Die Tücken des Verfahrens meistern

Die Tücken des Verfahrens meistern
IMMER SCHÖN FLACH HALTEN
Dass sich Blechtafeln und Teile verformen, liegt an den Span-
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Das Blech bleibt eben, trotz vieler Stanzungen.
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Stanzmaschinen fertigen exakte Passungen.
das Werkstück genau zu positionieren. Maschinenhersteller
Während der Bearbeitung wird die Blechtafel enorm bean-
nungen im Material. Sie entstehen schon beim Herstellen der
meistern diese Herausforderung. In den letzten Jahren hat
sprucht: Je nach Teil prasseln tausende von Hüben auf sie
Bleche. Deshalb empfiehlt es sich, Bleche zu verwenden, die
sich die Maschinendynamik stark erhöht, bei gleich bleibenden
ein. Dabei wirken Stanzkräfte von bis zu 220 Kilonewton (das
als spannungsarm gekennzeichnet sind.
oder besseren Positioniergenauigkeiten. Gute Werte liegen bei
entspricht der Gewichtskraft von 22 Tonnen), mit denen große
Während der Bearbeitung erzeugen Stempel und Matrize bei
Durchbrüche ausgestanzt werden. Umformungen werden in
jedem Hub Spannungen im Blech. Diese gilt es zu reduzieren.
Ein anderer Aspekt ist die Genauigkeit von Innengeome-
Teile eingebracht und das Restgitter wird immer filigraner.
Maschinen- und Werkzeughersteller tun das mit speziellen
trien, zum Beispiel des Durchmessers. Passungen sind ein
Zwischen den Hüben wird die Blechtafel mit hoher Geschwindig-
Werkzeug- und Maschinenfunktionen. Beim normalen, passiven
Extrembeispiel. In sie werden Verbindungsstifte oder Bauteile
keit auf dem Maschinentisch hin und her gezogen. Da scheint
Stanzhub bleibt zwischen Abstreifer und Blech ein kleiner
formschlüssig eingesteckt. Ihr Durchmesser muss bis auf
es leicht nachvollziehbar und unausweichlich, dass sich die
Zwischenraum von etwa 1 bis 1,5 Millimetern. Um die Verfor-
wenige Hundertstelmillimeter genau stimmen und ihre Kanten-
Blechtafel verformt. Oder?
mung zu reduzieren, setzt man den Abstreifer aktiv ein. Das
oberfläche sehr glatt sein. Früher ließen sich Passungen nur
bedeutet, der Abstreifer hält das Blech während des Stanz-
durch Bohren und Reiben fertigen. Mit der Stanzmaschine
hubes nieder. Daneben helfen weitere Strategien:
fertigt man sie, indem man ein etwas kleineres Loch vorstanzt
Stichwort Ebenheit | Maschinen-, Werkzeug- und Stahlhersteller arbeiten zusammen daran, dass die Blechtafel und
•
damit auch die fertigen Teile während der Bearbeitung so
Vor- und Nachstanzen | Bei großen Stanzungen
empfiehlt es sich, zunächst mit einem kleineren Werk-
eben wie möglich bleiben. Denn nur so lassen sich hohe
zeug vorzustanzen.
Genauigkeiten erzielen und aufwendige Nacharbeiten entfallen.
Verwundene Teile müssen vor dem nächsten Fertigungsschritt
•
gerichtet, das heißt geebnet werden.
•
einem Zehntelmillimeter.
und mit einem zweiten Stempel auf den endgültigen Durch-
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messer nachstanzt. Beim Nachstanzen wird nur noch wenig
Material entfernt (Schabeschnitt). So erzielt man die hohe
Genauigkeit und einen Schnittanteil von nahezu 100 Prozent.
