.

Sato listete eine Vielzahl konischer Wendeschneidplatten- und Vollhartmetall-Tonnenfräser auf, darunter GP1LB, GF2T, GF3L und GS4TN. Zu den vorgeschlagenen Anwendungen gehören Stanzwerkzeuge, Druckguss- und Kunststoffspritzgussformen, Blisks, Laufräder und Turbinenschaufeln, Formen für die Reifenproduktion sowie sogenannte Badewannenformen.

Alle sind Teil der Gallea-Serie von Kreissegmentwerkzeugen des Unternehmens und verfügen wie alle Fräser dieser Art über Spannuten, die ein oder mehrere präzisionsgeschliffene Bogensegmente enthalten, die viel größer sind als die eines Kugelfräsers vergleichbarer Größe. Dies ermöglicht größere Abstände an den Wänden des Formhohlraums und, im Fall von „Linsen“-Fassschneidern, größere Abstände an den Böden des Hohlraums. Das Ergebnis ist eine schnellere Schlichtbearbeitung – in manchen Fällen bis zu 70 Prozent – ​​und eine glattere Oberflächengüte als mit Kugelfräsern möglich ist.

Angesichts der großen Vielfalt an Trommelmühlenradien, -formen, -größen und -herstellern kann die Auswahl einer Mühle verwirrend sein. Sato erklärte, dass ein Großteil der Variation auf die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten dieser bahnbrechenden Bearbeitungstechnologie zurückzuführen sei. Wie bereits erwähnt, verwenden Hersteller in der Luft- und Raumfahrtindustrie sie zum Schneiden von Turbinenschaufeln und Laufrädern, während diejenigen, die orthopädische Implantate herstellen, routinemäßig komplexe Knochenformen im Trommelfräsen bearbeiten.

Praktisch jede Freiformfläche, die derzeit mit einem Kugelkopffräser bearbeitet wird, ist jedoch wahrscheinlich ein Kandidat für das konische Tonnenfräsen. Der Trick besteht darin, das richtige Werkzeug zu finden und dann den richtigen Werkzeugweg zu generieren. „Es ist alles andere als eine Einheitslösung“, warnte Sato. „Zum Beispiel haben wir unsere Radien kleiner gemacht als bei einigen unserer Mitbewerber, um den Bedürfnissen der Formenbauer gerecht zu werden. Ein kleinerer Radius reduziert den Werkzeugdruck und das Risiko von Rattern und ist daher eine bessere Wahl für die in dieser Branche verwendeten harten Materialien.“

Welches Tool für die Anwendung am besten geeignet sei, liege letztlich beim Programmierer, fügte er hinzu, eine Aussage, der Jesse Trinque zustimmt. Als Vertriebs- und Anwendungsingenieur für CNC Software LLC mit Sitz in Tolland, Connecticut, Hersteller von Mastercam, hat er viel über das Schneiden von Kreissegmenten zu sagen, angefangen mit der Tatsache, dass es nicht jedermanns Sache ist.

Wenn es um Formen geht, sind Tonnenfräser am effektivsten auf Oberflächen, bei denen sich die Krümmung im Verhältnis zu ihrer Größe nicht stark ändert, sagte er. „Je größer also die Oberfläche und kleiner die Krümmung, desto besser ist der Anwendungssatz, den Sie haben. Mit anderen Worten: Sie eignen sich hervorragend für eine Form für einen Pringle-Chip, weniger für eine Form mit Wellen.“

Das gilt insbesondere dann, wenn es sich beim Pringle tatsächlich um eine übergroße Autotür handelt. Trinque wies darauf hin, dass diese großen, sanft gekrümmten Flächen tendenziell die meiste Bearbeitungszeit in Anspruch nehmen, was Kreissegmentfräsern einen deutlichen Vorteil verschafft. Und doch seien sie nicht für jeden Kunden geeignet, warnte er. Wie Sato bereits angedeutet hat, erfordert die Programmierung die richtige Werkzeug-, Maschinen- und CAM-Software sowie nicht geringe Kenntnisse in der Bearbeitung.

