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Benchmark-Workshop bei Röders

Fertigungskosten halbiert

in Kooperation mit

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In einer Workshop-Reihe zeigt MOLDINO, wie sich durch eine kundenspezifische Analyse bisher getrennte Fertigungsschritte auf einem einzigen Bearbeitungszentrum für eine optimierte Wirtschaftlichkeit zusammenfassen lassen. In der Auftaktveranstaltung bei Röders in Soltau lieferte ein Benchmarking mit von Kunden gefertigten Formeinsätzen den Beweis.

Wie viele und vor allem welche Bearbeitungsschritte sind notwendig, bis ein bestimmtes Werkzeug montiert und abgemustert werden kann? Auch wenn es sich um ein und dieselbe Konstruktion handeln würde, wird wohl jeder Werkzeugbau diese Frage anders beantworten. Mark Rotzoll vom japanischen Präzisionswerkzeughersteller MOLDINO Tool Engineering kennt die Nöte und Herausforderungen des internen wie auch des selbständigen Werkzeugbaus sehr genau.

Als Prozessoptimierer und Anwendungstechniker betreut er vom ostwestfälischen Herford aus viele namhafte Kunden in der Region. Als Beispiel nennt Rotzoll die Herstellung eines Formeinsatzes, wie er typischerweise in der Elektroindustrie und Branchen mit ähnlichen Anforderungen anzutreffen ist. „Der Fertigungsablauf kann hier nach üblicher Vorgehensweise bis zu zehn einzelne Prozessschritte umfassen.“ Dies beginnt mit dem Weichschruppen des spannungsarm geglühten Rohteils und dem anschließenden Härten. Es folgen Schleifen, Hartschruppen des Restmaterials sowie Vorschlichten und Feinschlichten. „Nach der Fräsbearbeitung wird anschließend oft noch senk- und drahterodiert einschließlich dem Erodierbohren der Startlöcher“, beschreibt Rotzoll den klassischen Prozessablauf, bevor abschließend auf die erforderliche Oberflächengüte poliert werde.

Klassische Prozessabläufe produzieren Ungenauigkeiten

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Kostenverteilung im Werkzeugbau:
In dem Beispielprojekt betrugen die Werkzeugkosten 1.500 Euro, die Fixkosten 7.500 Euro und die spezifischen Produktionskosten vor der Optimierung (Bild 2a) 21.000 Euro (300 h x 70 Euro/h).

Durch die Optimierung (Bild 2b) sanken die spezifischen Produktionskosten auf 10.500 Euro (150 h x 70 Euro/h). Eingespart wurden somit 10.500 Euro.

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Einer der größten Zeitfresser in diesem von ihm skizzierten Gesamtprozess seien die schlecht planbaren Liegezeiten zwischen den Bearbeitungsschritten auf verschiedenen Maschinen. Folge: Verlängerte Durchlaufzeiten mit negativen Auswirkungen auf Kosten und Termine. „Hinzukommt, wenn ich zwischendurch erodiere, muss ich anschließend messen. Denn ich benötige den Nullpunkt, um das Teil wieder richtig anfahren zu können.“ Zudem könnten sich die Positionier-Ungenauigkeiten der Maschinen addieren.

„Durch Umspannen von einer Maschine auf die andere ist jedes Mal mindestens ein μm weg.“ Rotzoll plädiert deshalb dafür, möglichst viele Bearbeitungsschritte so zusammenzufassen, dass diese dann auf nur noch einer einzigen Maschine in einer Aufspannung stattfinden. Er nennt als Stichworte Hartfräsen als Alternative zum Schleifen und Senkerodieren sowie hochpräzises Mikro-Hartbohren bis 66 HRC, was das Drahterodieren von Passungen oft überflüssig machen würde.

