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Paul Horn GmbH Blog

Erleben Sie HORN

Vom Werkzeug zur Lösung

September 2021
02
Autor: paulhorn
Firma: Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH

Die Gefahr der Tröpfcheninfektion des Coronaviruses SARS-CoV2 ist durch das Tragen eines Mund- und Nasenschutzes erheblich reduziert. Für den enormen Bedarf an Masken in Deutschland sind zahlreiche Unternehmen dabei, Produkte und Lösungen herzustellen, um dieser Herausforderung gerecht zu werden. Eine Firma davon ist die Weber Ultrasonics AG aus dem badischen Karlsbad. Weber zählt zu den führenden Herstellern von Ultraschall-Schweißequipment für die Maskenproduktion. Zur Erhöhung der Prozesssicherheit bei der Zerspanung von Bauteilen aus teilweise schwer zerspanbaren Werkstoffen setzten die Verantwortlichen um den Produktionsleiter Sebastian Weiss mehrere Stellschrauben an. Hier stand das bisher eingesetzte Werkzeugkonzept eines wichtigen Axialeinstiches im Fokus. Neben neuen Werkzeugen wechselten die Badener auch gleich noch den Kühlschmierstoff. Mit HORN und dem Schmierstoffhersteller Zeller+Gmelin haben sie hierfür die passenden Partner gefunden.

Bis Ende Juni 2021 soll Deutschland laut dem Bundeswirtschaftsministerium in der Lage sein, bis zu sieben Milliarden Schutzmasken im Jahr zu produzieren. Dazu zählen dem Bericht zufolge zertifizierte FFP2, FFP3 und medizinische Gesichtsmasken. Hierfür investiert das Ministerium über 60 Millionen Euro an Fördermitteln. Ziel des Bundesförderungsprogramms von Produktionslagen persönlicher Schutzausrüstung und dem Patientenschutz dienen­der Medizinprodukte sowie deren Vorprodukte ist die Sicherstellung der ausreichenden Verfügbarkeit von persönlichen und medizinischen Schutzausrüstungen zur Bekämpfung der Corona-Pandemie. In einem ersten Schritt werden mit der „Förderrichtlinie Schutzausrüstung“ somit Investitionen in den Auf- und Ausbau von Anlagen zur Produktion von Filtervlies im Meltblown-Verfahren gefördert. Soweit der Hersteller die Masken als Medizinprodukt ausschließlich zu medizinischen Zwecken herstellt, unterliegen sie der europäischen Medizinprodukte-Richtlinie und müssen die entsprechenden Anforderungen der Verordnung über Medizinprodukte erfüllen.

Für die Herstellung von medizinischen Masken aus Nonwovensmaterialien und bei medizinischen Bauteilen wie Membranen, Adapter und Konnektoren, Funktionsbauteilen, Blutfilter oder chirurgischen Instrumenten kommt das Ultraschallschweißen zum Einsatz. Aber auch medizinische Verpackungen und Produkte für die medizinische Wundheilung und Hygiene stellen besondere Anforderungen an die Schweiß- und Siegelqualität.

Während des Schweißprozesses werden mechanische Schwingungen einer Ultraschallfrequenz in die zu schweißenden Materialien über ein spezifisches Werkzeug, die Sonotrode, eingeleitet. Durch Molekular- und Grenzflächenreibung entsteht Wärme und der Kunststoff schmilzt gezielt an der von der Sonotrode vorgegebenen Stelle. Am Ende des Schweißvorgangs ist eine kurze Abkühlphase unter dem noch anstehenden Fügedruck notwendig, um das zuvor plastifizierte Material homogen zu verfestigen. Danach können die verbundenen Teile sofort weiterbearbeitet werden.

