Die Düsenseite des einbaufertigen SpeChip-Werkzeugs.

Ausgabe 09 | 2022

Viele Herausforderungen gemeistert

Moldino Tool Engineering Europe GmbH

Mit hochkomplexen Konturbereichen, die kleinste Fräserdurchmesser erforderten, 5-µm-Genauigkeit an 384 Messfeldern und extrem langen Maschinenlaufzeiten erwies sich das Werkzeug für den mikrofluidischen Probenträger SpeChip als sehr anspruchsvoll. Dank kompetenter Unterstützung durch MOLDINO bewältigte der Werkzeugbau bei Erwin Quarder Systemtechnik das herausfordernde Projekt.

Die Wurzeln der heute weltweit agierenden Unternehmensgruppe liegen im Werkzeugbau, der von Erwin Quarder 1971 D-32339 Espelkamp gegründet wurde. Kernkompetenz der Gruppe mit insgesamt 1100 Mitarbeitern ist die Produktentwicklung, die Spritzguss-Werkzeugtechnik, der Aufbau einer automatisierten Fertigung sowie die weltweite Produktion von Kunststoff-Hybridbauteilen für Automotivanwendungen. Hierzu zählt auch die MID-Technik (Molded Interconnect Devices) sowie die Reinraumfertigung. Der Werkzeugbau gehört zur Erwin Quarder Systemtechnik GmbH, die am Standort Espelkamp 530 Mitarbeiter beschäftigt. Die Werkzeuge werden sowohl bei Quarder selbst als auch von externen Kunden eingesetzt.

Spritzprägen verbessert die optischen Eigenschaften
Ein Musterbeispiel für das Know-how der Ostwestfalen ist das SpeChip-Werkzeug, an dessen werkzeugbaulicher Umsetzung die Erwin Quarder Systemtechnik GmbH massgeblich beteiligt war. «Mit einer Toleranz von plus 5 µm zu fräsen, ist eine Sache. Aber an 384 verschiedenen Stellen – dies war für uns schon eine echte Herausforderung», erinnert sich Jakob Kehler, CAM-Programmierer im Werkzeugbau und dort auch Leiter der Fräsabteilung. «Hinzu kam, dass wir wegen der Komplexität und Dimension der Konturbereiche fast ausschliesslich mit sehr kleinen Durchmessern unterhalb von 1 mm fräsen mussten.»
Deshalb wurde das Werkzeug für das Spritzprägeverfahren ausgelegt. Dieses Niederdruckverfahren bietet gerade bei lichttechnischen Anwendungen Vorteile. Der Werkzeuginnendruck verteilt sich hier gleichmässiger, was Spannungen im Kunststoff minimiert. Nachdem die Konstruktion stand, galt es zunächst herauszufinden, wie lange die Bearbeitung insgesamt dauern würde. Darum wurde zunächst ein kleines Testwerkstück mit nur sechs Probenkanälen plus den Messfeldern gefräst: Einmal als Demonstration, ob es klappt, zum anderen, um die hierfür benötigte Zeit auf die Gesamtbearbeitungszeit hochrechnen zu können. Der Test verlief auf Anhieb erfolgreich – auch dank der Unterstützung von MOLDINO.
«Wir begannen vor etwa zweieinhalb Jahren – also kurz vor dem Start des SpeChip-Projekts – damit, die HSC-Bearbeitung und hier insbesondere das hochgenaue Hartfräsen stark auszubauen», blickt Jakob Kehler zurück. «So sollte auch zu grossen Teilen das Senkerodieren durch Fräsen ersetzt werden.» Mark Rotzoll hatte als Prozessoptimierer, wie sich die Anwendungstechniker des japanischen Präzisionswerkzeug-Herstellers MOLDINO (früher MMC Hitachi Tool) verstehen, diesen Umstellungsprozess intensiv begleitet. Deshalb bot er auch beim SpeChip-Projekt sofort seine Unterstützung an.

Lohnfertiger winkten sofort ab
Hochrechnungen ergaben, dass die Ostwestfalen für jede Werkzeughälfte 200 bis 300 Stunden benötigen würden, was natürlich extrem viel war. Da die eigene Maschinenkapazität nicht so lange an dieses Projekt gebunden werden sollte, wurde bei Fertigungsdienstleistern nachgefragt.
Allerdings war jeder, der das Bauteil sah, sofort skeptisch. Denn dies hätte bedeutet, dass eine Maschine für ein bis zwei Monate dauerhaft belegt wäre. Also ist entschieden worden, das SpeChip-Werkzeug in Espelkamp zu fertigen. Allerdings blockweise, damit die Maschine zwischendurch auch für andere Aufträge zur Verfügung stand.
«Ein Glücksfall war, dass uns mit Mark Rotzoll jemand zur Seite stand, der bei der Prozessgestaltung beim Hartfräsen komplexer Geometrien sehr viel Erfahrung mitbrachte», unterstreicht Jakob Kehler. «Dieses Know-how war für uns sehr wichtig – denn die hohen Anforderungen des SpeChip-Werkzeugs liessen eigentlich keine Fehlertoleranz bei der Prozessgestaltung zu.» Als Werkstoff für das SpeChip-Werkzeug wurde der korrosionsarme, auf 48 + 2 HRC vorgehärtete Kunststoffformenstahl 1.2083 ESU ausgewählt, der per Elektroschlacke-Umschmelzverfahren hergestellt wird.