An der Matrizenkante kann sich Material ablagern und einen
vergrößert die Spannung im Material. Deshalb sollte
Kratzerfrei | Dass ein Blechteil auf einer Stanzmaschine
Pads auf die Matrize geklebt. Sie bestehen aus selbstkleben-
der Stempel regelmäßig nachgeschliffen werden.
gefertigt wurde, sieht man häufig an Kratzern auf der Unter-
der Folie mit einer Dicke von 0,3 Millimetern. Das Blech liegt
Werkzeugpflege | Eine stumpfe Stempelschneide
Optimaler Schnittspalt | Zu große oder zu kleine
Schnittspalte zwischen Stempel und Matrize vergrößern
kleinen Grat bilden. Damit das Blech nicht daran reibt, werden
seite. Sie entstehen, wenn die Blechtafel am Grat an der
nun höher als der Grat und berührt ihn nicht mehr. Bürsten-
Matrizenkante oder an anderen Bauteilen der Maschine reibt.
einsätze in der Matrize erfüllen die gleiche Funktion.
die Spannung ebenfalls. Der optimale Wert liegt bei
etwa 10 Prozent der Blechdicke.
GANZ GENAU UND MÖGLICHST SPURLOS
Die wichtigsten Qualitätskriterien für Stanzteile sind Genauigkeit und Kratzerfreiheit.
Genauigkeit | Je genauer die Maschine das Werkstück
unter dem Stanzkopf platziert, desto genauer lassen sich die
Abmessungen des Stanzteils fertigen. Je schneller sich dabei
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Stanzen, Nibbeln, Umformen
Maschinenkomponenten bewegen, desto schwieriger ist es,
An der Matrizenkante bildet sich ein Mikrograt. Klebepads verhindern, dass die Blechunterseite daran reibt.
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Dezibel versus Höreindruck Whispertools und geringere Durchstanzgeschwindigkeiten reduzieren den Geräuschpegel von Stanzmaschinen
erheblich, zum Beispiel von 90 auf 80 Dezibel (A). Das klingt zunächst
nicht sehr beeindruckend. Die Messskala ist jedoch logarithmisch eingeteilt – wie die von Erdbebenstärken. Für den Höreindruck eines Menschen
bedeuten deshalb 10 Dezibel weniger eine Verringerung der Lautstärke
um circa 50 Prozent.
Bürstentische verhindern Laufspuren auf der Blechunterseite.
Gratfrei | Der Grat ist ein typisches Merkmal beim Stanzen
GEHT’S AUCH ETWAS LEISER?
Flüsternde Werkzeuge | Whispertools haben eine ange-
und Nibbeln. An der unteren Kante der Stanzung bleibt etwas
Zur Geräuschkulisse in der Fertigungshalle trägt die Stanz-
schrägte Fläche, im Gegensatz zu anderen Stempeln, die
Material stehen und bildet einen fühlbaren Rand, den so
maschine einen wesentlichen Anteil bei. Um die Bediener zu
gerade Flächen haben. Die angeschrägten Stempelflächen
genannten Grat. Er kann unterschiedlich groß ausgebildet
entlasten und die Stanzmaschine leiser zu machen, gibt es
vermindern das Stanzgeräusch um bis zu 50 Prozent durch
sein und ist meist so scharf, dass Verletzungsgefahr besteht.
zwei Möglichkeiten. Entweder man durchstanzt das Material
den so genannten ziehenden Schnitt: Der Stanzbutzen wird
Außerdem stört er beim Verbinden zweier Kanten oder beim
langsamer mit der Softpunch-Funktion oder man verwendet
von einer Seite her kontinuierlich herausgetrennt. Stempel
Lackieren. Deshalb werden Stanzteile häufig entgratet, bevor
so genannte Whispertools (zu Deutsch: Flüsterwerkzeuge).
sie weiterverarbeitet werden.
Wer den Grat reduzieren will, kann den Schnittspalt zwi-
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Während der Bearbeitung wird das Blech auf dem Maschinen-
mit gerader Fläche treffen hingegen flächig auf das Blech
und trennen ihn von allen Seiten gleichzeitig heraus.
