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KleinstserienfertigungAudis Vorseriencenter braucht Universalwerkzeuge

Audi Q2

In der Versuchsteilefertigung bei Audi in Ingolstadt werden anspruchsvolle Bauteile als Prototypen und in Kleinstserien hergestellt. Dabei setzen die Verantwortlichen auf VHM-Fräser von Haimer, die sich durch ihre Geometrie und Qualität für vielfältige Zerspanungsaufgaben eignen. Ihr Dämpfungs- und Rundlaufverhalten ermöglicht es, in Vergleichsfällen die Produktivität um ein Vielfaches zu steigern.

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PräzisionswerkzeugeScharfe Schneiden pushen ­Produktion

Muda – schon wie Professor Klaus Weinert den japanischen Begriff ausspricht, ist klar, dass es sich dabei um etwas zutiefst Negatives handelt. Tatsächlich bedeutet Muda Verschwendung und ist ein zentraler Bestandteil der Lean Management-Philosophie. In der deutschen Industrie hat Lean Management, nach einem kurzen Aufflackern Anfang der 90er, bis heute nur in wenigen Unternehmen strategische Bedeutung erlangt.

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Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (MW): Scharfe Schneiden pushen ­Produktion

Doch mit dem wachsenden globalen Wettbewerbs- und Kostendruck erlebt Lean Management gerade auch in der Fertigungsindustrie hierzulande eine Renaissance.

Denn trotz aller Automatisierungsbestrebungen liegen – gerade was die Eindämmung von Muda angeht – in den Produktionsprozessen noch ganz erhebliche Potenziale brach. Zentraler Punkt bei der Eindämmung von Muda ist es, festzustellen, was wirklich der Wertsteigerung eines Produktes dient und wie man diese wertsteigernden Prozesse beschleunigen kann. Prof. Klaus Weinert, Leiter des Instituts für spanende Fertigung der Universität Dortmund, betont, dass es in erster Linie darauf ankommt, „die Kostentreiber zu finden. Diese Kostentreiber müssen abgebaut werden. Dann senken wir automatisch das gesamte Kostenniveau des Fertigungsprozesses.“ Gerade in der spanenden Fertigung gibt es noch viele solcher Kostentreiber. Der zentrale Prozess ist hier die Werkstückherstellung. Doch während vor wenigen Jahren der Blick der Prozessoptimierer in erster Linie noch auf der Maschinentechnologie lag (Stichwort: Paralleltechnologien), ist heute wieder das Bearbeitungswerkzeug in den Fokus gerückt.

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„Für fertigende Unternehmen ist ein massiver Druck vorhanden; sie müssen Gesamtprozesskosten und damit auch Stückkosten ständig senken. Ohne hochwertige Präzisionswerkzeuge modernen Zuschnitts können sie diese Optimierungen jedoch nicht erreichen“, bestätigt auch Michael Beer, Produktbereichsleiter Zerspanung bei dem Werkzeugspezialisten Hoffmann Group: „Die Vorteile der neuen Werkzeuge zeigen sich in erheblich gesteigertem Zeitspanvolumen, bei HSC- und HPC-Werkzeugen um bis zu 20 Prozent, oder in der Reduktion von Werkzeugplätzen durch sogenannte Multifunktionswerkzeuge. Sie sind in der Lage, mehrere Bearbeitungen gleichzeitig abzudecken und somit Produktions- und Rüstzeiten zu minimieren.“

Auch Hans-Jürgen Büchner, Geschäftsführer des Werkzeugherstellers Iscar, weiß, dass in vielen Betrieben viel Zeit und Kosten durch Unwissenheit verschwendet werden: „Noch immer erleben unsere Mitarbeiter im Außendienst, dass bestehende Werkzeugsysteme nicht ihrem Leistungspotenzial entsprechend eingesetzt werden. Wenn wir dann unsere neuen Werkzeugsysteme präsentieren und zeigen dürfen, was mit diesen Systemen möglich ist, ist das Erstaunen oftmals sehr groß. Die Kunden achten nun darauf, dass möglichst höchste Vorschübe oder Spantiefen gefahren werden können. Hier decken wir nicht selten Einsparpotenziale von bis zu 50 Prozent, bezogen auf die Bearbeitungszeit eines Werkstückes auf.“

