Ultrakurzpuls-Technologie meistert schwierigste Aufgaben beim Werkzeugschleifen Werkzeugbearbeitung via Laser

Ultrakurzpuls-Technologie meistert schwierigste Aufgaben beim Werkzeugschleifen

Werkzeugbearbeitung via Laser

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Der US-Schneidwerkzeughersteller Shape-Master Tool Company musste seine Schleiffähigkeiten über die seiner konventionellen Maschinen hinaus erweitern, welche bei der Bearbeitung herkömmlicher Schneidstoffe und komplexer Geometrien hervorragende Arbeit leisteten. Mit der Weiterentwicklung von Schneidstoffen und den damit verbundenen größeren Herausforderungen bei der Bearbeitung musste das Werk entweder aufrüsten oder das Risiko eingehen, Aufträge an die Konkurrenz zu verlieren.
Als das Unternehmen vor 40 Jahren in Kirkland im US-Bundesstaat Illinois mit dem Schleifen von Schneidwerkzeugen begann, arbeitete es hauptsächlich an natürlichen Diamantmaterialien. Moderne Schneidstoffe hingegen umfassen Hartmetall, künstlichen monokristallinen Diamant (MKD), polykristallinen Diamant (PKD), chemischen Dampfphasenabscheidungsdiamant (CVD), kubisches Bornitrid (CBN) und Keramik. Entsprechend hat sich das Sortiment an Werkzeugtypen von Shape-Master erweitert: von steckbaren PKD- und PCBN-Werkzeugen bis zu allen Arten von Form- und Rotationswerkzeugen.
Um die besonderen Herausforderungen der modernen Schneidstoffe zu meistern, erwarb Shape-Master zwei Laser-Werkzeugbearbeitungsmaschinen – die ersten ihrer Art in Nordamerika.
Die Laser-Technologie erweitert nicht nur die Schneidwerkzeugfertigung von Shape-Master und erfüllt selbst schwierigste Anforderungen, sie trägt auch maßgeblich dazu bei, dass das Unternehmen im Wettbewerb mit größeren Spezialwerkzeuglieferanten bestehen kann. Mit der durch Lasertechnik ermöglichten Fertigungsflexibilität führt man jetzt kostengünstig Aufträge mit Losgrößen aus, die von 50 Stück bis zu Tausenden in einem jährlich wiederkehrenden Turnus reichen – stets unter Beibehaltung der Qualität und Lieferzeiten.
Nach nur wenigen Monaten Schulung und praxisorientierten Lernens begann Shape-Master seine Laser-Maschinen auch für die Erweiterung seiner Produktpalette zu nutzen und neue Arten von Aufträgen, darunter rotierende Werkzeuge, an zu nehmen. Ein Teil der Aufträge, die durch die Systeme laufen, sind nun rotierende Werkzeuge und das Werk plant, sein Produktangebot auch darüber hinaus zu erweitern.
Des Weiteren konnte das Unternehmen nun gewisse Teile wieder selbst herstellen, die es zuvor außer Haus geben musste. Diese Fähigkeit ist besonders wichtig, weil sie der Philosophie und dem Ziel von Shape-Master entspricht, möglichst viele Arbeiten im Hause durchzuführen.
Ultrakurzpuls-Lasertechnologie zur Herstellung von hochwertigen Schneidwerkzeugen
Bei den Laser-Maschinen von Shape-Master handelt es sich um Ewag Laser Line Ultras von United Grinding. Die Maschinen verwenden modernste, ultrakurze Impuls-Laser-Technologie zur Herstellung von hochwertigen Schneidwerkzeugen mit komplexen Geometrien mittels einer einzigen Aufspannung.
Mit ihrer patentierten Ewag Laser Touch Machining Technologie bearbeiten die Maschinen alle modernen, kommerziell erhältlichen Schneidstoffe, einschließlich Hartmetall, CBN, PKD, CVD und MKD. Dabei erzeugen sie keine Wärmeeinflusszonen. Die daraus resultierenden Werkzeuge weisen eine außergewöhnlich hohe Oberflächengüte auf und halten länger.
Laser Touch Machining ist ein Bearbeitungsprozess mit einem tangentialen Laserstrahl, der Werkzeugschneiden und -Geometrien durch Formen der Werkzeugflächen mittels der Außenfläche des Laserstrahls in ultrakurzen 10-Pikosekunden-Impulsen erzeugt. Diese ultrakurzen Laserimpulse verdampfen das Material direkt ohne wesentliche Wärmeentwicklung. Die Werkzeug-Geometrien werden durch ein sich wiederholendes Schraffur-Muster der Laser-Abtasteinheit in Verbindung mit der gleichzeitigen Bewegung der acht CNC-Achsen der Maschine erzeugt.
Mit knapp 30 Mitarbeitern stößt Shape-Master mit seinen Laser-Bearbeitungsmaschinen und CNC-Schleifmaschinen pro Monat Tausende von Werkzeugen aus. Die meisten Werkzeuge, die das Unternehmen fertigt, bestehen aus CBN, obwohl auch ein erheblicher Prozentsatz an Diamantwerkzeugen von diesem Werk kommt. Das Werk setzt außerdem auf Automatisierung, um die Produktion über den Standard-Produktionsplan von 1,5 Schichten pro Tag hinaus aufrecht zu erhalten.
Beide Laser Line Ultra Maschinen von Shape-Master sind automatisiert. Eine der Maschinen verfügt über einen integrierten 6-Achsen-Ewag-Roboter, ein Zwei-in-Eins HSK-63 Werkzeuggestell und Paletten – all das ermöglicht die lückenlose, vollautomatische und unbemannte Herstellung einer Vielfalt von rotierenden Werkzeugen. Diese Maschine automatisiert auch die Großserienfertigung von Steck-Diamantwerkzeugen im Werk.