Sanft stanzen – Softpunch | Wenn der Stempel das
Ein weiterer Vorteil: Whispertools benötigen weniger Schneid-
schen Stempel und Matrize verkleinern. Dies ist allerdings
Werkstück mit voller Geschwindigkeit durchstanzt, bricht das
kraft bei gleichen Stempelabmessungen. Das macht sie auch
verbunden mit höheren Stanzkräften und einer kürzeren
Metall mit einem lauten Knall. Abhängig vom Material lässt
für die Bearbeitung dicker, hochfester und zäher Werkstoffe
Standzeit der Werkzeuge.
sich die Lautstärke um bis zu 80 Prozent reduzieren, wenn
attraktiv. Andererseits erhöht die schräge Stempelfläche die
Maschinen- und Werkzeughersteller arbeiten an Lösungen,
der Stempel langsamer durch das Blech bricht. Deshalb wird
Hublänge. Dadurch verlängert sich der Arbeitsprozess gering-
die möglichst gratfreie Teile versprechen. Eine Lösung besteht
die Geschwindigkeit während des Stanzhubes geregelt. Sen-
fügig. Außerdem ist die Nachschleiflänge etwas kürzer als
darin, den Grat mit speziellen Werkzeugen umzuformen. Eine
soren im Stanzkopf erkennen am Öldruck, wann der Stempel
bei Stempeln mit gerader Fläche. Der Stempel kann deshalb
andere Möglichkeit sind Entgrateinrichtungen in der Maschine.
die Blechoberfläche berührt. Ab da fährt er mit reduzierter
nicht so oft nachgeschliffen werden.
Sie erzeugen allerdings Späne.
Geschwindigkeit weiter, bis er das Blech durchtrennt hat.
tisch bewegt. In empfindlichen Materialien können die Metall-
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gleitet die Blechtafel leichter. Allerdings verschleißen die
Kunststoffbürsten und müssen regelmäßig gereinigt werden,
weil sich Öl und Späne festsetzen können.
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kugeln der Kugelrolltische deutliche Laufspuren erzeugen.
Bürstentische schaffen Abhilfe. Auf den Kunststoffbürsten
Manchmal kommt es vor, dass ein Stanzbutzen nicht nach
unten durch die Matrize fällt, sondern nach oben gezogen
wird und schräg darin hängen bleibt. Er ragt dann über die
Matrize hinaus und kann das Blech verkratzen. Um dies zu
verhindern, gibt es zwei Wege. Der eine: die Stanzbutzenabsaugung, die den Butzen nach unten wegsaugt. Der zweite:
Butzenrückhaltematrizen, die kleine Nuten in den Schnitt���������
flächen enthalten. Beim Stanzen fließt etwas Material in die
Nuten. Bleibt der Stanzbutzen am Stempel hängen, klemmt
er in den Nuten fest und wird nicht mit nach oben gezogen.
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Stanzen, Nibbeln, Umformen
Butzenrückhaltematrize: Nuten verhindern, dass der Stanzbutzen am
Stempel haften bleibt und mit nach oben gezogen wird.
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Normaler Stanzhub mit voller Geschwindigkeit (links) und sanfter
Stanzhub mit geregelter Geschwindigkeit (rechts)
Dank der angeschrägten Flächen stanzen Whispertools deutlich leiser.
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Stanzen oder Laser? Oder beides?
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Typische Laserteile mit komplexen und filigranen Konturen
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Typisches Stanzteil mit Umformungen
VERFAHREN IM WETTSTREIT
Stanzen, Nibbeln, Umformen
Welches Verfahren eignet sich besser für die Flachbearbeitung?
Werkstoffe und Dicken
Laserschneiden oder Stanzen? Diese Frage wird oft gestellt,
lässt sich aber selten eindeutig beantworten.
Klar ist die Antwort nur dann, wenn sich das Blechteil,
das gefertigt werden soll, nur auf der einen Maschine fertigen lässt. Bei Teilen, die Umformungen wie Gewinde oder
Durchzüge enthalten, fällt die Wahl auf die Stanzmaschine.
