Späne optimal kontrollieren Gelaserte Spangeometrien: Weg vom „gepressten Massenmarkt“

Anbieter zum Thema

Simtek GmbH Präzisionswerkzeuge

PSI Software SE | Business Unit Discrete Manufacturing

Seit jeher stellen Späne beim Zerspanen eine Herausforderung dar. Wer Späne effektiv beherrscht, optimiert den gesamten Produktionsprozess – speziell angepasste Spangeometrien per Laser leisten dazu einen wichtigen Beitrag.

Die AMB verkündete in einem Artikel zur vergangenen Veranstaltung in Stuttgart im Oktober 2024 „Späne wie aus dem Bilderbuch“, was irgendwie den Span genau an der Schneide trifft. Neben Themen wie Digitalisierung und nachhaltigem Wirtschaften ist der Span nach wie vor eine Herausforderung für Fertigungsbetriebe. Am Anfang der Wertschöpfungskette steht oft bei vielen Produkten die Metallbearbeitung. Denn ohne Bohren, Drehen, Fräsen, Schleifen und Co. könnten viele Dinge überhaupt nicht gefertigt werden. Wichtigstes Arbeitsmittel bleibt neben aller Automatisierung das Werk-zeug inklusive Schneidstoff.  

Norbert Seifermann, Vorstand der Simtek AG in Mössingen, erklärt: „Die Spankontrolle ist, seitdem zerspant wird, ein fortwährender Optimierungsprozess. Wie bekommt man die Späne aus dem Prozess, wie lassen sie sich optimal für den jeweiligen Anwendungsfall brechen, um hohe Prozesssicherheit und lange Werkzeugstandzeiten zu gewährleisten.“

Kleinteilebearbeitung weit weg  vom „gepressten Massenmarkt“

Das klassische und weit verbreitete Verfahren zur Erzeugung der Schneidengeometrie ist das Pressen und Sintern. Dadurch werden negative und positive Spanwinkel je nach Bearbeitung und Material in den Rohling eingebracht. Der „gepresste Markt“ ist der Massenmarkt in der Metallzerspanung. Für Werkzeugkleinserien, die Kleinteilebearbeitung oder gar Sonderwerkzeuge ist das Pressen und Sintern jedoch kaum wirtschaftlich. Im Standardsortiment listet Simtek über 11.000 Produkte, rund 7.000 davon in kleinen Durchmesserbereichen. „Wir befinden uns mit den kataloghaltigen Werkzeugen, die überwiegend in kleinen Losgrößen gefertigt werden, in einer totalen Nische“, erklärt Nobert Seifermann, der federführend bei der Entwicklung gelaserter Spangeometrien beteiligt war. „Für uns steht das Pressen jedes Einzelwerkzeugs außer Frage. Wir können nicht für alle Individualwerkzeuge die entsprechenden Presswerkzeuge herstellen, das würde sich überhaupt nicht rentieren.“

Problemfall Hartmetall 

Weshalb das Lasern von Spangeometrien bisher kein Präzisionswerkzeug-Hersteller intensiv angegangen hatte, lässt sich nur mutmaßen. Obwohl laut Simtek die Vorteile deutlich auf der Hand liegen würden. Es sei schon in diese Richtung geforscht und entwickelt worden, aber eben nie bis zur letzten Konsequenz. Zumal das Lasern von Hartmetall keinesfalls banal ist, da es im Wesentlichen aus Wolframcarbid mit einem Kobaltanteil besteht. Diese zwei Bestandteile haben unterschiedliche Schmelz- und Verdampfungspunkte, was das Lasern zur Herausforderung macht. Hinzu kam, dass es keine Erfahrungswerte gab, auf die man sich stützen konnte und mit der neuen Lasertechnik eine gewisse Einarbeitungszeit unumgänglich war.„Aber es funktioniert. Man muss eben ein wenig länger darüber nachgrübeln, wo und wie sich diese Technik vielleicht anwenden lässt“, betont der Werkzeugspezialist. Die Werkzeugentwickler von Simtek haben schließlich einen Weg gefunden, um die Schneidenstruktur direkt zu Lasern. „Wie das im Detail vor sich geht, bleibt zunächst unser Geheimnis“, sagt Seifermann.

