Horn – Fräsen statt Polieren: wenn Kooperation zu glänzenden Ergebnissen führt

Präzise Mechanik, durchdachte Programmzeilen und ein Diamantwerkzeug mit einer perfekten Schneidkante – diese Symbiose verschiedener Technologien ermöglicht hochglänzendes Fräsen. Bei der Herstellung einer Aluminium-Flaschenform zeigten DMG Mori, Open Mind und Horn in einer engen Kooperation einen effizienten Fräsprozess, der auf nachträgliche Polierarbeiten verzichtet. Die nahezu perfekte Oberfläche erreichten die Partner mit einer DMG Mori DMU 20 linear der 3. Generation, einem hochwertigen MKD-Werkzeug von Horn und einem speziellen CNC-Programm aus der hyperMill-Software.

Aluminium-Blasformen kommen bei der Herstellung von Kunststoffflaschen zum Einsatz. Sie müssen sehr präzise gefertigt sein, um die gewünschte Flaschenform exakt abzubilden. Hierzu wird ein PET-Flaschenrohling erhitzt und in die Aluminiumform eingesetzt. Anschließend wird die Flasche aufgeblasen, sodass das heiße Kunststoffmaterial die gewünschte Flaschenform abbildet. Die Maßgenauigkeit und Oberflächengüte der Blasform spielt für die Qualität der Flasche eine entscheidende Rolle. Jede Unregelmäßigkeit spiegelt sich auf der gefertigten Kunststoffflasche wider. Daher mussten Blasformen bislang nach dem Fräsprozess von Hand poliert werden.

Möchte man auf das meist aufwändige nachträgliche Polieren verzichten, müssen Oberflächengüten mit Spiegelglanz und Ebenheiten im Mikrometerbereich bereits bei der Zerspanung erreicht werden: Für perfekte Ergebnisse beim Ultrapräzisionsfräsen beziehungsweise bei der Hochglanzbearbeitung sorgt die Kombination des eingesetzten Bearbeitungswerkzeugs mit dem passenden Schneidstoff, der eingesetzten Maschine sowie der korrekten Programmierung.

Hochpräzisionsbearbeitung per hyperMill

Für die Programmierung wurde die CAD/CAM-Software hyperMill von Open Mind gewählt. Und das aus gutem Grund: Die Lösung bietet innovative und leistungsstarke Technologien für die Fertigung hochpräziser Bauteile mit perfekten Oberflächen bei 0,1 µm Toleranz. Mit hyperMill lassen sich komplexe Geometrien, wie sie bei Flaschenformen gefordert sind, effizient und zuverlässig bearbeiten. Schon im Standard enthält die Software spezielle Funktionen, mit denen sich höchste Oberflächengüten erzeugen lassen. Nachgelagertes manuelles Polieren oder Schleifen kann so vollständig vermieden werden.

Beim Schlichten kam die True-Shape-Technologie zum Einsatz: Sie bildet die Grundlage für eine Hochpräzisionsbearbeitung und sorgt für eine hohe Genauigkeit und ideale Punkteverteilung innerhalb der Werkzeugwege. Die Berechnung der Werkzeugbahnen erfolgt hier direkt auf den CAD-Flächen, nicht auf triangulierten Zwischenformaten. Das Resultat sind saubere, flüssige Maschinenbewegungen, die für ein homogenes Fräsbild sorgen. Diese Technologie ist übergreifend für verschiedene Bearbeitungsstrategien verfügbar und ideal für Bauteile, bei denen höchste Oberflächenqualität gefragt ist. Bei der Flaschenform setzten die Experten von Open Mind auf die 5-Achs-Radialbearbeitung mit der neuen DMU 20 linear. Eine der größten Herausforderungen in diesem Bereich ist der gleichmäßige Bahnabstand über die gesamte Bauteilgeometrie. Mit dieser Strategie lässt sich die axiale Neigung des Werkzeugs individuell steuern und optimal an den Flächenverlauf anpassen.

Für ein hohes Maß an Sicherheit 

Sicherheit spielt in der Fräsbearbeitung eine zentrale Rolle – besonders bei komplexen und hochpräzisen Bauteilen. Mit «hyperMill Virtual Machining» steht eine moderne Simulations- und Postprozessortechnologie zur Verfügung, die den NC-Code generiert, optimiert und simuliert – alles in einem System, für eine maximale Durchgängigkeit.

Dank des digitalen Zwillings stimmen virtuelle und reale Welt exakt überein und gewährleisten damit eine hohe Prozesssicherheit. Umfangreiche Analysefunktionen ermöglichen es, Bearbeitungs­situationen detailliert zu prüfen. Das Optimizer-Modul sorgt dafür, dass bei möglichen Überschreitungen der Verfahrlimits diese automatisch an den Arbeitsraum der Maschine angepasst werden. Durch das hinterlegte Maschinenmodell werden Linear- und Rundachsen sowie auch die Parallelachsen überprüft.

HSC- und Ultrasonic-Maschinen von DMG Mori

Für das Fräsen der Blasform setzte DMG Mori auf die DMU 20 linear. Die 5-Achs-Simultanmaschine ist dank verschleißfreier Linearantriebe, einem neu entwickelten Gussbett und dem optimierten Temperatur-Management das genaueste Fräszentrum, das der Maschinenhersteller in seinem Portfolio hat. Im Standard bietet die HSK-32-Spindel 42 000, optional sogar bis zu 60 000 min-1 – für feinste Bearbeitung und höchste Oberflächengüte im Sub-Mikrometer-Bereich – ideale Voraussetzungen für die Herstellung der Flaschenform.