Bei filigranen und komplexen Konturen und Blechdicken über
In allen anderen Fällen müssen mehrere Faktoren berücksichtigt und gegeneinander abgewogen werden:
Material und Materialdicke
•
Verfügbarkeit von Maschine und Werkzeugen
•
Qualität der Schnittkanten
•
Termin, Kosten, Losgröße
•
Automatisierung
•
Bearbeitungszeit
Baustahl
bis circa 8 Millimeter
bis circa 30 Millimeter (abhängig von der Laserleistung)
Edelstahl
bis circa 8 Millimeter
bis circa 25 Millimeter (abhängig von der Laserleistung)
Aluminium
bis circa 8 Millimeter
bis circa 15 Millimeter (abhängig von der Laserleistung)
Kunststoffe
bedingt, falls nicht zu spröde oder zu labil
im Prinzip ja, wegen der Entstehung toxischer Gase
allerdings problematisch
Einzugradius
vorhanden, abhängig vom Werkzeug und vom Material
keiner
Rautiefe
gering
gering; kleiner 100 Mikrometer
Winkligkeit
ergibt sich aus dem Schnitt- und Bruchanteil,
ist abhängig von der Schnittspaltbreite
annähernd senkrecht; kleiner 0,1 Millimeter bei einer
Materialdicke von 10 Millimetern
Wärmebeeinflussung
keine
ja, Einhärttiefe: 0,1 bis 0,2 Millimeter; Oxidschicht
beim Schneiden mit Sauerstoff
Gratbildung
vorhanden, abhängig von Werkzeug, Material und
Schmiermittel
in der Regel kein Grat
Nacharbeiten
in der Regel nicht notwendig, vom Einsatz des Teils abhängig
in der Regel nicht notwendig
Lackierbarkeit
problemlos
Nach dem Schneiden mit Sauerstoff muss die Oxidschicht
an der Kante mechanisch entfernt werden.
minimale Stegbreite
etwa Materialdicke
etwa die 0,5- bis 1-fache Materialdicke
kleinste Kontur
etwa Materialdicke
etwa die 0,4- bis 1-fache Materialdicke
Breite der Trennfuge
mindestens Materialdicke, abhängig von der Werkzeugbreite,
typisch 3 bis 5 Millimeter
etwa 0,2 bis 0,3 Millimeter
Kanten
8 Millimeter kommt nur die Laserschneidmaschine in Frage.
•
Laserschneiden
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Laserschneiden | Der Laserstrahl ist ein flexibles Werkzeug, das vor keiner noch so komplexen Kontur Halt macht.
Auch hochfeste Werkstoffe, die sich nicht mehr stanzen lassen,
Konturen und Formen
weil sie die Werkzeuge zu stark beanspruchen, trennt der
Laser problemlos. Lasergeschnittene Kanten zeichnen sich
durch ihre hohe Qualität und ihre geringe Rautiefe aus.
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Besondere Bedeutung hat der Laser bei der Bearbeitung
von Stählen: Baustahlbleche mit Dicken von über 30 Millimetern und Edelstahlbleche bis zu einer Dicke von 25 Millimetern
die Automatisierbarkeit. An der Stanzmaschine können die
Materialverzug
Verzug möglich bei hohem Zerstanzungsgrad
gering
schneidet der Laser anstandslos. Aber auch stark reflektierende
gefertigten Teile einfacher entladen und sortiert werden als
Umformungen
möglich
nicht möglich
Metalle wie Kupfer oder Messing und Metalle mit hoher Wärme-
an der Laserschneidmaschine. Denn beim Laserschneiden
Kennzeichnen
ja, durch Prägen und Signieren; lackierfest
leitfähigkeit wie Aluminium können in mittleren Blechdicken
beträgt der Schnittspalt zwischen Teil und Restgitter nur
ja, durch thermisches Abtragen oder Anlassen;
nicht lackierfest
bearbeitet werden. Buntmetalle werden meist mit Festkörper-
einige Zehntelmillimeter. In höheren Blechdicken können sich
lasern geschnitten. Ein weiteres Unterscheidungskriterium ist
daher Teile verhaken.