Die richtige Strategie ist entscheidend
Gemäss dem von MOLDINO entwickelten Production50®-Fertigungskonzept legte Mark Rotzoll zu Beginn die grundsätzliche Strategie fest, also an welcher Stelle mit dem Fräsen begonnen wird und welche Schritte folgen. Die Auswahl der geeigneten MOLDINO-Fräswerkzeuge erfolgte sukzessive nach Bearbeitungsfortschritt. Dabei kamen hauptsächlich der EHHR-Fräser mit Polygongeometrie, die Torusfräser EPDRF und EPDRE sowie die Kugelfräser EPDBE, EPDBPE und EPDBEH in den Durchmesserbereichen 0,2 bis 1 mm zum Einsatz. Hier ging es darum, die komplexen Bearbeitungsfolgen, die jeweiligen Werkzeuge und die meist sehr langen Laufzeiten exakt aufeinander abzustimmen. Dabei ist von Vorteil, dass nicht zu viele verschiedene Werkzeuge aufeinander folgen. Aus diesem Grund hatte der Prozessoptimierer entschieden, hier von vornherein mit kleinen Werkzeugen anzufangen. Beim Schruppen kamen insgesamt drei verschiedene Durchmesser zum Einsatz: Der kleinste Durchmesser war 0,6 mm zum Fertigschruppen, ein zweischneidiger Torusfräser EPDRE mit 4 mm Nutzlänge. Um homogene Aufmasse für das Fertigschlichten zu erzeugen, wurde anschliessend zunächst vorgeschlichtet.
Für alle 384 Messflächen war ein Mittenrauwert von Ra 0,2 bis 0,5 µm vorgegeben, also glänzende Oberflächen. «An diesen Stellen habe ich minimale Schutzflächen aufgelegt. So liegt ein kleines zusätzliches Aufmass vor, um dann anschliessend die Hochglanzoberflächen zu erzeugen», erläutert Mark Rotzoll. Hier hatten er und Jakob Kehler anhand des Testwerkstücks zuvor verschiedene Vorgehensweisen ausprobiert. «Das beste Resultat brachte dann der EHHR-Fräser mit Ø 1 mm – mit diesem Polygonfräser liessen sich in flachen Bereichen sehr gute Oberflächen erzielen. Der Clou dabei war, dass wir das Werkzeug mit 0,1 ° minimal angestellt haben.» Damit ist dann auf Endmass gegangen worden. Diese Glanzflächen wurden ganz zum Schluss mit Minimalmengenschmierung gefräst – das hat die allerbesten Ergebnisse gebracht.
Ansonsten ist bei dem Projekt ausschliesslich mit Luft gearbeitet worden. Dabei kam bei allen Fertigungsschritten der Mediumverteiler von MHT (Merz & Haag) zum Einsatz. Dieser sorgt auch dafür, dass die Späne beziehungsweise der Staub zuverlässig abgeführt werden. Doch warum war bei allen 384 Messfeldern die erlaubte Toleranz zueinander und in den Höhenunterschieden mit 0 bis 5 µm so extrem niedrig ausgelegt? Weil durch den durchsichtigen Kunststoff UV-Licht hindurch strahlt. Die Lichtabweichung darf aber nur bei 0,2 Prozent liegen.

Schweissrippen mit 0,2-mm-Kugelfräser
Die 0,2 mm Rippen werden am Artikel per Ultraschall mit einer Folie verschweisst. «Bei diesen sehr kleinen und extrem dünnen Schweissrippen haben wir zum Fräsen der Tiefen EPDBEH-Kugelfräser mit Ø 0,2 mm eingesetzt. Diese mit der neuentwickelten TH3-Nano-Beschichtung versehenen Werkzeuge verfügen über zwei Schneiden mit jeweils zweistufigem Freiwinkel», berichtet Jakob Kehler.
«Das erhöht die Standzeit um ein Vielfaches und verbessert die Konturtreue unter Verschleiss. So benötigten wir für die 31 Bearbeitungsstunden 15 EPDBEH-Fräser.»
Für jeden einzelnen der insgesamt 51 Bearbeitungsschritte wurden von Mark Rotzoll die jeweiligen MOLDINO-Werkzeuge ausgewählt, die Fräswege am eigenen CAM-Arbeitsplatz (Autodesk PowerMILL) programmiert sowie die Laufzeiten abgeschätzt. Diese Informationen gab er an Jakob Kehler weiter, der dann diese Fräswege in seinem CAM-System (Cimatron) abbildete. Die Programmier- und Fräsarbeiten fanden Anfang 2021 etappenweise über einen Zeitraum von rund zwei Monaten statt. Gefräst wurde auf einer der beiden 5-achsigen Röders RXP601DSH, die bei Erwin Quarder Bestandteil einer Fertigungszelle sind, ebenfalls von Röders. Die Fertigungshalle ist temperiert.
In diesem Zusammenhang weisen die Ostwestfalen auf das Thema Schwesterwerkzeuge hin, das alleine schon wegen der 384 Messfelder eine wichtige Rolle gespielt hat: Die Röders-Maschine hat eine spezielle Messvorrichtung, sodass alle Werkzeuge exakt die gleiche Länge haben. Nur so konnten die 5-µm-Toleranzen eingehalten werden. 710 Stunden wurden insgesamt benötigt, um dieses komplexe Werkzeug zu fräsen. «Früher wäre so ein Werkzeug mit Grafit senkerodiert und die rauen Funktionsflächen anschliessend per Hand zum Preis von rund 14’000 Euro durch einen Dienstleister poliert worden. So hätten wir allerdings nie die hohen Genauigkeiten erzielt, die wir heute durch das Fräsen erreichen», zieht Jakob Kehler ein positives Fazit. «Trotz der vielen Herausforderungen war das SpeChip-Projekt ein toller Erfolg. Ohne die MOLDINO-Werkzeuge und vor allem die Unterstützung von Mark Rotzoll hätten wir es aber nicht stemmen können.»

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