„Es ist wichtig, dass Sie Ihre Maschine und ihre Bewegungen verstehen und wirklich über solide Kenntnisse der Fünf-Achsen-Programmiertechniken verfügen, bevor Sie diesen Schritt wagen“, fügte Trinque hinzu. „Du willst nicht rennen, bevor du nicht laufen lernst. Kreissegment-Tools haben definitiv ihre Berechtigung, aber sie können Menschen auch sehr schnell auf den falschen Weg führen, so dass sie frustriert sind und ihnen wahrscheinlich keine zweite Chance geben.“

Das Erlernen des Laufens gilt auch für die Maschine, unabhängig vom verwendeten Schneidwerkzeug. Auf die Frage nach dem „Verstehen Ihrer Maschine“ und den Fünf-Achsen-Techniken stellte Trinque fest, dass ein CNC-Programm auf dem Bildschirm möglicherweise völlig in Ordnung aussieht, sich aber auf den verschiedenen Arten von Fünf-Achsen-Bearbeitungszentren unterschiedlich verhält. Dazu gehören je nach Hersteller Kopf-Kopf-, Tisch-Kopf- und Tisch-Tisch-Konstruktionen, die jeweils über eine unterschiedliche Kinematik verfügen, die die Leistung und den Programmieransatz beeinflusst.

„Was auch immer Sie bearbeiten, es ist wichtig, dass Sie die Stärken und Schwächen der Ausrüstung kennen und sich von letzteren so weit wie möglich fernhalten“, betonte Trinque.

Jeder CNC-Programmierer weiß, dass Mastercam viel mehr kann, als nur Kreissegment-Werkzeugwege zu generieren. Dies gilt auch für die Fusion 360- und PowerMill-Produkte von Autodesk Inc., die beide im Formen- und Formenbau (und anderen) eine starke Anhängerschaft haben.

Aber wie Hanno Van Raalte schnell betont, geht der Erfolg in dieser Branche weit über den Einsatz hochwertiger Werkzeugmaschinen, Schneidemaschinen und CAD/CAM-Systeme hinaus. Es kommt auch zunehmend auf einen digitalen Zwilling an. „Die Fähigkeit, schnell auf späte Änderungen zu reagieren, wird immer wichtiger, und ein digitaler Zwilling des Kunststoffdesigns, der Form und sogar des Formprozesses bietet einen enormen Vorteil“, sagte er.

Van Raalte ist Produktmanager für Moldflow, ein Softwaretool, das das in San Francisco, Kalifornien ansässige Unternehmen Autodesk als „Kunststoffspritzguss- und Formpresssimulation für Design und Fertigung“ beschreibt. Damit, so bemerkte er, können Werkzeugbauer den Formprozess vom Kunstwerk bis zum Teil und darüber hinaus simulieren.

„Nehmen wir an, Sie haben ein Gehäuse für eine neue Staubsaugerreihe entworfen. Was soll ich sagen, dass es formbar ist? Haben die Wände die richtige Dicke? Gibt es Merkmale, die den Teileauswurf behindern oder zu Verzug führen? Moldflow ermöglicht es Benutzern, diese und viele andere Konstruktionsregeln zu analysieren und im Voraus intelligente Entscheidungen zu treffen, lange bevor der erste Werkzeugweg generiert oder Span hergestellt wird.“

Mark Hennebicque, Business Manager für Autodesk-Simulation, merkte an, dass die Formbarkeit nur der Ausgangspunkt sei. Durch die Erstellung eines digitalen Zwillings zu einem frühen Zeitpunkt im Prozess können Formenbauer FEA-Simulationen des Materialflusses und der thermischen Eigenschaften durchführen und diese Informationen dann zur Optimierung des Werkzeugdesigns nutzen. Anschließend können sie die virtuelle Form in einen Zwilling der Formanlage einbauen und die besten Einstellungen für Einspritzdrücke und Materialtemperatur ermitteln. Dies reduziert die Zykluszeit und damit die Kosten und trägt gleichzeitig dazu bei, häufige Probleme wie Grate, Einfallstellen und Dimensionsschwankungen zu beseitigen.

Dieses letzte Problem sei in der gesamten Branche ein häufiges Problem, sagte Hennebicque. „Formenbauer sind immer auf der Suche nach Genauigkeits- und Kostenverbesserungen, aber da sie während des Designprozesses bestimmte Annahmen treffen müssen, kann dies eine Herausforderung sein. Gleichzeitig kann es sein, dass die Produktionsabteilung oder in manchen Fällen ein Subunternehmer im Nachhinein Entscheidungen trifft, die früher hätten berücksichtigt werden müssen.“

Unabhängig davon bietet die Simulation mit einem digitalen Zwilling einen iterativen, kollaborativen Ansatz, der den gesamten Design- und Fertigungsprozess umfasst. Es erfasst auch alle mit diesen Prozessen verbundenen Daten – wenn es sechs Monate später zu einem Absturz kommt und die Werkstatt einen Formhohlraum überarbeiten oder einen neuen Einsatz herstellen muss, muss das Rad nicht neu erfunden werden. „Alles, was sie zur Reproduktion des Originalwerkzeugs benötigen, ist im Zwilling enthalten“, schloss er.