Wichtiger Axialeinstich

Weber Ultrasonics fertigt alle Bauteile und Baugruppen seiner Ultraschallanlagen selbst. Für ein Titan-Bauteil des sogenannten Konverters machten sich die Zerspaner bei Weber Sorgen um die Prozesssicherheit des Axialeinstiches. Der Einstich hat die Funktion einer Schallentkopplung vom Konvertergehäuse und weist besondere Anforderungen an Präzision und Oberflächengüte auf. „Wir fertigen das Konverterunterteil in verschiedenen Varianten. Das Bauteil wird je nach Einsatzzweck durch eine FEM-Analyse berechnet. Die hohe Präzision und Oberflächengüte benötigen wir für eine gleichmäßige Schwingung“,  Weiss. Eines der wichtigsten Merkmale schwingungsrelevanter Teile ist, dass die Schwingungen nur in axialer Richtung übertragen werden dürfen und nicht in radialer Richtung. Beim Fertigen des wichtigen Axialeinstiches gab es Probleme mit der gleichmäßigen Präzision, der Standzeit und ungewünschten Vibrationen am Werkzeug (Schwingungen), welche zu Rattermarken an der Oberfläche der tiefen Einstiche führte.

Nach der genauen Betrachtung des Ist-Zustandes des Zerspanungsprozesses wandte sich der Teamleiter der mechanischen Fertigung Robin Roos an den Außendienst von HORN. Jürgen Schmid, Produkt- und Projektleiter Vertrieb, nahm den Stechprozess unter die Lupe und schlug vor, das HORN-Axialstechsystem S15A zu testen. „Aufgrund der zahlreichen Varianten der Konverterunterteile setzen wir ebenfalls ein Kassettenspannsystem ein, um die Rüstzeiten zu kürzen und die Flexibilität zu steigern“, erzählt Schmid. Schon nach den ersten Versuchen zeigte sich eine deutliche  Verbesserung der Standzeit, Prozesssicherheit sowie eine Verbesserung der Oberflächengüte. „Das Problem bei den vorher eingesetzten Werkzeugen war, dass die Standzeit zwischen 2 und 100 Einstichen lag. Die HORN-Schneidplatte lief auf Anhieb sehr stabil“, so Roos.

Neuer Kühlschmierstoff

Darüber hinaus schlug Schmid vor, den eingesetzten Kühlschmierstoff (KSS) durch eine neue Entwicklung des Schmierstoffherstellers Zeller+Gmelin zu ersetzen. Der KSS mit dem Namen Zubora TTS ist durch ein gemeinsames Projekt zwischen HORN, Zeller+Gmelin und einem großen Maschinenhersteller entstanden. „Die Idee des Projektes war, einen neuen und leistungsfähigeren KSS für die Zerspanung von Superlegierungen zu entwickeln. Das hat Zeller+Gmelin mit der Entwicklung des neuen KSS geschafft. Ebenfalls ist es hervorzuheben, dass hierbei alle Erfahrungen von dem Schmierstoffhersteller, dem Maschinenbauer und dem Werkzeughersteller mit in die Entwicklung eingeflossen sind“, erklärt Schmid. „Nach den erfolgreichen Tests in verschiedenen Superlegierungen stand nun der erste Feldversuch bei Weber Ultrasonics an“, sagt der zuständige Produktmanager von Zeller+Gmelin, Thorsten Wechmann und führt fort: „Durch den Einsatz von Zubora TTS konnte die Werkzeugstandzeit signifikant erhöht werden. Die komplett neuartige Formulierung führt neben einer Standzeiterhöhung zu einer Verbesserung der Oberflächengüte des Bauteils. Darüber hinaus war es möglich, die Schnittparameter zu erhöhen und dadurch die Rentabilität nachhaltig zu steigern.“

Durch diesen gemeinsamen Erfolg ersetzte Weiss alle vorher eingesetzten Werkzeuge für den Axialeinstich durch das System von HORN. „Wir wollten die Werkzeuge nur noch von einem Hersteller – gleiches System – kürzere Rüstzeiten – mehr Sicherheit“, so Weiss. Die Axialstechplatten des Systems S15A mit einem Vollradius verwendet Weiss in den Schneidbreiten 2 mm und 3 mm. Für die Bearbeitung von Titan und weiteren Superlegierungen kommt die Schicht IG35 zum Einsatz. Durch die HiPIMS-Beschichtungstechnologie weist die Schicht sehr glatte Eigenschaften und eine hohe Warmfestigkeit auf. Des Weiteren ist die Werkzeugschicht frei von Schichtdefekten wie beispielsweise Droplets oder anderen Schichtfehlern an der Schneidkante. Die Standzeit pro Schneidplatte liegt nun bei 100 Bauteilen. Das vorher eingesetzte Werkzeugsystem lag im Mittel bei 35.

