TE Connectivity: Neue Möglichkeiten dank Laserabtrag

Mikroskopisch kleine und filigrane Konturen lassen sich oft nur äußerst mühsam herstellen. Gerade dann, wenn die Bauteile aus schwer zerspanbarem Hartmetall bestehen und Genauigkeiten im µm-Bereich gefordert werden, ist die Grenze des Machbaren schnell erreicht.

Für die internen Werkzeugbauer bei TE Connectivity aus dem baden-württembergischen Wört eine Herausforderung, der sie nicht länger mit herkömmlichen Technologien gerecht werden konnten. Werkzeugbauleiter Uwe Soldner erklärt: "Die Bearbeitung der winzig kleinen Prägeeinsätze unserer Stanzwerkzeuge für die Produktion von Steckkontakten für die Automobilindustrie gestaltete sich zunehmend komplexer. Fräs- oder erodiertechnisch waren die sehr feinen Konturen kaum mehr herzustellen. Aus diesem Grund investierten wir mit der Laserpräzisionsanlage in eine für uns ganz neue Technologie."

Die Lasertec 50 Shape von DMG Mori ist seit Ende 2015 bei dem Stanz- und Umformtechniker in Betrieb und überzeugt seither mit einer sehr hohen Wiederhol- und Positioniergenauigkeit. Auf der Anlage bearbeiten die internen Werkzeugbauer überwiegend Werkzeugeinsätze aus Hartmetall oder gehärteten Werkzeugstahl bis 69 HRC. Die Teilegröße erstreckt sich von 0,5 x 1,2 bis 18 x 24 mm bei einem Höchstgewicht von 800 g.

Soldner erklärt: "Wir tragen das Material bis zur finalen Oberfläche der formgebenden Kontur per Laser ab und sind so in der Lage, Strukturen zu generieren, die ein Höchstmaß an Präzision verlangen und deren Details mit dem bloßen Auge teilweise kaum zu erkennen sind. Die Herausfoderung bei der Bearbeitung liegt in der engen Toleranzanforderung von ± 5 µm und bei sehr kleinen Innenradien. Zusätzlich müssen wir eine hohe Standzeit unserer Werkzeuge in der Fertigung garantieren."

Der kleinste Fräser, mit dem die Stanz- und Umformtechniker wirtschaftlich arbeiten konnten, hatte einen Durchmesser von 0,3 mm. Der Laserstrahl hingegen weist einen Durchmesser von 35 µm auf. "Dank der Laserabtragstechnik können wir deutlich genauere und filigranere Konturen herstellen", berichtet Soldner. "Darüber hinaus profitieren wir davon, dass der Laser nicht verschleißt und wir unsere Teilefertigung – ganz ohne Span – in einem Arbeitsgang abschließen können."

Früher mussten die Werkzeugbauer mehrere Mitarbeiter für die Elektrodenfertigung und den anschließenden Erodierprozess beschäftigen, heute arbeiten zwei Mitarbeiter im Zweischichtbetrieb an der Lasermaschine. Soldner betont: "Wir sind damit deutlich effizienter und wirtschaftlicher geworden. Allein dadurch, dass der Laser berührungslos arbeitet und somit Investitionen in kostspielige Fräswerkzeuge entfallen. Wir schätzen die Kostenersparnis bei unserer Teilefertigung auf bis zu 50 Prozent. Damit wurden all unsere Erwartungen übertroffen."

Die Werkzeugbauer haben ihre 5-Achs-Laserpräzisionsmaschine bewusst mit einem 50-Watt-Pikosekundenlaser ausstatten lassen. Soldner begründet seine Entscheidung: "Wie die Praxis zeigte, profitieren wir von der Schmelze, die beim Laserabtragsverfahren entsteht. Die Standzeit unserer gelaserten Teile hat sich spürbar verbessert. Mit einer Femtolaserquelle, die mit noch kürzeren und dafür intensiveren Pulsen arbeitet, würde genau diese Schmelze ausbleiben. Beim Faserlaser wiederum hat der Strahl einen größeren Durchmesser im Vergleich zum Pikolaser und ist damit weniger für die Herstellung von Miniaturformen geeignet. Wir sind mit unserer Laserquelle auch in Bezug auf das Preis-Leistungs-Verhältnis rundum zufrieden."

