Es klingt fast wie ein Traum: 300 Prozent Produktivitätssteigerung durch die Anwendung des Hochgeschwindigkeitsfräsens (HSC). Dass es wirklich funktioniert, wurde jetzt in Thüringen nachgewiesen. Ein Technologievergleich der aktuellen Trennverfahren Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden und HSC-Fräsen bei der Bearbeitung von Aluminiumblechtafeln und Verbundkunststoffen brachte überraschende Ergebnisse.

Das Bearbeiten von Präzisionsteilen aus Aluminiumblechtafeln von zwei bis zwanzig Millimetern Stärke lässt sich durch Hochgeschwindigkeitsfräsen (HSC) wesentlich effektiver realisieren als mit CO2-Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden. Das konnte die Pelzer Maschinenbau und CNC-Zerspanungstechnik GmbH in Jena nachweisen.

Untersucht wurde die Bearbeitung eines acht Millimeter dicken Aluminium-Plattenmaterials auf dem HSC-Plattenbearbeitungszentrum »HPR 3000 linear« des Unternehmens Reichenbacher Hamuel GmbH. Die ersten Untersuchungen erfolgten an einem typischen Aluminium-Werkstück mit einer Losgröße von 300 Stück – einer Heizplatte. Nach Erfassen der Fertigungszeiten wurden die Kosten pro Stück errechnet. Bei Variante 1 konnte mit dem CO2-Laserschneiden eine Heizplatte in 12,55 Minuten für 13,71 Euro gefertigt werden. Beim abrasiven Wasserstrahlschneiden wich die Fertigungszeit mit 12,57 Minuten pro Stück davon nur minimal ab; die Kosten lagen bei 15,68 Euro. Beim Umrissfräsen mit dem HSC-Verfahren gelang es, die Fertigungszeit auf 2,36 Minuten und die Kosten rapide auf 4,49 Euro pro Stück zu senken. Damit kann das Trennen von Plattenmaterial eindeutig effizienter gestaltet werden. Zudem erhöhen sich die Qualität des Trennschnittes und die Konturgenauigkeit am Werkstück.

Bertram Pelzer, Inhaber der gleichnamigen Firma, fasst die erzielten Vorteile zusammen: »Das Besondere von HSC ist ein um bis zu dreißig Prozent höheres Zeitspanvolumen, fünf- bis zehnmal höhere Vorschubgeschwindigkeiten und viel geringere Schnittkräfte. Ein Verzug durch Erwärmung beim Zerspanungsprozess wird verhindert, da die Schnittgeschwindigkeit größer ist als die Wärmeleitgeschwindigkeit. Bei Anwendung des HSC-Fräsens lassen sich im Vergleich zum Laserschneiden und Wasserstrahlschneiden Arbeitsproduktivitätserhöhungen von 300 bis 500 Prozent realisieren. Das ist einfach unschlagbar.«

Werden Vor- und Nachteile der drei Verfahren gegenübergestellt, dann punktet das HSC-Fräsen mit vielen Vorzügen und weist nur wenige Schwachstellen auf. Die bemerkenswertesten Vorteile des HSC-Fräsens gegenüber den anderen beiden Verfahren sind die hohe Maßgenauigkeit in einem Toleranzbereich von 0,03 Millimetern, winklige und saubere Schnitte und das sehr viel größere Werkstückspektrum. Außerdem treten keine Material- bzw. Oberflächenverfestigungen an den Schnittkanten auf. Die Bearbeitungszeit kann radikal verkürzt werden, auch weil verschiedene Konstruktionselemente wie Pass- und Gewindebohrungen sowie Fasen in einer Aufspannung am Werkstück möglich sind. Diese Komplettbearbeitung senkt die Fertigungszeiten und folglich auch die Kosten ganz beträchtlich. Vorteilhaft ist zudem, dass sich der Investitionsaufwand halbiert, die Betriebskosten erheblich gesenkt werden und ein geringerer Maschinenstundensatz möglich wird. Einen Nachteil hat das HSC-Fräsen allerdings: Es sind keine scharfkantigen Innenkonturen möglich. Hier schneiden das Laser- (0,15 mm) und das Wasserstrahlschneiden (0,5 mm) besser ab, denn diese Verfahren ermöglichen kleinere Innenradien von 0,15 bis 0,5 Millimetern.

Der wesentlichste Nachteil der Fertigungsverfahren Laser- und Wasserstrahlschneiden besteht darin, dass die ausgeschnittenen Halbwerkzeuge nicht im gleichen Bearbeitungsprozess mit weiteren Konstruktionsmerkmalen versehen werden können. Das erhöht die Fertigungszeit und führt zu einer relativ schlechten Konturgenauigkeit. Beim Laserschneiden ist eine Maßgenauigkeit in einem Toleranzbereich von 0,1 Millimetern und beim Wasserstrahlschneiden von 0,2 Millimetern erreichbar.