„Liege- beziehungsweise Rüstzeiten reduzieren sich so im Idealfall auf das Bestücken der 5-Achs-Maschine mit Werkzeugen, die Werkstückspannung sowie auf das einmalige Umspannen.“ Beim Ermitteln der richtigen Optimierungsstrategie gehen Rotzoll und seine Kollegen stets nach der von MOLDINO primär für den Fräsbereich entwickelten Production50-Methode (P50) vor. Dabei geht es darum, gemeinsam mit den Kunden die bestehenden Bearbeitungsprozesse zu analysieren, um mit diesen Erkenntnissen eine neue Perspektive auf den gesamten Fertigungsprozess zu erhalten. Basierend darauf kann die Wirtschaftlichkeit der Bearbeitung oft erheblich gesteigert werden. Abschließend wird über eine Wirtschaftlichkeitsberechnung der Mehrwert der Umstellung aufgezeigt.

Teilnehmer fertigten Benchmark-Werkstücke

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Der von Mark Rotzoll konstruierte Beispielformeinsatz aus hochfestem, geschliffenem und auf 52 HRC vorgehärtetem Warmarbeitsstahl 1.2343 ESU (X37CrMoV5-1 ESU).

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Die Komplettbearbeitung der Auswerferbohrungen umfasst auch die entsprechenden Freibohrungen.

Das Thema Prozessoptimierung durch Komplettbearbeitung hat MOLDINO zum Anlass genommen, in Zusammenarbeit mit Röders deutschlandweit eine Workshop-Reihe zu starten. Deren Auftaktveranstaltung fand im vergangenen Jahr bei Röders in Soltau statt.

Zu dem gutbesuchten Event hatte sich Rotzoll zusammen mit seinem Herforder Kollegen Andreas Schadeck etwas ganz Besonderes einfallen lassen. Nämlich ein speziell für diese Veranstaltung konstruiertes, praxisnahes Konturwerkstück, dessen 3D-CAD-Daten einigen ausgewählten Teilnehmern im Vorfeld ausgehändigt werden sollte. Verbunden war dies mit der Bitte, dieses Beispielteil mit den in ihrem Haus üblichen Technologien zu fertigen und die benötigten Bearbeitungszeiten sowie alle damit verbundenen Liege- und Transportzeiten zu dokumentieren. Dabei handelte es sich um langjährige MOLDINO-Kunden, die persönlich bekannt waren. Das auf 52 HRC vorgehärtete und vorgeschliffene Rohmaterial wurde mitgeliefert. Die Konstruktion aus hochfestem und vorgehärtetem Warmarbeitsstahl 1.2343 ESU (X37CrMoV5-1 ESU) war der Auswerferseite jenes Formeinsatzes nachempfunden, dessen konventioneller Fertigungsablauf weiter oben im Text von Rotzoll bereits beschrieben wurde.

Die Konstruktion bot einige Herausforderungen: So galt es für die Auswerfer 37 Durchgangsbohrungen mit Toleranz H7 in den Durchmessern 0,6 mm, 0,8 mm, 1 mm, 1,5 mm sowie 2 mm herzustellen. Bei drei weiteren Passungen mit 6 mm Durchmesser betrugen die Toleranzvorgaben 0 bis +3 µm. Auch die seitlichen Dichtbereiche des Formeinsatzes waren anspruchsvoll, insbesondere bezüglich der hohen Anforderung an die Zylindrizität. Dies traf auch auf die drei zu fertigenden optischen Flächen (Spiegelflächen) mit einem geforderten Mittenrauwert von Ra 0,025 µm zu. Deshalb wurde für das Beispielwerkstück die Werkstoffausführung Elektroschlacke umgeschmolzen (ESU) gewählt, weil diese sich sehr gut für das Herstellen von Hochglanzflächen eignet. Ansonsten betrug die Toleranz der Kontur- und Bodenflächen +/- 0,01 mm, die für entsprechende Spritzgussformeinsätze typisch ist.