Die andere Laser Line Ultra Maschine verfügt über eine Stapler-Einheit, die ihre Kapazität je nach der Höhe ihrer Paletten verdoppelt. Bei der Bearbeitung kürzerer Werkzeuge mit niedrigerem Profil passen mindestens acht Paletten in den Stapler, von denen jede bis zu 300 Werkzeugen aufnehmen kann. Diese flexible Automatisierung war ein wichtiger Faktor, warum Shape-Master sich für die Ewag Laser Line Ultra Maschinen entschieden hat.
CNC-Schleifmaschinen von 1990 noch heute im Einsatz
„Wir haben schon immer Ewag Schleifmaschinen verwendet“, erklärt Dan Chambers, Anwendungs-Manager bei Shape-Master Tool. „Zuerst hatten wir Ewag Handmaschinen eingesetzt. In den 1990er Jahren haben wir dann Ewamatic Line CNC Schleifmaschinen hinzugefügt und diese Maschinen sind heute noch im Einsatz.“
Es habe einige Zeit gedauert, bis Shape-Master sich mit der Bedienung und den Möglichkeiten der Laser Line Ultra Maschinen vertraut gemacht hatte, so Chambers. Zur formalen Ausbildung gehörten eine Woche am Ewag Hauptsitz in der Schweiz und eine Woche Schulung vor Ort, im eigenen Betrieb. Aber er fügte hinzu, dass Weiterbildung immer auch ein kontinuierlicher Vorgang ist.
„United Grinding legt großen Wert auf Schulung und technische Unterstützung für alle Anlagen, die das Unternehmen anbietet“, erläutert Chambers. „Der Kunden-Support ist äußerst umfassend und zugänglich. Er ist immer da, um jegliches Problem zu lösen oder unsere Fragen zu beantworten. Ich bezweifle, dass wir ohne diese Unterstützung all dies erreicht hätten.“
Er fügt hinzu, dass sich die Laser Line Ultra Maschinen mit der benutzerfreundlichen Software von Ewag einfach programmieren lassen und dass die Software auf dem CNC-Schleifpaket des Unternehmens basiert. Mit mehreren Achsen und Laserköpfen verhalten sich die Laser Line Ultras eher wie Bearbeitungszentren als wie CNC-Schleifmaschinen.
Bei Shape-Master verfahren die Laser-Abtastköpfe der Laser Line Ultra Maschinen in der Regel mit Vorschubgeschwindigkeiten von mehreren tausend mm/min und in Schrittweiten bis hinab zu 0,2 Mikrometer über ein Werkzeug. Die Laser-Bearbeitungszeiten reichen von etwa einer Minute bis zu einer Stunde, je nach geometrischer Komplexität und Werkzeuggröße. Die meiste Zeit wird dabei direkt oder sehr nahe an den Schnittkanten verbracht.
„Der Laser erzeugt Geometrien, Oberflächen und Kanten-Präparationen, die sonst sehr schwierig oder sogar unmöglich durch CNC-Schleifen herzustellen wären“, erklärt Chambers. „Wenn es zum Beispiel um Kanten-Präparationen geht, kann man durch herkömmliches Schleifen scharfe Kanten im Bereich von 5 bis 10 Mikrometer produzieren. Durch Laserbearbeitung dagegen lassen sich Kanten im Bereich von 1,5 bis 5 µm Mikrometer herstellen. Die deutlich erhöhte Schärfe ist ein wesentlicher Vorteil für uns.“
Umgekehrt kann der Laserstrahl eine Kante in einem Arbeitsgang abrunden, um zusätzliche Festigkeit zu erzielen – bei herkömmlichem CNC-Schleifen wäre dazu ein sekundärer Honvorgang erforderlich. Die Laser Line Ultras können auch Fasen und andere 3D-Kantengeometrien erzeugen.
Werkzeuge zur Bearbeitung von Komponenten aus Gusseisen und Stählen bis hin zu abgereichertem Uran
Kunden nutzen Shape-Master Werkzeuge zur Bearbeitung von Komponenten aus Gusseisen und Stählen bis hin zu abgereichertem Uran, Aluminiumlegierungen und Verbundstoffen für eine Vielzahl von Branchen, wie Kfz, Luft- und Raumfahrt, Energie und viele andere.
Laut Chambers hat Shape-Master Werkzeuge für Komponenten zur Weltraumforschung wie auch für US-Verteidigungssysteme hergestellt. Er weist auch darauf hin, dass ein Großteil der Kunden aus dem Luft- und Raumfahrtbereich mit Verbundstoffen und exotischen Materialien arbeite. Er rechne damit, dass diese Materialien auch Einzug in die Automobilindustrie halten werden – unter anderem zur Gewichtsreduzierung und Kraftstoffeffizienz, wie es in der Luft- und Raumfahrt der Fall ist. Die gleichen fortschrittlichen Werkzeuge, die das Unternehmen für seine Kunden aus der Luft- und Raumfahrtbranche herstellt, werden also in Kürze auch in die Autoindustrie einziehen.
„Unsere Stammkunden würden uns aufgrund unserer hochwertigen Produkte, Serviceleistungen und Mitarbeiter weiterempfehlen“, so Chambers. „Wir gehen auf alle Bedürfnisse unserer Kunden ein und haben viel Kapital in Technologie, Prüfmittel und Endbearbeitungsgeräte investiert, um wettbewerbsfähig zu sein und bessere Produkte als unsere Mitbewerber anzubieten. Das ist es, was unsere Kunden erwarten – und wozu wir nicht zuletzt durch unsere Ewag-Maschinen in der Lage sind.“ ■
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