Die Vorschubgeschwindigkeitskennlinien der Fertigungsverfahren Laser- und Wasserstrahlschneiden unterscheiden sich sehr stark von der Kennlinie der HSC-Bearbeitung. Die Vorschubgeschwindigkeit ist von Materialart und Materialstärke abhängig. Eine falsch gewählte Vorschubgeschwindigkeit kann beim Laser- und Wasserstrahlschneiden zu Rauhigkeiten, Gratbildung und Unwinkligkeiten an der geschnittenen Kontur führen. Ein zu schnelles Schneiden der Kontur kann bewirken, dass das Material gar nicht mehr getrennt wird. Bei den Fertigungsverfahren Laser- und Wasserstrahlschneiden ist die Schnittgeschwindigkeit mit zunehmender Materialdicke grundsätzlich zu reduzieren.

Ganz anders verhält es sich bei der HSC-Fräsbearbeitung. Hier bleibt die Vorschubgeschwindigkeit über den größten Teil der Blechdicken konstant hoch. Dieser erhebliche Vorteil gegenüber den anderen Bearbeitungsverfahren entsteht durch die konstant bleibenden Zustelltiefen des Fräsers, der im Bereich des 0,5-fachen Durchmessers des Fräswerkzeuges liegt. Daraus resultiert zwar ein verlängerter Vorschubweg – durch die mehrmalige Bearbeitung der Werkstückkontur in mehreren Zustelltiefen. Dieser Nachteil wird allerdings durch die gleichbleibend sehr hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit gegenüber den beiden anderen Verfahren nicht nur aufgehoben, sondern mehr als wettgemacht.

Der Bereich des effektiven und wirtschaftlichen Bearbeitens von Plattenmaterial für die Verfahren Laser- und Wasserstrahlschneiden liegt in einem Bereich von ca. 1 bis 6 Millimeter Materialstärke. Der Materialstärkenbereich des HSC-Fräsens liegt auf der neuen Anlage dagegen im Bereich zwischen 2 und 20 Millimetern, womit ein wesentlich größeres Platten- und damit Werkstückspektrum als mit Laser- und Wasserschneidanlagen abgedeckt werden kann.

Bertram Pelzer beschreibt, wie er die Auslastung der HSC-Fräsanlage plant: »Anhand von Kundenanfragen nach repräsentativen Werkstücken nehmen wir an, dass mit der neuen Anlage 85 % Aluminiumbleche und 15 % Kunststoff- sowie Verbundwerkstoffplatten bearbeiten werden. Durch die konstant hohen Vorschubwerte bei der HSC-Bearbeitung sparen wir gegenüber dem Laser- und Wasserstrahlschneiden Zeit und Kosten und erzielen somit einen enormen Wettbewerbsvorteil.« Das HSC-Plattenbearbeitungszentrum »HPR 3000 linear« des Unternehmens Reichenbacher Hamuel GmbH wurde als Kooperationsprojekt mit der Pelzer GmbH und Hugo Reckerth GmbH – einem Hersteller von Werkzeugspindeln – in drei Jahren realisiert. Dabei entwickelte Pelzer die Technologie und arbeitet seitdem an deren Verbesserung. Bertram Pelzer erläutert: »Wir haben Erfahrungen mit Hochfrequenzfräs-Spindeln mit 40.000 und 60.000 Umdrehungen pro Minute und werden demnächst mit einer 100.000-er Spindel Versuche fahren. Auch eine Mehrspindelbearbeitung ist eine Option.«

Das Produktangebot an Fräswerkzeugen umfasst derzeit tausend verschiedene Typen mit einer Vielzahl an Geometrien für die CNC-Fräsbearbeitung bis ca. 20.000 Umdrehungen pro Minute. Der Einsatz dieser Werkzeuge ist bei der HSC-Fräsbearbeitung bei Drehzahlen bis zu 40.000 bis 60.000 Umdrehungen pro Minute nicht mehr möglich. Hier sind Fräser mit optimierter Schneidengeometrie gefragt, deren Schneidstoff mit modernsten Beschichtungstechnologien verbessert wurde. Mit diesen Fräswerkzeugen könnten das Zerspanvolumen gesteigert, die Zerspankräfte gesenkt und eine hohe Oberflächenqualität bei geringen Fertigungszeiten erreicht werden. Diesem Zweck diente die Entwicklung neuer Fräswerkzeuge mit einem Durchmesser von 2 bis 10 Millimetern. Die »HPR 3000 linear« ermöglicht diese effiziente Bearbeitung auch deshalb, weil die Entwickler einige Weltneuheiten integrierten: den Linearmotor mit bis zu 1,2-g-Beschleunigung, die superschnelle Siemens-Sinumerik-Steuerung, die mit einem 30-Meter-Vorschub konturgenau und maßgetreu fräsen kann, und den leichten Aluminiumschaum-Werkstoff, aus dem die bewegten Teile bestehen. Diese bewegten Teile sind dadurch leicht, schwingungsgedämpft und dynamisch – auch bei einem langen Fahrweg. Eine NC-gesteuerte Absaugglocke mit integrierter Sperrluft sorgt für eine maximale Spanabsaugung. Der Arbeitsbereich bleibt so während des Fräsprozesses praktisch immer sauber und damit wartungsfrei, denn in der Werkzeugspindel ist zusätzlich eine Drehdurchführung für Spül-Luft zur Spanaustreibung am Werkzeug eingefügt. Bertram Pelzer: »Für die bequeme Beschickung der Anlage setzen wir einen kombinierten Vakuum-Luftkissentisch ein – auch um die großen Formatplatten zu spannen.«