„Die ausgewählten Teilnehmer hatten das Teil also mit der ihnen jeweils zur Verfügung stehenden Fertigungstechnik hergestellt, alle Schritte dokumentiert und zum Workshop mitgebracht“, erzählt Schadeck. Eine zusätzliche Motivation hierfür sei gewesen, dass ihnen versprochen wurde, dass sie im Nachgang eine individuelle Auswertung hinsichtlich der Vorgehensweise erhalten würden.

Komplettbearbeitung in zwei Aufspannungen

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Die Konturen wurden mit dem 4-schneidigen EPDREH-TH3 vor- und fertiggeschlichtet.

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Nach dem Härten wurden die Formteile mit dem 6-schneidigen EHHRE-TH3 auf ein Aufmaß von 0,15 mm vorbearbeitet.

Auch die drei 6-mm-Passungen waren von MOLDINO mit dieser Frässtrategie hergestellt worden. Für Staunen sorgte bei vielen Teilnehmern auch das verschleißarme Hartfräsen der drei Spiegelflächen des Beispielformeinsatzes mit dem TH3-beschichteten Vollhartmetall-Polygonwerkzeug der neuen EHHRE-Reihe.

„Die gesammelten Daten der Kunden haben wir anonymisiert und hieraus einen Durchschnitt sowie den Besten ermittelt“, beschreibt Rotzoll die Vorgehensweise. „Ohne diese Werte im Vorfeld zu kennen, haben wir uns mit dem identischen und mit unseren Technologien gefertigten Formeinsatz dem Benchmarking gestellt.“ Alle Werkstücke wurden kontur- und auswerferseitig komplett vermessen. „Wir haben alle Durchmesser der H7-Passungen gebohrt.“ Alle Kunden hätten hingegen die Startlöcher per Elektrode hergestellt und das Endmaß dann klassisch drahterodiert. „Wir waren mit allen Bohrungen stets in der Toleranz, viele Kunden auch, einige hingegen nicht.“ Es sollte damit keinesfalls die Botschaft ankommen, sie könnten alles besser, betont Rotzoll. „Es ging uns vielmehr darum zu zeigen, wir können die Toleranz halten – und das in einem Bruchteil der Zeit.“

Und was ist nun dabei herausgekommen? „Es gab unter den Kunden niemand, der den Benchmark-Formeinsatz auf einer einzigen Maschine komplett gefertigt hat“, sagt er. Doch genau dies hatten Rotzoll und Schadeck gemacht, 5-achsig in zwei Aufspannungen. Und zwar auf einer RXP 601 DS im Technikum von Röders, die wie alle Maschinen dieses Herstellers für ihre hohe Dynamik und Genauigkeit bekannt ist.“ Denn gute Werkzeuge laufen nur dann optimal, wenn die Maschine das auch umsetzen kann“, sagt Röders-Vertriebsleiter Oliver Gossel, der in einem gesonderten Programmpunkt des Workshops die Features der neuen Steuerungs-Generation RMS6 präsentierte. Deshalb seien die Maschinen extrem steif, schwingungsstabil und würden über ein ausgefeiltes Temperaturmanagement verfügen. Wichtig sei auch ein sehr schnelles Regelverhalten, Racecut genannt. Der Soll-Ist-Vergleich findet also 32.000 Mal pro Sekunde statt, was sich in höherer Oberflächengüte sowie der Möglichkeit einer weiteren Bearbeitungsreduktion bemerkbar mache. „Diese 32-kHz-Regler werden von uns in allen drei Regelkreisen eingesetzt, also Position, Geschwindigkeit und Strom“, betont der promovierte Ingenieur.“ Damit sind wir in der Regelung doppelt so schnell wie unsere Mitbewerber.“