Lasertechnik schafft den Durchbruch

An die ersten Gehversuche mit einigen wenigen Kunden erinnert sich Norbert Seifermann noch gut. „Da wollten wir zunächst wissen, wohin uns der Weg führt“, erinnert sich der Geschäftsführer an die Anfänge. Dabei brachten die Werkzeugentwickler in Sachen Laserbearbeitung schon einige Jahre an Erfahrung mit. Hartstoffe wie PKD- oder CBN-Werkzeuge werden in Mössingen schon lange gelasert. Hartmetall mit dem Laser zu bearbeiten, ist damit jedoch nicht vergleichbar und bringt ganz eigene Herausforderungen mit. Die Lasertechnik hatte sich über die Jahre hinweg immens weiterentwickelt, sodass sich der Präzisionswerkzeughersteller zunächst allmählich herantasten und damit vertraut machen musste. „Wir kannten diese neue Technik noch nicht – da waren anfangs überall Unwägbarkeiten, mit denen keiner gerechnet hatte“, so Seifermann.Der Entwicklungsprozess zog sich dann über fünf Jahre hin, bis die Werkzeugentwickler das 3D-Lasern von Hartmetall so weit gelöst hatten, dass es ihren hohen Ansprüchen auch genügte. „Uns war bewusst, dass Späne immer ein Problem sind und dies mit gelaserten Geometrien in den Griff bekommen könnten.“ Für andere sei der Weg nun einfacher, denn sie wissen nun, dass es geht.  

Werkzeugkonstruktion gefragt 

Nachdem sicher war, dass es funktioniert, galt es noch, die Werkzeugkonstruktion damit vertraut zu machen. Zwar war die Entwicklung von Individualwerkzeugen bei Simtek schon immer konstruktionslastig, die gelaserten Spangeometrien stellten sie aber vor eine neue Herausforderung.  Nachdem mit den 3D-gelaserten Werkzeugen nahezu alle Schneidengeometrien möglich waren, musste sich die Konstruktion damit auseinandersetzen, zumal bei Simtek keinerlei Erfahrung mit ISO-Platten vorhanden war. „Wenn ich den Span mithilfe gelaserter Mikrogeometrien optimal lenken will, muss ich ihn kennen. Das musste unsere Konstruktion erst einmal lernen“, so Seifermann. Über die ersten Kundenversuche haben sich Konstrukteure dann langsam Stück für Stück an das Thema herangetastet und so das Gefühl für den Span bekommen. Inzwischen kennen sie den Span in- und auswendig und bringen permanent neue Lasergeometrien auf die Zerspanungswerkzeuge.  

Großteil der Anwendungsfälle  mit gelaserten Spangeometrien 

Es war ein langer und keinesfalls immer leichter Weg bis dahin. Inzwischen sind zahlreiche Pilotkundenprojekte erfolgreich abgeschlossen und gelaserte Spanformgeometrien seit längerer Zeit auch produktiv im Einsatz. Das Problem ist meist die Länge der Späne sowie die Spanrichtung. Bleiben in einer Bohrung die Späne permanent hängen, ist kein vollautomatisierter Produktionsprozess möglich, selbst in kleinen Serien kann die Prozesssicherheit nicht gewährleistet werden.  „Unsere Anwender wollen am liebsten kurze Späne, die sich mit dem Kühlmittel herauswaschen lassen. Bei Materialien, die keine kurzen Späne ermöglichen, soll zumindest Spanabfuhr optimal kontrolliert werden können, anstelle von Wirrspänen werden gelockte Späne gewünscht“, so Norbert Seifermann. Nach gut zwei Jahren Testphase kristallisiert sich eine hohe Machbarkeit heraus: Für 80 bis 90 Prozent der Anwendungsfälle wurde eine Lösung gefunden. „Gerade wenn die Bedingungen ungünstig sind, gibt es vereinzelt aber auch noch Situationen, bei denen wir selbst mit gelaserten Geometrien das Spanproblem nicht immer optimal lösen konnten“, räumt der Werkzeugspezialist ein. Aufgrund der langen Entwicklungszeit mit umfangreichen Tests steht die neue Technologie heute auf prozesssicheren Füßen.  