Auf der HSC-Anlage werden gewalzte Aluminiumlegierungen und feinstgefräste Gussplatten für den Flugzeug-, Maschinen- sowie den Gerätebau bearbeitet. Typische Werkstücke sind z. B. Integralbauteile. Sie weisen neben einer sehr hohen Zerspanungsrate auch noch schwierige Werkstückgeometrien sowie sehr dünnwandige, teilweise freistehende Stege auf. Zudem lassen sie sich mit einer hohen Oberflächengüte herstellen. Diese Werkstoffe werden zurzeit mit VHM-Schaftfräsern im Durchmesserbereich von 2 bis 10 Millimetern bearbeitet. Gefräst werden können Werkstücke aus Aluminium, Messing und aus Verbundkunststoffen.

Drei Trennverfahren im Vergleich

CO2-Laserschneiden

Laserschneiden ist ein thermisches Trennverfahren für plattenförmiges Material – meist Metallbleche –, aber auch für Rohre oder Profile. Das Verfahren wird eingesetzt, wenn Werkstücke mit komplexen Geometrien eine präzise und schnelle Verarbeitung (10 m/min) und nahezu kraftfreie Bearbeitung erfordern. Derzeit liegen die maximal verarbeitbaren Plattenstärken für Stahl bei etwa 25 Millimetern, bei Aluminium sind es etwa acht Millimeter. Kupfer und andere gute Wärmeleiter sind schwer oder nicht mit dem CO2-Laser schneidbar. Beim Laserschneiden von Stahl findet an den Schnittkanten aufgrund der hohen zeitlichen Temperaturgradienten eine Aufhärtung statt, die bei der weiteren Bearbeitung Probleme bereiten kann. So beeinträchtigen z. B. die an den Schnittkanten verbleibenden Oxidschichten unter Umständen das Schweißen.

Wasserstrahlschneiden

Bei dem Verfahren Wasserstrahlschneiden wird das Material durch einen Hochdruckwasserstrahl getrennt. Dieser Strahl kann einen Druck von bis zu 6.000 Bar, eine Austrittsgeschwindigkeiten von bis zu 1000 Metern pro Sekunde und einen Schalldruck von bis zu 130 Dezibel erreichen. Die Bearbeitung erfolgt fast ohne Erwärmung des Schneidguts. Beim Wasserstrahlschneiden unterscheidet man zwei Verfahren: das Reinwasserschneiden und das Abrasiv-Wasserstrahlschneiden.

Abrasivschneiden

Zur Erhöhung der Schneidleistung bei härteren Materialien wird dem Strahl häufig ein Schneidmittel – ein Abrasiv – zugesetzt. Mit diesem Verfahren können fast alle Materialien ohne Gefügeveränderungen an den Schnittkanten bearbeitet werden: angefangen beim Schaumstoff bis hin zum Saphir. Häufige Anwendungsgebiete sind die Kunststoff- und die Metallbearbeitung sowie Zweikomponenten-Werkstück, wie z. B. ein Keramik-Metallmix.

HSC-Fräsen

Der Begriff Hochgeschwindigkeitszerspanung oder auch High Speed Cutting (HSC) bezeichnet in der Metallverarbeitung mit CNC-Fräsmaschinen ein Zerspanungsverfahren, bei dem die Schnittgeschwindigkeiten, Werkzeugdrehzahlen und Bahngeschwindigkeiten um ein Vielfaches höher sind als bei der konventionellen Zerspanungsbearbeitung. Die HSC-Technologie kommt zur Anwendung, wenn hohe Anforderungen an die Zerspanleistung und die Oberflächenqualität gestellt werden. Das Besondere beim HSC ist ein um bis zu 30 Prozent höheres Zeitspanvolumen [qcm/min], fünf- bis zehnmal höhere Vorschubgeschwindigkeiten und bis um das Dreißigfache geringere Schnittkräfte.
Dies ermöglicht die Bearbeitung dünnwandiger Werkstücke. Die Oberflächenqualität steigt. Ein Verzug durch Erwärmung beim Zerspanungsprozess tritt nicht auf, da die Schnittgeschwindigkeit größer ist als die Wärmeleitgeschwindigkeit und dadurch die Wärme im Span verbleibt. Große Einsparpotenziale gegenüber konventioneller Fertigung liegen sowohl beim Vorschruppen (durch hohe Zerspanleistung) als auch beim Schlichten (durch hohe Oberflächengüte). Das HSC-Fräsen setzt man auch ein bei der Bearbeitung von Aluminium-Werkstücken mit geringen Wandstärken, die z. B. in der Luft- und Raumfahrt benötigt werden.

Janette Junghanns