Van Raalte stimmte zu. „In vielen Branchen, darunter auch im Formenbau, verändert der digitale Zwilling die Art und Weise, wie Unternehmen Geschäfte tätigen. Dadurch können sie bessere Produkte herstellen. Das Selbstvertrauen steigt, das Risiko sinkt und jeder kann die Zeit, die er hat, besser nutzen. Dadurch wird der Twin für viele Hersteller schnell zum Must-Have.“

David Hill von Hexagon Manufacturing Intelligence bietet in Bezug auf digitale Zwillinge weitgehend die gleichen Ratschläge. Als Leiter des kommerziellen Betriebs des Unternehmens in Kanada wird er Ihnen sagen, dass das in North Kingstown, Rhode Island, ansässige Unternehmen Hexagon konkurrierende Design- und Konstruktionstools anbietet und diejenigen im Formenbau und in anderen Branchen dazu ermutigt, ihre immensen Fähigkeiten zu nutzen. Aber für diesen Artikel erörterte Hill eine weitere wichtige Komponente des Formen- und Formenbaus: die Messtechnik.

„Ich stimme voll und ganz mit den zuvor gemachten Aussagen zu den jüngsten Fortschritten in der Produkt- und CAM-Simulation und der Formanalyse überein, aber aus messtechnischer Sicht ist eine der wichtigsten Technologien heute die Möglichkeit, den Produktionsort zu messen“, sagte er.

Offensichtlich entfällt durch das maschineninterne Abtasten und Scannen der regelmäßige Gang zum Inspektionsraum, wodurch die Gesamteffektivität der Ausrüstung verbessert und die Möglichkeit eines Ausschussteils aufgrund von Bearbeitungsfehlern verringert wird. Diese Vorteile sind für alle Herstellungsprozesse von Bedeutung, aber wenn das Werkstück Hunderte oder vielleicht Tausende Pfund wiegt, wie es bei vielen Formen und Formwerkzeugen der Fall ist, kann die Validierung in der Maschine den Unterschied zwischen Gewinn und Verlust ausmachen.

Spindelmontierte Tastsysteme sind nichts Neues. Sogar Laser- und Streifenlichtscans sind in der Produktion immer häufiger anzutreffen.

Weniger verbreitet ist der Einsatz dieser Technologien, um schnell Millionen von Datenpunkten zu sammeln und diese Daten dann zur Validierung der Simulationen zu verwenden, die in Software erstellt werden, wie sie von Hexagon und anderen angeboten wird. Dies ermöglicht es Werkzeugbauern und Ingenieuren, prozessinterne Maßwerte mit der CAD-Datei zu vergleichen, die Rückfederung zu analysieren, die Hauptbezugspunkte für die Formgebung mit den besten Passungen zu überprüfen und problematische Bereiche zu beheben, wodurch teure Nachschnitte und Nichtkonformitäten vermieden werden.

Aber wie sieht es mit der Genauigkeit aus? Jeder seriöse Mechaniker weiß, dass kritische Messungen niemals auf einem CNC-Bearbeitungszentrum durchgeführt werden sollten, unabhängig davon, wessen Logo auf dem Blech angebracht ist. Rechts?

Vielleicht ja, aber wie Hill betonte, sind die heutigen High-End-Werkzeugmaschinen für viele Messfunktionen sehr präzise, ​​ganz zu schweigen von der Tatsache, dass tragbare Laser- und Strukturlichtsysteme (wie der HP-L-10.10, der AS1-Laserscanner und Structured Light Systems) können eine Genauigkeit von 5 Mikrometern erreichen.

„Zugegebenermaßen wird die maschineninterne und tragbare Messtechnik das KMG [Koordinatenmessgerät] nie wirklich ersetzen, aber viele in dieser Branche stellen fest, dass ihnen diese Technologien einen Wettbewerbsvorteil verschaffen“, sagte Hill. „Es eignet sich sehr gut für Reverse Engineering, Komponenteninspektion, Feinabstimmung des Bearbeitungsprozesses und viele andere Anwendungen, die alle schnell und einfach durchgeführt werden können, ohne dass das Werkstück bewegt werden muss.“ Zeit ist in der Fertigung von entscheidender Bedeutung, und obwohl ich es hasse, ein Klischee zu verwenden, sind diese Lösungen bahnbrechend.“

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