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Stanzen, Nibbeln, Umformen
Auf einen Blick: Stanzen und Laserschneiden im Vergleich
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Das Verfahren bestimmt die Konstruktion: viele Löcher (links)
beim Stanzen oder freie Konturen (rechts) beim Laserschneiden.
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Links der Laserschneidkopf, rechts der Stanzkopf:
eine Kombimaschine in Aktion
Stanzen, Nibbeln, Umformen | Die Stanzmaschine ist ein
NIMM ZWEI: LASER UND STANZEN KOMBINIERT
Laserstation | An der Laserstation steht ein Laserstrahl als
Multitalent, das mehrere Fertigungsverfahren bündelt. Die
Laserschneiden oder Stanzen? Beide Verfahren haben ihre Stär-
Werkzeug zur Verfügung. Im Gegensatz zu anderen Laser-
komplette Bearbeitung mit Umformungen, Gewindeformen
ken, die das andere Verfahren jeweils nicht aufweisen kann.
flachbettmaschinen wird hier nicht der Laserstrahl bewegt,
oder Abkantungen lässt sich nur auf der Stanzmaschine reali-
Warum also nicht beide in einer Maschine integrieren? Aus
sondern die Blechtafel. Direkt unter der Laserstation befindet
sieren. Mit ihr lassen sich Blechtafeln aus Bau- oder Edelstahl,
dieser Überlegung entstand die Stanz -Laser -Maschine, die
sich eine Öffnung. Durch sie kann die Absaugeinheit Schla-
Aluminium, Kupfer oder Messing bis zu einer Dicke von etwa
häufig auch als Kombimaschine bezeichnet wird. Mit ihr lassen
ckereste und Schneidrauch absaugen. Ein Bürstenfeld, der
8 Millimetern bearbeiten.
sich beliebig komplexe Konturen mit dem Laser schneiden
so genannte Laserniederhalter, umgibt das untere Ende der
und im gleichen Teil Umformungen, Gewinde, Abkantungen
Schneidoptik und den Laserstrahl. Er erfüllt zwei Aufgaben.
und Ähnliches einbringen.
Zum einen sorgt er dafür, dass das Blech während der Be-
tungszeit. Dafür hat die Stanzmaschine als automatisierte
Die Maschine | Die Stanz-Laser-Maschine ist nach dem glei-
fängt er Schlackespritzer auf und schirmt die reflektierte oder
Bearbeitungszelle die Nase vorn. Durch die Teileklappe, den
chen Prinzip aufgebaut wie die Stanzmaschine. Der C - oder
gestreute Laserstrahlung ab wie eine kleine Schutzkabine.
Vor sehr spröden oder harten Materialien hingegen kapituliert
die Stanzmaschine. Bei filigranen und komplexen Konturen
steigen die Zahl der benötigten Werkzeuge und die Bearbei-
arbeitung eben liegen bleibt und nicht flattert. Zum anderen
durchgängigen Maschinentisch und die größeren Freiräume
O -Rahmen ist jedoch so verbreitert, dass zwei Bearbeitungs-
zwischen den Teilen lassen sich die fertigen Teile besser ent-
stationen darin Platz finden: die Stanzbearbeitungsstation
nehmen und sortieren.
und die Laserbearbeitungsstation.