Doch zurück zur Fertigung des Beispielwerkstücks: Die meisten Bearbeitungsbeispiele wurden im Vorfeld des Workshops hergestellt. Alle diese Schritte wurden dann bei der Präsentation detailliert erläutert. Dabei ging es auch um Grundsätzliches wie die Vor- und Nachteile der Hartbearbeitung, insbesondere des Hartschruppens. Oder wann und bei welchen Randbedingungen nach heutigem Stand auf das Senk- und Drahterodieren verzichtet werden kann und wann nicht. Zudem wurden Highlights auf der Röders-Maschine live gezeigt. Zum Beispiel das Hartbohren der H7-Passungen mit den neuen MOLDINO-Mikrobohrern der EMSBH-ATH-Reihe für die Auswerfer. Oder das Erzielen der notwendigen Zylindrizität respektive Winkeltoleranz bei den Wandungen, also den seitlichen Dichtbereichen, was in Soltau anhand des noch weniger bekannten Stechfräsens gezeigt wurde.

Angussbereich komplett fräsen und bohren

In den Angüssen könne mit dieser Strategie in Materialflussrichtung gearbeitet werden.“ Das begünstigt später das Fließverhalten der eingespritzten Komponente.“ Das Stechfräsen ermögliche einen Minimalspanabtrag, der zu einer sehr guten Konturtreue, Maßhaltigkeit und Oberflächengüte führe, fasste der Werkzeugprofi die Vorteile dieser Frässtrategie zusammen. Das Stechen in Konusrichtung fand mit angestellter vierter und fünfter Achse statt.“ Im Vergleich zum Erodieren haben wir beim Angussteil so eine Zeitersparnis von 46 Prozent erreicht.“

Bei der Komplettbearbeitung des Benchmark-Teils wurde von MOLDINO sowohl auf Kühlschmierstoff als auch auf klassische Minimalmengenschmierung (MMS) verzichtet. Stattdessen ist die Röders-Maschine mit dem Mediumverteiler von MHT (Merz & Haag) ausgerüstet, der bei allen Fertigungsschritten zum Einsatz kam, auch beim Bohren. „Mit dem System habe ich den Vorteil, dass sich das Luftstrom-Schmiermittel-Gemisch direkt an der Schneide befindet“, sagt Rotzoll. Mit positivem Effekt auf Späne- beziehungsweise Staubabfuhr, Oberflächengüte und Standzeit. Da bei diesem System mit Kohlenwasserstoff geschmiert wird, gäbe es keine öligen Rückstände auf dem Werkstück, wie dies bei der MMS der Fall sei. Auch Röders empfiehlt den Mediumverteiler für seine Maschinen.

Sozusagen außer Konkurrenz sei auf dem Workshop dann das Herstellen der Angüsse gelaufen, erzählt Schadeck. Er zeigt auf den oberen Teil des Formeinsatzes, der bei der Konstruktion für die Kunden-Teilnehmer weggelassen worden war. „Wir wollten es nicht noch komplizierter machen als ohnehin schon.“ Zudem sollte die Fertigung des Angussteils ein zusätzliches Schmankerl für den Workshop sein.

Hier galt es acht Tunnelangüsse, vier davon mit Stauboden, herzustellen. Und zwar ausschließlich durch Bohren – mit den EMSBH-ATH-Mikrobohrern – sowie durch Fräsen. Bei Letzterem kam unter anderem die schon erwähnte nanobeschichtete EPDBEH-Kugel zum Einsatz. Zum Pilotieren der Bohrungen für die Angüsse diente der Kugelfräser EPDBEH-TH3. „Beim Fräsen von Angüssen kommt es neben einer hohen Wiederholgenauigkeit und Oberflächenqualität nicht zuletzt auf das gratarme Fräsen an“, wie Rotzoll auf dem Workshop betonte. Dabei wurde beim Schlichten der Angüsse und Anspritzpunkte wieder mit dem angeschwenkten Zirkularstechfräsen gearbeitet. Die geforderte Oberflächenqualität wird hierbei über den Radius in Bezug auf den Werkzeugdurchmesser erzeugt. Das ermöglicht zudem eine größere seitliche Zustellung.“ Der Vorschub unterliegt beim Stechfräsen keiner Dynamik, was besonders bei konischen Konturen sehr effektiv ist“, erklärte er.

