Prozesssichere Hartbearbeitung additiv gefertigter Formeinsätze

Die Erich Rothe GmbH & Co. KG, ein Hersteller von Kunststoffverpackungen mit Sitz in Kitzingen, optimiert kontinuierlich seine Spritzgussprozesse. Ein aktuelles Projekt zielte auf die Reduzierung der Zykluszeit durch den Einsatz konturnaher Kühlung in einem Spritzgusswerkzeug für Spulenkörper in der Elektronikfertigung.

Konturnahe Kühlkanäle in Spritzgussformen, auch conformal cooling genannt, folgen – anders als herkömmliche gerade Kanäle – der komplexen Geometrie der Formkavität in geschwungenen Bahnen. Dies ermöglicht eine deutlich effizientere Wärmeabfuhr, lässt sich aber meist nur durch additive Fertigung der Formen realisieren. Bernd Gruber, Leiter Werkzeugbau bei der Erich Rothe GmbH, fand einen Dienstleister, der seinen neuen Entwurf im Pulverbett-Laserschweißverfahren (Laser Powder Bed Fusion - LPBF) fertigen konnte. Aufgrund der additiv bedingten Oberflächenrauheit war eine nachgelagerte Schlichtbearbeitung erforderlich.  

Herausforderung bei der Hartbearbeitung

Der Rohling des Werkzeugeinsatzes bestand aus Uddeholm Tyrax ESR, einem korrosionsbeständigen Premium-Kunststoffformenstahl mit hoher Duktilität, Verschleißbeständigkeit und einer Härte von 58 HRC. „Wir haben uns beim Schlichten des Rohlings an den Vorgaben des Materiallieferanten orientiert, doch das Ergebnis war frustrierend. Die Schneiden des Werkzeugs waren nach fünf Minuten ausgebrochen“, erinnert sich Max Hahn, der Zerspanungsfachmann, der den Rohling auf einer Micron HEM 500U in seine endgültige Form bringen wollte. 

Anpassungen der Schnittparameter führten zu keiner signifikanten Verbesserung, sodass keine wirtschaftlich tragfähige Lösung erreicht wurde. Im Rahmen eines Werkzeugtests kam der 3D-Schlichtfräser HC643FB von Hufschmied Zerspanungssysteme zum Einsatz. Das Werkzeug ist für die Hartbearbeitung von Werkstoffen bis 72 HRC ausgelegt und verfügt über drei ungleich geteilte Schneiden sowie eine abgeflachte Kugelgeometrie, die bis zu 35 % höhere Zustellungen als Kugelfräser ermöglichen soll.

Das Werkzeug besteht aus Ultrafeinstkornhartmetall und hat eine spezielle Mikro-Edge-Geometrie. Die hauseigene 3 µm dicke TL12-Beschichtung aus TiAlSi wird im Arc-PVD-Verfahren aufgebracht (Arc-Physical vapour deposition process). Die Beschichtung hat eine Härte von 3800 HV und zeichnet sich laut Hufschmied durch eine geringe Neigung zur Rissbildung, einen Reibkoeffizienten von 0,7 gegen Stahl und eine maximale Einsatztemperatur von 900 °C aus.

Ergebnisse in der Anwendung

Die Bearbeitung erfolgte in einer 3D-HSC-Z-konstant-Strategie mit abgestimmten Schnittwerten. Ziel war eine durchgängige, prozesssichere Bearbeitung ohne Werkzeugwechsel. Dieses Ziel wurde erreicht: „Wir haben uns eines der Hufschmiedwerkzeuge nach 15 Stunden Einsatz unter dem Mikroskop angeschaut, und es war wie neu“, erinnert sich Max Hahn. Die Standzeit lag letztlich bei mindestens 18 Stunden.

Fokus auf Prozesssicherheit

Für den Anwender stand in diesem Projekt die Prozesssicherheit im Vordergrund, da es sich um ein Einzelteil handelte. Eine weitere Steigerung der Produktivität durch höhere Schnittgeschwindigkeiten wäre grundsätzlich möglich, wurde jedoch zugunsten maximaler Stabilität in diesem ersten Schritt nicht priorisiert.

Die positiven Ergebnisse führten dazu, dass die Hartbearbeitungswerkzeuge von Hufschmied inzwischen regelmäßig eingesetzt und auch für weitere Anwendungen getestet werden.