Mithilfe des Pikolasers sind die Stanzwerkzeugbauer bei TE in der Lage, feinste Konturen sehr exakt auszuarbeiten. Sie erreichen höchste Oberflächenqualitäten von Ra 0,1 µm. "Prinzipiell wäre sogar eine noch bessere Oberflächengüte vorstellbar", betont der Werkzeugbauleiter. "Dann müssten wir aber längere Maschinenlaufzeiten pro Werkstück in Kauf nehmen. Aktuell tragen wir pro Schicht 1 µm an Material ab. Um bessere Ra-Werte zu erzielen, müsste die Anlage das Hartmetall in mehr Schichten noch feiner abtragen, wir bräuchten weniger Zustellung und geringere Stromstärke. Denn je kleiner die Laserleistung, mit der gearbeitet wird, desto besser wird die Oberfläche. Allerdings geht das auf Kosten der Bearbeitungszeit, und für uns steht dieser Aufwand nicht in Relation zum Werkstückpreis."

Insgesamt zwei Wochen lang wurden die Mitarbeiter vorab sowohl in- als auch extern auf der Maschine geschult. Seither gewinnen die Werkzeugbauer tagtäglich neue Erkenntnisse, wie sie beispielsweise anhand spezifischer Parametereinstellungen die Ergebnisse beeinflussen und weiter optimieren können. Soldner erklärt: "Schon bei Inbetriebnahme haben die Techniker von DMG Mori die Standardparameter der Lasertec 50 Shape auf unser Teilespektrum angepasst. Stromstärke, Zustellung, Material – diese und viele weitere Faktoren müssen wir beachten, um das Maximum bei der Bearbeitung unserer Werkzeugeinsätze herausholen zu können."

In den Augen der Stanz- und Umformtechniker ist die Anlage noch lange nicht am Ende ihres Leistungsspektrums angelangt. Etwa bei der 5-Achsen-Bearbeitung sehen die Spezialisten noch großes Optimierungspotenzial. "Im Miniatur-Bereich ist die Laserpräzisionsanlage für mich ganz klar die Technologie der Zukunft", betont Soldner. "Nichtsdestotrotz müssen wir noch immer viele Bauteile ablehnen, da wir aktuell nicht in der Lage sind, senkrechte Wände hochpräzise zu lasern. Hier führen wir bereits Entwicklungsgespräche mit den Anwendungstechnikern von DMG Mori."

Den internen Werkzeugbauern bei TE ist seit der Einführung ihrer Laserpräzisionsanlage ein enormer Fortschritt bei der Konstruktion ihrer Werkzeugeinsätze gelungen. "Mit dem Laserabtragsverfahren eröffnen sich für uns sowohl in der Produktentwicklung als auch in der Konstruktion ganz neue Möglichkeiten", erklärt Soldner. "Wir können heute hochkomplexe Teile fertigen, die mit herkömmlichen Technologien nicht machbar wären. Etwa mikroskopisch kleine Wochenkodierungen, die in jedem Steckkontakt gestanzt werden. Wir können und wollen auf die Lasertechnik nicht mehr verzichten."

Einen großen Vorteil des Laserabtragsverfahrens sehen die Spezialisten außerdem in der Reproduzierbarkeit. "Wenn die Kontur einmal gepasst hat, ist es egal, ob ein oder 100 Teile produziert werden. Alle gelaserten Bauteile sind identisch und absolut wiederholgenau. Ein Aspekt, der besonders in der Großserienfertigung zum Tragen kommt", betont der Werkzeugbauleiter. "Wir fertigen auf der Lasertec 50 Shape jedoch ausschließlich Einzelteile beziehungsweise Kleinstserien bis zu sechs Stück. Wir haben also täglich wechselnde Anwendungen, die unser Know-how fordern."

Im Moment stellen die Stanz- und Umformtechniker ihre Konturen komplett per Laserabtrag her. Noch produktiver wäre es allerdings, wenn in die Lasermaschine eine ernsthafte Messmöglichkeit integriert wäre, mit der die Istform des Bauteils nach der Grobbearbeitung auf der Fräsanlage erfasst werden könnte.

"Mittels Messgerät könnte eine Vergleichsmessung zum gewünschten CAD-Modell erfolgen und ein neues Programm für die Laserbearbeitung generiert werden. So wäre es uns möglich, ausschließlich das Restmaterial per Laser abzutragen und unsere Teilefertigung deutlich schneller abzuwickeln", berichtet Soldner. "Aktuell mag es vielleicht noch eine Wunschvorstellung sein, aber wir sind uns sicher, dass es mit ein wenig Entwicklungsarbeit nicht so bleiben muss." mf/vg