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Der Formeinsatz wurde in zwei Aufspannungen auf der 5-Achs-Röders RXP601 DS gefräst, ausgestattet mit dem Mediumverteiler von MHT.

Zufriedene Teilnehmerstimmen

Die Besucher der Auftaktveranstaltung erfuhren also nicht nur viel über optimierte Prozesse, Fertigungsstrategien und neue Werkzeuge, sondern konnten auch eine Menge Know-how mitnehmen. „Mich hat neben den gefrästen Spiegeloberflächen und dem Gesamteindruck des Werkstücks das Kosten-Nutzen-Verhältnis sehr beeindruckt“, sagt Jakob Kehler von Erwin Quarder Systemtechnik in Espelkamp. „Auswerferbohrungen jetzt direkt hartbohren zu können, das verfolgen wir mit Sicherheit weiter. Dies wird künftig wohl ein fester Bestandteil in unserer Fertigung werden.“ Toralf Gross von Körber Technologies aus Hamburg überzeugten vor allem die Production50^®-Auswertungen mit dem direkten Vergleich der Bearbeitungsstrategien. „Aber auch die Vorgehensweisen beim Bohren, Mikrobohren und Stechfräsen waren sehr eindrucksvoll“, unterstreicht Gross. „Zumal die Oberflächengüten bei uns im Tagesgeschäft sehr relevant sind.“ Die extrem genauen Mikrobohrungen mit ihren hohen Oberflächengüten, die prozesssicher mit neuen MOLDINO-Mikrobohrern hergestellt wurden, hatten auch Heinrich Berg von Harting Applied Technologies, ebenfalls in Espelkamp, überzeugt. Außerdem die enormen Möglichkeiten, die das Stechfräsen bieten würde. Dies käme zwar teilweise im eigenen Werkzeugbau schon zum Einsatz, soll nun aber weiter ausgebaut werden.

„Überzeugend fand ich auf dem Workshop zudem das Zusammenspiel aller eingesetzten Komponenten, also Maschine, Werkzeuge, Werkzeugaufnahmen und die Kühlung mit dem MHT-Mediumverteiler.“

Auch für Lars Diekmann vom Werkzeugbau bei WAGO in Minden zählten das Hartbohren und die Stechfrästechnologie zu den Highlights. Genauso das Fräsen von Anspritzungen – sowie das Tech-Center von Röders, das von ihm ein Extralob bekam. „Doch besonders beeindruckt hat mich auf dem Workshop die Reduktion von Liegezeiten.“ Darum sei geplant, künftig verstärkt Kernthemen in Kooperation mit MOLDINO zu analysieren und umzusetzen. Ähnlich äußerten sich die anderen Workshop-Teilnehmer. „Die Zusammenarbeit mit MOLDINO als Partner für zukünftige Verfahrensentwicklung sehen wir als Schlüssel zum Erfolg“, fasst Lars Diekmann zusammen.

Hinweis: Bei den O-Tönen handelt es sich um persönliche Meinungen der genannten Personen und nicht um offizielle Statements der Unternehmen, bei denen sie beschäftigt sind.

Bearbeitungszeit um 60 Prozent gesenkt

Wie lautet nun das Fazit des Benchmarks? „Bei der reinen Bearbeitungszeit sind wir bei diesem Teil von rund 28 Stunden, die von unseren Kunden im Durchschnitt ohne Elektrodenfräsen benötigt wurden, auf knapp 10,5 Stunden herunter gekommen“, bringt Schadeck den Unterschied auf den Punkt. „Mit der von uns entwickelten Vorgehensweise hatten wir im Mittelwert also eine Zeitersparnis von rund 60 Prozent erreicht.“ Rechne man die Liegezeiten von durchschnittlich 300 Stunden mit ein, würde der Unterschied bei der Gesamtdurchlaufzeit noch dramatischer. Kollege Rotzoll weist auf einen weiteren Aspekt hin: „Werkzeuge dieser Größe haben in der Regel 4-fach-, 8-fach- oder 16-fach-Formen. Darum wurde von uns der Prozess hinsichtlich der benötigten Werkzeuge für acht Einsätze ausgelegt.“ Mit einem Werkzeugsatz ließen sich also acht Einsätze herstellen. Dieser Punkt sei extrem wichtig, auch im Hinblick auf einen Kostenvergleich zu alternativen Fertigungsverfahren. „Denn wenige fertigen im Tagesgeschäft nur einen Einsatz.“