Durch eine Umstrukturierung der Produktion sowie den Einsatz neuer Hightech-Werkzeuge konnte etwa die ­Persta GmbH, einer der größten Gesenkschmiedebetriebe in Deutschland, eine 30-prozentige Produktivitätssteigerung erzielen. Joachim Seiffert, Technischer Leiter bei Persta: „Die Produktivität beginnt an der Schneide. Deshalb ist für uns die Kostenreduzierung je Bauteil entscheidend.“ In Zusammenarbeit mit Fertigungsexperten des Werkzeugherstellers Sandvik ­Coromant wurde der komplette Fertigungsprozess verschiedener Produkte analysiert. Als Ergebnis änderte Persta alle CNC-Programme und investierte in neue Werkzeuge. Wichtige Ressourcen würden nach Meinung Seifferts ungenutzt bleiben, weil es Verantwortliche nicht wagen, „Themen wie die Anpassung der CNC-Programme‚ Lieferantenreduzierung, Begrenzung der Werkzeugvielfalt oder die Ausmerzung minderwertiger Werkzeuge anzugehen.“ Für den mittelständischen Gesenkschmiedebetrieb hat sich das Wagnis gelohnt: „Wir konnten unsere Kosten um 500.000 Euro pro Jahr reduzieren“, erklärt ­Joachim Seiffert. „Unsere Einsparungsmöglichkeiten ergeben sich nicht zuletzt durch den rasanten Fortschritt der Technik im Zerspanungsbereich.“

Tatsächlich wurde die Werkzeugtechnik in den letzten Jahren erheblich weiterentwickelt. Zwar handelt es sich nach wie vor meist um die „alt-bewährten“ CVD- und PVD-Verfahren. „In der Art und Weise, wie die Schichten innerhalb dieser Verfahren zusammengestellt werden, hat sich allerdings einiges getan“, erläutert Michael Fink, Leiter Produktmanagement bei dem Werkzeughersteller Walter AG. „Neue Technologien ermöglichen es, die Schichten ganz anders herzustellen. Die Eigenschaften des Schichtaufbaus, der Schichtdicke, der Zwischenschichtung und der Schichtanbindung werden weiter optimiert. Die Schichten werden widerstandsfähiger gegen mechanische und thermische Einflüsse. Ein Beispiel dafür ist unser PVD-Tiger, bei dem Aluminiumoxid auf Hartmetall abgeschieden wird, was früher technisch nicht möglich war. Dies führt zu einer härteren und wärmebeständigeren Schicht.“

Auch die Geometrie-Weiterentwicklungen spielen bei der Produktivitätssteigerung eine erhebliche Rolle, wie Hans-Jürgen Büchner weiß: „Eine Hartmetallsorte kann noch so gut sein, wenn die Schneide den Werkstoff nicht zerspanen kann. Schneidkantenpräparationen sind hierbei genauso wichtig wie die Spanformgeometrie, die dafür Sorge trägt, dass der Span möglichst kurz gehalten wird und sauber fließen kann. Die Schneidengeometrie ist ganz sicher eine Wissenschaft für sich, der wir ähnlich viel Aufmerksamkeit schenken wie dem Substrat. Iscar ist beispielsweise mit der helikalen Schneidengeometrie im Fräsbereich – Helimill – weltberühmt geworden.“