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In Aktion | In der Fertigung zeigen sich die Stärken der Kombimaschine. Komplexe Innen- und Außenkonturen schneidet
es die passende Bearbeitungsreihenfolge und optimale Para-
Die Werkzeuge für die Stanzbearbeitung werden in ein
der Laser. Er ist sogar in der Lage, über Umformungen hinweg-
meter. Die Leistungsfähigkeit des Programmiersystems spielt
Konsequenzen für die Konstruktion | Egal ob Stanzen
Linearmagazin gerüstet. Der Laser und die Strahlführung
zuschneiden, da der Abstandssensor für einen gleich bleiben-
dabei eine entscheidende Rolle.
oder Laserschneiden – wenn der Konstrukteur mit der Arbeit
sind in die Maschine integriert. Im Maschinentisch befinden
den Abstand zwischen Schneidkopf und Werkstück sorgt. Der
beginnt, sollte das Fertigungsverfahren schon feststehen.
sich Teileklappen wie bei der reinen Stanzmaschine. An der
Laserschneidkopf folgt der Kontur und weicht nach oben aus,
Prinzip nie optimal ausgelastet ist, weil immer eine Arbeits-
Nur so kann er die Gestaltung des Teils optimieren.
Stanz -Laser -Maschine sind es zwei: je eine pro Arbeitsstation.
wenn er über eine Erhöhung fährt. Die Stanzbearbeitungs-
station vorübergehend stillsteht, und daher zu teuer sei. Außer-
Einige Blechfertiger führen an, dass die Kombimaschine im
Ein Beispiel: Ein Sieb soll fertigungsgerecht konstruiert
Denn fertige Teile können sowohl mit dem Laserstrahl als
station tritt immer dann in Aktion, wenn Standardkonturen
dem sind die Maschinenstundensätze von Kombimaschinen
werden. Als funktionale Anforderungen sind der Durchmesser
auch mit einem Stanzhub aus der Tafel getrennt werden und
schnell bearbeitet werden sollen. Dazu gehören beispielsweise
höher als die von reinen Stanz- oder reinen Lasermaschinen.
und die Durchflussmenge gegeben. Für die Fertigung an der
müssen dann ausgeschleust werden.
stanzbare runde Löcher. Außerdem erledigt sie alle Umfor-
Die Kombimaschine ist jedoch immer dann günstiger,
Stanzmaschine wird der Konstrukteur viele gleiche Löcher
mungen, Gewinde, Abkantungen und Ähnliches. Was in
wenn Teile an ihr komplett bearbeitet werden können, die
verwenden, damit kein Werkzeugwechsel nötig ist. Die Zahl
welcher Reihenfolge und auf welche Weise bearbeitet wird,
sonst in zwei Arbeitsgängen gefertigt werden müssten. Wenn
lässt sich mit Hilfe des Programmiersystems festlegen. Das
Teile an zwei Maschinen bearbeitet werden, müssen sie trans-
der Löcher spielt dabei fast keine Rolle.
Soll das Sieb dagegen an der Laserschneidmaschine ge-
Programmiersystem berechnet die optimale Bearbeitung auf
portiert, zwischengelagert und wieder neu positioniert werden.
fertigt werden, wird der Konstrukteur versuchen, mit wenigen
Basis der Bearbeitungsstrategien, Technologiewerte und Regeln,
Das alles verursacht Kosten, die allerdings nur selten in die
Durchbrüchen auszukommen. Denn für jeden Durchbruch ist
die der Programmierer ausgewählt hat.
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung mit einbezogen werden.
ein Einstechvorgang notwendig. Dafür kann er die Durchbrüche
Für die Kombimaschine spricht auch die Teilequalität. Da
unterschiedlich gestalten. Die Bearbeitungszeit an der Laser-
Pro und Contra | Was die Stanz-Laser-Maschine attraktiv
alle Bearbeitungsschritte in einer Aufspannung ausgeführt
schneidanlage hängt von der Länge der Schnittkontur aller
macht, bringt gleichzeitig auch Herausforderungen mit sich.
werden, ist die Genauigkeit höher, als wenn die Teile an zwei
Um beide Technologien voll ausschöpfen zu können, braucht
Maschinen bearbeitet werden.
Formen und von der Zahl der Einstechvorgänge ab.
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Stanzen, Nibbeln, Umformen
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