Spanwinkel ohne Kompromisse 

Neben der besseren Spankontrolle lassen sich durch die individuellen Schneidengeometrien auch Kombinationswerkzeuge herstellen. Diese können beispielsweise in zwei Achsrichtungen zerspanen: Beim Nuten­stechen in X-Achsenrichtung einstechen, um anschließend entlang der Z-Achse zu verfahren (Längsdrehen). Das Einstechen erfordert einen kurzen Span, bei der Längsbearbeitung soll der Span gelockt und aus der Bearbeitungszone herausgelenkt werden.  Entsprechende Spangeometrien ließen sich zwar auch durchs Sintern erreichen, aber das wäre kostenintensiver, wohingegen das klassische Schleifen der Schneidkanten hier unweigerlich an seine Grenzen stößt. Schleifen bedeutet immer einen Kompromiss einzugehen: Entweder schafft man fürs Einstechen eine optimale Spangeometrie zu Ungunsten der Längsbearbeitung oder umgekehrt. Beim Lasern ist es aber möglich, alle Seiten exakt so zu lasern, dass an der gesamten Schneide eine optimale Geometrie erreicht wird. Dadurch reduziert sich nicht nur die Vielfalt der Werkzeug, auch Werkzeugwechsel entfallen.  Ein anderes Beispiel für die Anwendbarkeit gelaserter Spangeometrien ist das Gewindeschneiden. Wenn ein Gewindeschneider mit einer Spanfläche von  0 Grad geschliffen ist und zusätzlich einen seitlichen Spanwinkel erhalten soll, führt Schleifen kaum zu einem befriedigenden Ergebnis. Mit 3D-Lasern lässt sich über die gesamte Scheide entlang der geforderte Spanwinkel einbringen. Durch Sintern ist dies zwar auch möglich, aber nur für den Massenmarkt wirtschaftlich.

Simtek-Interview

"Das Lasern von Hartmetall ist nicht leicht"

Universell einsetzbare Lasertechnologie 

Der Einsatz gelaserter Geometrien ist nicht auf bestimmte Anwendungen beschränkt. Immer dann, wenn Späne exakt gebrochen und durch optimale Spanabfuhr kontrolliert aus dem Prozess gebracht werden sollen, kommt das 3D-Lasern in Betracht. Das kann für das Ausdrehen genauso zutreffen, wie für das Nut- oder Formstechen, ganz gleich ob Innen- oder Außenbearbeitung. Und Lasergeometrien sind ein Problemlöser, der sich sortimentsübergreifend einsetzen lässt. Laut Simtek kommt das 3D-Lasern von Spangeometrien vor allem auch bei Kleinstserienfertigung oder der Bearbeitung von kleinen Durchmessern zum Tragen. Norbert Seifermann erläutert: „Selbst, wenn wir vorwiegend kleinere Werkzeuge fertigen, ist das Lasern nicht darauf beschränkt. Wir haben auch schon sehr große Werkzeuge gelasert, wenn sich von der Anzahl der Werkzeuge her keine Sinterform rentiert hat.“Was anfangs kundenindividuelle Sonderwerkzeuge waren, wird inzwischen auch auf das Standardsortiment übertragen. „Sukzessive erweitern wir unsere kataloghaltigen Werkzeuge durch 3D-gelaserte Spangeometrien, die sich in zahlreichen Projekten in der Praxis bewährt haben.“

Der Autor Ralf M. Haaßengier ist Geschäftsführer der PR-Agentur PRX in Stuttgart.