Projekt SpeChip: Fräsen eines komplexen Werkzeuges

SpeChip – was sich zunächst wie der Titel eines James Bond-Films anhört, ist ein anspruchsvolles Projekt, an dessen werkzeugbaulicher Umsetzung die Erwin Quarder Systemtechnik maßgeblich beteiligt war. Der Auftrag dafür kam von der Innome GmbH – einem Spin-off der Erwin Quarder Gruppe, das sich unter anderem auf Analyseprodukte für den Labor- und Pharmabereich spezialisiert hat.

Beim SpeChip handelt es sich um einen mikrofluidischen Einweg-Probenträger aus transparentem Kunststoff. Über die 96 Probenkanäle, zu denen jeweils vier Messkammern gehören, kann die Partikelkonzentration in Flüssigkeiten bis hin zur Molekülgröße automatisiert gemessen werden. Da das SpeChip-Verfahren auf der UV-Licht-Absorptionsmessung basiert, sind die optischen Eigenschaften des Probenträgers von hoher Bedeutung.

„Mit einer Toleranz von plus fünf Mikrometer zu fräsen, ist die eine Sache. Aber an 384 verschiedenen Stellen – dies war für uns schon eine echte Herausforderung“, blickt Jakob Kehler, CAM-Programmierer im Werkzeugbau von Erwin Quarder Systemtechnik und dort auch Leiter der Fräsabteilung, auf das Projekt SpeChip zurück. „Hinzu kam, dass wir wegen der Komplexität und Dimension der Konturbereiche fast ausschließlich mit sehr kleinen Durchmessern unterhalb von einem Millimeter fräsen mussten.“

Das Werkzeug wurde 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, dass wir es hinbekommen, zum anderen, um die hierfür benötigte Zeit auf die Gesamtbearbeitungszeit hochrechnen zu können“, erklärt Kehler die Vorgehensweise. „Wir hatten es auf Anhieb hinbekommen, auch dank der Unterstützung von Moldino.“

Denn vor etwa zweieinhalb Jahren, also kurz vor dem Start des SpeChip-Projekts, wurde bei Erwin Quarder damit begonnen, die HSC-Bearbeitung und hier insbesondere das hochgenaue Hartfräsen stark auszubauen. So sollte auch zu großen Teilen das Senkerodieren durch Fräsen ersetzt werden. Als Prozessoptimierer, wie sich die Anwendungstechniker des japanischen Präzisionswerkzeug-Herstellers Moldino – früher MMC Hitachi Tool – verstehen, hatte Mark Rotzoll diesen Umstellungsprozess intensiv begleitet. Deshalb bot er auch beim SpeChip-Projekt sofort seine Unterstützung an.

„Das Hochrechnen ergab, dass wir für jede Werkzeughälfte 200 bis 300 Stunden benötigen würden – das war natürlich extrem viel“, unterstreicht Kehler. Da die eigene Maschinenkapazität nicht so lange an dieses Projekt gebunden werden sollte, ist bei Fertigungsdienstleistern nachgefragt worden. „Jeder, der das Bauteil sah, war sofort skeptisch. Denn dies hätte bedeutet, dass eine Maschine für ein bis zwei Monate dauerhaft belegt wäre.“ Also wurde entschieden, das SpeChip-Werkzeug im eigenen Haus zu fertigen. „Allerdings blockweise, damit die Maschine zwischendurch auch für andere Aufträge zur Verfügung stehen konnte.“

Komplexe Geometrien

Ein Glücksfall war, dass mit Rotzoll jemand zur Seite stand, der bei der Prozessgestaltung beim Hartfräsen komplexer Geometrien sehr viel Erfahrung mitbrachte. „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. Moldino geht bei Optimierungsprojekten stets nach der vom japanischen Werkzeughersteller speziell für den Fräsbereich entwickelten Production50-Methode (P50) vor.

Dabei geht es darum, die bestehenden Fräsprozesse zu analysieren, um mit diesen Informationen eine neue Perspektive auf den gesamten Fertigungsprozess zu erhalten. So werden Verbesserungspotenziale identifiziert, die zusammen mit dem Kunden umgesetzt werden können. Wirtschaftlichkeitsberechnungen zeigen den Mehrwert dieser Umstellung auf. Gemäß P50 legte der Moldino-Prozessoptimierer 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 Millimeter zum Einsatz.

Laufzeiten aufeinander abstimmen

„Hier ging es darum, die komplexen Bearbeitungsfolgen, die jeweiligen Werkzeuge und die meist sehr langen Laufzeiten exakt aufeinander abzustimmen“, erklärt Rotzoll. Dabei ist von Vorteil, dass nicht zu viele verschiedene Werkzeuge aufeinander folgen. Aus diesem Grund hatte er sich entschieden, hier von vornherein mit kleinen Werkzeugen anzufangen. Beim Schruppen kamen insgesamt drei verschiedene Durchmesser zum Einsatz. Der kleinste Durchmesser war 0,6 Millimeter zum Fertigschruppen, ein zweischneidiger Torusfräser EPDRE mit vier Millimeter 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 Mikrometer vorgegeben, also glänzende Oberflächen. An diesen Stellen wurden von Rotzoll minimale Schutzflächen aufgelegt. „So liegt ein kleines zusätzliches Aufmaß vor, um dann anschließend die Hochglanzoberflächen zu erzeugen.“ Hier hatten er und Kehler zuvor anhand des Testwerkstücks verschiedene Vorgehensweisen ausprobiert. „Das beste Resultat brachte dann der EHHR-Fräser mit Durchmesser ein Millimeter.“ Mit diesem Polygonfräser ließen sich in flachen Bereichen sehr gute Oberflächen erzielen. „Der Clou dabei war, dass wir das Werkzeug mit 0,1 Grad minimal angestellt haben. Damit sind wir dann auf Endmaß gegangen.“ Diese Glanzflächen wurden ganz zum Schluss mit Minimalmengenschmierung gefräst.

„Das hat die allerbesten Ergebnisse gebracht“, berichtet Kehler. Ansonsten ist bei dem Projekt ausschließlich mit Luft gearbeitet worden. Dabei kam bei allen Fertigungsschritten der Mediumverteiler von MHT – Merz & Haag – zum Einsatz. „Der 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 Mikrometer so extrem niedrig ausgelegt? „Durch den durchsichtigen Kunststoff strahlt ja UV-Licht hindurch. Die Lichtabweichung darf aber nur bei 0,2 Prozent liegen“, begründet Kehler die strengen Vorgaben.

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 0,2-mm-Durchmesser eingesetzt“, erläutert Kehler. Diese mit der neu entwickelten TH3-Nano-Beschichtung versehenen Werkzeuge verfügen über zwei Schneiden mit jeweils zweistufigem Freiwinkel. Das erhöht die Standzeit um ein Vielfaches und verbessert die Konturtreue unter Verschleiß. So wurden für die 31 Bearbeitungsstunden 15 EPDBEH-Fräser benötigt.

Abschließend weist Kehler noch 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 wir die 5-µm-Toleranzen einhalten.“ 710 Stunden wurden insgesamt benötigt, um dieses komplexe Werkzeug zu fräsen.

„Trotz der vielen Herausforderungen war das SpeChip-Projekt ein toller Erfolg, das wir ohne die Moldino-Werkzeuge und vor allem die Unterstützung von Mark Rotzoll nicht gestemmt hätten“, zieht Kehler ein positives Fazit. 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.“

Quelle: Moldino Tool Engineering Europe GmbH