Durch diese Optimierungen bei Geometrie und Beschichtung sind heute Produktivitätssteigerungen von 20 Prozent realistisch – und mehr. Michael Fink versichert: „Wir erzielen heute weitaus höhere Steigerungen als 20 Prozent. Das geht teilweise bis an die 100 Prozent.“ Und Michael Beer von Hoffmann ergänzt: „Die neuen Beschichtungsverfahren haben Werkzeuge derart verändert, dass mittlerweile die Trockenbearbeitung auch dort möglich ist, wo bislang nur an Nassbearbeitung zu denken war, zum Beispiel bei rostfreien Stählen.“ Das Einsparpotenzial ist erheblich, da die Kühlschmiermittel bis zu 17 Prozent der Gesamtkosten ausmachen. Hartmetallwerkzeuge mit entsprechender Beschichtung stoßen mittlerweile auch in Bereiche vor, die bis vor kurzem noch der ausschließlichen Bearbeitung durch CBN vorbehalten waren.

Diese kam auch der Karl Binder GmbH aus Karlskron bei der Herstellung eines Tiefziehwerkzeuges aus dem neuen Werkstoff Toolox 44 zu Gute. Werkstücke aus diesem durchgehärteten Stahl mit 45 HRC müssen nach der Bearbeitung nicht nachträglich gehärtet werden, was Zeit und Kosten spart. Doch bei der Zerspanung musste neues Terrain beschritten werden. Gemeinsam mit den Spezialisten der Hoffmann Group testete der Automobilzulieferer Werkzeuge, um eine geeignete Frässtrategie zu erarbeiten und die optimale Leistung der Maschine zu ermitteln. Mit dem speziell zur Hartbearbeitung entwickelten Radiusfräser „Diabolo“ von Garant, einer Hoffmann-Werkzeugmarke, konnte ohne erkennbaren Werkzeugverschleiß das Werkstück sechs Stunden geschlichtet werden. Durch den Einsatz des gehärteten Stahles für das Ziehwerkzeug konnte Binder insgesamt rund eineinhalb Wochen, rund zehn Prozent der Bearbeitungszeit, einsparen.

Dass solche leistungsfähigen und produktivitätssteigernden Werkzeuge durch höheren Entwicklungs-, Material- und Produktionsaufwand teurer sein müssen als konventionelle Werkzeuge, liegt eigentlich auf der Hand. Doch Michael Beer relativiert: „ Die Werkzeugkosten sind verglichen mit den gesamten Produktionskosten verschwindend klein – man geht von einem Wert von drei bis fünf Prozent der Gesamtkosten aus. Die Mehrkosten für HSC- und HPC-Werkzeuge liegen im einstelligen Prozentbereich und fallen damit nicht ins Gewicht.“

Auch Iscar-Geschäftsführer Büchner hält höhere Kosten nicht für zwingend: „Nehmen wir zum Beispiel das Helido-Frässystem, so ist eine solche Schneidplatte in der Anschaffung etwa 15 Prozent teurer. Dafür hat die neue Generation jedoch auch zwei Schneiden mehr. Bezogen auf den Schneidenpreis also sogar eine Preisreduzierung für den Kunden, bei deutlich effizienterer Fertigung.“

Dennoch: Um solche High-Tech-Werkzeuge wirklich optimal einsetzen zu können, sind häufig zunächst Investitionen nötig. Denn das Werkzeug arbeitet erst in Kombination mit der entsprechenden Werkzeugmaschine optimal, altgediente Werkzeugmaschinen erreichen mit modernen HSC- und HPC-Werkzeugen häufig ihre Leistungsgrenze. Michael Beer: „Sie müssen hohen Schnittgeschwindigkeiten und Vorschüben standhalten, damit sich die Vorteile der Hightech-Werkzeuge in ihren Einsatzbereichen voll entfalten können. Bei Werkzeugaufnahmen empfiehlt es sich, auf höchste Qualität zu achten, bezüglich Rundlauf, Wuchtgüte und Oberflächen. Schrumpftechnik und HSK-Aufnahmen sind zu bevorzugen.“

Denn das, so die Erfahrung der Experten, ist einer der häufigsten Fehler bei der Werkzeugauswahl: Dass der Anwender nicht das Gesamtsystem Werkzeug-Maschine-Werkstück im Auge hat. Entscheidende Fragen dabei sind, welche Werkstückfamilien produziert werden sollen, welche Bearbeitungen insgesamt durchgeführt werden und wo die Engpass-Stellen sind.