Diesen Aspekt berücksichtigt auch die zum Abschluss des Workshops präsentierte Hochrechnung. Danach betrugen die bisherigen Fertigungskosten des Benchmark-Einsatzes im Mittelwert für eine angenommene 8-Fach-Form hochgerechnet 6.832 Euro. Nach der „Production50®-Optimierung“, also durch Komplettbearbeitung auf einer einzigen Maschine, nur noch 3.400 Euro. Das bedeutet eine Ersparnis von 3.432 Euro oder 49,8 Prozent.

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Details zu Material, Oberflächen und Bearbeitungszeiten wurden mit dem Fasenfräser DN2HC-ATH eingraviert.

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Auf der Rückseite lag der Fokus primär auf der Funktionalität und Wirtschaftlichkeit der ebenfalls hartgebohrten Freibohrungen.

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Der von Mark Rotzoll konstruierte Beispielformeinsatz aus hochfestem, geschliffenem und auf 52 HRC vorgehärtetem Warmarbeitsstahl 1.2343 ESU (X37CrMoV5-1 ESU).

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Die Angussseite des Beispielwerkzeugs (Bild 5a): Alle acht Angüsse wurden ausschließlich hartgebohrt und gefräst. So wurde zum Beispiel beim Konus die Strategie Stechfräsen verwendet, die ebenfalls beim Fräsen der drei Passungen mit 6 mm Durchmesser (Bild 5b) zum Einsatz kam. Daneben sind die H7-Auswerferpassungen zu sehen, die ausschließlich hartgebohrt wurden.

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Die 5-achsige Röders RXP601 DS und der auf dem Tisch der C-Achse aufgespannte Beispielformeinsatz. Der hier montierte rote Mediumverteiler von MHT sorgt für die optimale Schmierung, Kühlung sowie Späne-/ Staubabfuhr.

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Der Mediumverteiler von MHT (Merz & Haag) nutzt ein spezielles Düsensystem, um entweder reine Druckluft mit einer kleinen Ölmenge oder ein Kohlenwasserstoffmedium (MV-2) auf das Schneidwerkzeug zu blasen und so optimale Kühlung und eine zuverlässige Span-/Staubabfuhr sicherzustellen.

Kooperation als Schlüssel zum Erfolg

Röders GmbH

Die Röders GmbH ist ein Familienunternehmen in der sechsten Generation aus Niedersachsen und blickt auf eine über 200-jährige Firmentradition zurück. Vor dreißig Jahren gehörte Röders zu den Pionieren bei der Entwicklung hochpräziser HSC-Maschinen für die 3D-Bearbeitung. Mit eigener Steuerungs- und Regelungstechnik erreicht Röders eine außerordentlich hohe Präzision und dynamische Bearbeitung. Zur weiteren Leistungssteigerung wurden Achsregler mit einer Regeltaktfrequenz von 32 kHz entwickelt. Eine äußerst steife Struktur und außergewöhnliche Temperaturstabilität zeichnen die Maschinen von Röders zusätzlich aus. Diese Maschinen sind prädestiniert für die Hartbearbeitung im Werkzeug- und Formenbau und bieten eine exzellente Wirtschaftlichkeit. Darüber hinaus lassen sich auch andere Materialien – von Graphit über Kupfer bis hin zu Hartmetall – effektiv bearbeiten. Neben den Maschinen bietet Röders auch Automationslösungen an.

www.roeders.de

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