Sonderwerkzeuge in kürzester Zeit

Für die zahlreichen Varianten lieferte HORN unterschiedliche Spannkassetten an Weber: „Wir haben alles innerhalb von nur drei Monaten umgestellt. Wir benötigten nicht nur Standard-, sondern auch einige Sonderkassetten. HORN ist in der Lage, auch Sonderwerkzeuge innerhalb kürzester Zeit zu liefern“, sagt Weiss. Allein für den wichtigen Axialeinstich legte Weiss eine extra beschriftete Schublade mit den Teilenummern und den dazugehörigen Spannkassetten an. Auch die Spankontrolle ist durch die Kombination von neuem Werkzeug und neuem KSS deutlich verbessert worden. „Die Verbindung der neuen Strategie von Werkzeug und KSS bietet uns nun die Möglichkeit, 50 Bauteile in mannloser Geisterschicht von der Stange zu fertigen. Wir haben keine Probleme mehr mit unkontrolliert langen Spänen“, schilderte Roos.

Der neue Kühlschmierstoff Zubora TTS ist eine vollsynthetische Lösung mit einer Einsatzkonzentration von 8 bis 10 Prozent. Der Fokus bei dem neuartigen Konzept lag auf der Schmierung, der Unterstützung des Spanbruches und der Verbesserung der Oberflächengüten. „Wir haben den neuen KSS für die produktive Zerspanung von Titan- und anderen Superlegierungen entwickelt. Jedoch ist das Produkt multifunktional einsetzbar und bringt auch bei der Bearbeitung einer Vielzahl anderer Werkstoffe  Vorteile“, so Wechmann.

Die Zusammenarbeit zwischen Weber und HORN besteht schon einige Jahre. Die enge Kooperation jedoch erst seit dem Beginn des Projekts. Weiss resümiert zufrieden: „HORN hat unsere Anforderungen sofort verstanden und professionell und schnell umgesetzt. Die Idee von Jürgen Schmid, auch den Einsatz eines neuen Kühlmediums von Zeller+Gmelin zu testen, erfüllte unsere Erwartung an das Projekt voll.“

 

Weber Ultrasonics:

Die Weber Ultrasonics AG entwickelt, produziert und vermarktet Lösungen und Komponenten für die industrielle Nutzung der Ultraschalltechnologie. Ihr Geschäftsfeld konzentriert sich auf das Reinigen, Schweißen und Schneiden mit Ultraschall und schließt weitere spezielle Anwendungsformen ein. Weber Ultrasonics wurde im April 2020 als Betreiber Kritischer Infrastrukturen (KRITIS) bestätigt sowie mit dem Gütesiegel „Innovativ durch Forschung“ des Stifterverbands für die Deutsche Wissenschaft ausgezeichnet. Das Unternehmen ist nach DIN EN ISO 9001 zertifiziert und wurde bereits mehrfach für eine vorbildliche Unternehmensführung ausgezeichnet. Das familiengeführte mittelständische Unternehmen mit Sitz in Karlsbad beschäftigt weltweit über 160 Mitarbeiter.

 

Zeller+Gmelin:

Zeller+Gmelin GmbH & Co. KG, 1866 gegründet, beschäftigt weltweit über 900 Mitarbeiter, wovon knapp die Hälfte am Stammsitz in Eislingen tätig ist. Mit seinen 15 Tochtergesellschaften agiert das mittelständische Unternehmen weltweit. Das Produktportfolio splittet in die Unternehmensbereiche Schmierstoffe, Industriechemie und Druckfarben. Die hochwertigen Produkte nehmen am internationalen Markt eine Spitzenstellung ein. Dabei bietet Zeller+Gmelin individuelle und ganzheitliche Lösungen aus einer Hand von Forschung und Entwicklung bis zur Produktion. Wie hoch der F&E-Anteil ist, zeigt sich nicht zuletzt daran, dass rund 20 Prozent der Mitarbeiter in Eislingen in diesem Bereich beschäftigt sind, um die innovativen Produkte permanent an den Markt- und Kundenanforderungen weiterzuentwickeln und zu optimieren.

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