Durch die optionale Integration der Ultrasonic-Technologie wird die DMU 20 zur Ultrasonic 20 und bietet eine Ultraschallüberlagerung der Werkzeugrotation mit Amplituden bis zu 15 µm im Kilohertzbereich. Das Ergebnis: um bis zu 50 Prozent reduzierte Prozesskräfte, höhere Vorschübe, verbesserte Oberflächengüten und längere Werkzeugstandzeiten, die sich insbesondere bei hart­spröden Anwendungen und Hochleistungsmaterialien als unschlagbarer Vorteil erweisen. Die dritte Generation der Ultrasonic-Technologie bietet eine intelligente Frequenznachführung und eine Leistungsregelung in Echtzeit, was eine konstante Amplitude bei der Bearbeitung sicherstellt und somit die Prozessstabilität optimiert. Durch die neue Bedienoberfläche mit Celos X und Sinumerik One profitieren Anwender von einer intuitiven, app-basierten Steuerung mit 24-Zoll-Multitouch-Display, die eine einfache 3D-Werkstattprogrammierung direkt an der Steuerung oder komplexe CAM-Anwendungen wie für die Flaschenform ermöglicht.

Fräsen mit handpolierten Schneiden aus monokristallinem Diamant

Für die Bearbeitung der Aluminium-Blasform kam die Ultraschall-Technologie jedoch nicht zum Einsatz. Hier nutzten die Techniker von DMG Mori die Präzision und die Dynamik der Maschine, um bei der Hochglanzbearbeitung das Potenzial des fürs Schlichten verwendeten einschneidigen Diamantwerkzeugs voll auszunutzen. Auf dieses wird in der Fertigung bei Horn besonderes Augenmerk gelegt, da die erzeugte Fräsoberfläche immer das Abbild der Werkzeugschneide ist. Doch nur eine Schneide aus monokristallinem Diamant (MKD) lässt sich aufgrund der inneren Struktur und der Härte des Materials so fein polieren, dass bei der Zerspanung ein makelloses Finish entsteht. 

Trotz aller technologischen Fortschritte erfolgt das Polieren der Schneidkante dabei noch immer in Handarbeit. Nur das Feingefühl und das Know-how speziell geschulter Horn-Mitarbeiter entscheiden über das hochglänzende Ergebnis des Fräsers. Für das Schleifen von MKD-Kugelfräsern zur Hochglanzzerspanung von Freiflächen entwickelte Horn zur Unterstützung zudem eine spezielle Schleifmaschine, mit der sich auch kleinste Radien prozesssicher fertigen lassen. Für die optische Kontrolle wird ein Mikroskop mit 200-facher Vergrößerung genutzt. Unter dieser Vergrößerung muss die Schneidkante absolut schartenfrei sein. Die dabei entstehende Schneide hat einen Radius vom maximal 0,2 µm.

Bei der Hochglanzzerspanung kommen hauptsächlich synthetische Diamanten zum Einsatz. Zur Herstellung kommen dabei zwei unterschiedliche Verfahren in Betracht: Mit der HPHT-Methode (High Pressure, High Temperature) entstehen die Steine unter hohem Druck und großer Hitze. Also auf fast natürlichem Wege, nur nicht über Millionen Jahre, sondern innerhalb einiger Stunden oder Tage, je nach gewünschter Größe. Dabei wird reines Graphitpulver mit 60 000 bar und 1500 °C in einen Diamanten umgewandelt. Steine aus diesem Prozess kennzeichnen sich typischerweise durch eine leicht gelbliche Färbung, die durch die Lichtbrechung eingelagerter Stickstoffatome entsteht. Die maximale Kantenlänge der synthetischen Diamanten liegt bei 10 mm. Größere Dimensionen sind theoretisch möglich, jedoch nicht wirtschaftlich herstellbar.

Horn setzt bei der Bestückung seiner MKD-Werkzeuge auf die noch reineren MCC-Diamanten. Diese monokristallinen Steine entstehen im CVD-Verfahren. Als Kohlenstoffquelle dienen verschiedene Gase, hauptsächlich Methan, die sich im Prozess abscheiden und den Diamanten wachsen lassen. Diese sind im Ergebnis glasklar bis – je nach Dicke – leicht bräunlich. Ein großer Vorteil dieses Verfahrens ist die erreichbare Dimension. So können auch lange Bestückungen mit beispielsweise 30 mm Schneidkantenlänge realisiert werden. Für solche Werkzeuge musste bisher auf natürliche Diamanten zurückgegriffen werden, die sich wegen des hohen Preises, der eingeschränkten Verfügbarkeit und natürlicher Einschlüsse im Material nur bedingt für diese Anwendung eigneten.

Fazit

Die enge Zusammenarbeit zwischen DMG Mori, Open Mind und Horn demonstriert eindrucksvoll, wie gebündelte Expertise und innovative Technologien zu außergewöhnlichen Ergebnissen führen. Gemeinsam realisierten die Partner eine hochpräzise Flaschenform mit makelloser Oberfläche. Diese Partnerschaft zeigt, wie moderne Fertigung durch interdisziplinäre Zusammenarbeit nicht nur effizienter, sondern auch nachhaltiger wird – und dabei höchste Qualitätsansprüche erfüllt. | Nico Sauermann, Tübingen