Werkzeugauswahl, Prozessdaten, Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe müssen eng aufeinander abgestimmt sein. Das erfordert ein tiefes Fachwissen im Umgang mit den verwendeten Werkstücken und Werkzeugen. In diesem Sinne sehen sich die Werkzeugspezialisten auch längst nicht mehr nur als bloße Werkzeugverkäufer, sondern bieten komplette Lösungen und Prozessberatung.

Und hierbei sind mit der Optimierung der Werkzeuge die Potenziale in der Fertigung noch lange nicht ausgeschöpft. Das Werkzeug bestimmt zwar die Hauptzeit maßgebend. Doch bis zu 70 Prozent der Bearbeitungszeit entfallen auf Nebenzeiten. Ein Bereich, in dem es noch viele Optimierungsansätze gibt, um vor allem eines zu vermeiden – Muda.Hajo Stotz

Zwischenüberschriften:

Kostentreiber des ­Zerspanungsprozesses

Kosten um 500.000 Euro reduziert

Mehrkosten liegen im ­einstelligen Prozentbereich

Alle Parameter müssen ­aufeinander abgestimmt sein

Studie

Die Hoffmann Group, europaweit führender Systempartner für Qualitätswerkzeuge, hat letztes Jahr deutschlandweit 400 Entscheider aus 400 mittelständischen Unternehmen aus Metallverarbeitung und Maschinenbau mit 50 bis 999 Mitarbeitern unter anderem zu ihren Werkzeugen und Werkzeuglieferanten befragt.

Bei den eingesetzten Zerspanungswerkzeugen führt der Hersteller Sandvik das Ranking an. Er wird von 22,6 Prozent der Befragten am meisten genannt. Werkzeuge aus dem Programm der Hoffmann Group inklusive Garant und Holex werden im Bereich Zerspanung insgesamt von 22,8 Prozent der Befragten am häufigsten eingesetzt. Weitere führende Anbieter sind: Seco (11,2 Prozent); Gühring (7,6); Walter (7,4); Iscar (6,8); Kennametal (6,3); Komet (4,7).

Bei der Werkzeugauswahl sind für die Befragten die Kriterien Lebensdauer (durchschnittliche Bewertung 1,3; Skala 1 = sehr wichtig; 5 = unwichtig) und Präzision (1,4) bei der Auswahl von Werkzeugen wichtiger als das Preis-Leistungs-Verhältnis (1,5). Zudem legen die Unternehmen großen Wert auf Innovationen bei allen Präzisionswerkzeugen und bei Werkstoffen (durchschnittliche Bewertung 2,4). Für 84,8 Prozent ist eine umfassende Beratung ihres Werkzeuglieferanten zu solchen neuen Technologien wichtig oder sehr wichtig.

Kleines Werkzeug-Glossar

CBN: Werkstoff aus polykristallinem kubischem Bornitrid, geeignet auch für Trocken-Bearbeitung von Stahl und Guß.

CVD: Chemical Vapour Deposition; Beschichtung für Werkzeuge

HSC: High-Speed-Cutting; Hochgeschwindigkeitsbearbeitung; Maschinentechnologie, bei der durch eine starke Erhöhung der Schnitt- bzw. der Vorschubgeschwindigkeiten eine drastische Senkung der Hauptzeiten erreicht wird.

HPC: High-Performance-Cutting; Hochleistungszerspanung; Optimierung des Zusammenspiels von Maschine und Werkzeug im Hinblick auf ein hohes Zeitspanungsvolumen.

PKD: Polykristalline-Diamant-Schneidstoffen, ein extrem harter Schneidstoff mit hohem Abrasionswiderstand

PVD: Physical Vapour Deposition; Beschichtung für Werkzeuge

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