Fachdozent an der BFH für Automation und Robotik, Informatik, Vorrichtungsbau und CNC-Technologie

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1 CURRICULUM VITAE er Dipl. Ing. FH EDUARD BACHMANN Leiter Forschungseinheit Produktion und Logistik Berner Fachhochschule Solothurnstrasse 102 CH 2504 Biel geboren am 28. Oktober 1965 in Biel Seit 1999 Seit 2009 Fachdozent an der BFH für Automation und Robotik, Informatik, Vorrichtungsbau und CNC-Technologie Leiter der Forschungseinheit Produktion und Logistik an der BFH Geschäftsführer der Firma Wood Unlimited AG, Gerlafingen, Hersteller von Robotik- und Automationslösungen für die Holzbranche in ganz Europa 2002 Gewinner des Swiss Technology Award mit dem Projekt Hightech für die Holzverarbeitung Stv. Abteilungsleiter F+E an der BFH-AHB, Mitverantwortlich für die Strategie, Projektakquisition und vorbereitung sowie die Personalführung der Abteilung Projektleiter an der BFH im Bereich Fertigungstechnik (CNC- Technologie, Robotertechnik und CAD) Seite 2

2 Eduard BACHMANN: Auf Messers Schneide Werkzeuge mit dünnen Schichten Auf Messers Schneide Werkzeuge mit dünnen Schichten Dipl. Ing. Eduard Bachmann, Dipl.-Ing. Christiane Rehm, Dipl. Ing. Stefan Sitzmann Im Rahmen eines KTI-Projektes ermöglichte die Zusammenarbeit zwischen Industrie und Hochschule die Entwicklung einer Beschichtung für Fensterwerkzeuge, mit welcher die Werkzeugschneiden die 5-10fach höhere Standzeit als unbeschichtete Schneiden erreichen. Gleichzeitig konnte die Feinstaubmenge reduziert werden. Jede Branche ist der Marktanforderungen: Schneller produzieren, eine bessere Qualität erreichen, aber bitte preiswert sein unterworfen. So natürlich auch die Hersteller von Holzfenstern. Die Oberflächen der Fenster müssen dabei höchsten Anforderungen entsprechen und trotzdem kostengünstig hergestellt werden können. Ein erster Schritt für den Fensterbauer ist, die Oberfläche der Holzkanteln bereits nach dem Fräsen in einer Qualität zu haben, dass vor dem Lackieren nur minimale Schleifvorgänge nötig sind. Um dies zu erreichen, ist der Fräsprozess zu verbessern. Einerseits müssen die Maschinen schwingungsarm arbeiten, andererseits haben die Werkzeuge einen wesentlichen Einfluss auf die Oberflächenqualität der Holzkanteln. Viele Faktoren spielen dabei eine Rolle, einer davon ist die Werkzeugschneide. Es stellt sich nun die Frage: Wie kann eine sehr gute Oberflächenqualität erreicht werden, die Kosten für die Werkzeugschneiden dürfen aber nicht steigen? Ein Blick in andere Industriezweige kann da Lösungen aufzeigen. In der Metallindustrie sind Beschichtungen schon seit Jahren Standard. Weshalb soll dies in der Holzindustrie nicht auch möglich sein. Dieser Gedanke hat vor 2 Jahren die Firmen OERTLI Werkzeuge AG und Blösch AG dazu bewegt zusammen mit der Berner Fachhochschule ein Projekt zur Entwicklung einer neuen Werkzeugbeschichtung für die Fensterbranche zu starten. 1. Ausgangslage In der Metallindustrie werden heute fast keine Hartmetallwerkzeuge mehr eingesetzt, die keine Beschichtung aufweisen. Führende Werkzeugfirmen im Bereich der Metallbearbeitung geben an, dass 80 90% der Schneidenwerkzeugeinsätze aus beschichtetem Hartmetall bestehen. Man kennt derweil mehr als 35 unterschiedliche Beschichtungen, die je nach Anwendung des Werkzeugs hinsichtlich Zerspanungsparameter und Material zum Einsatz kommen. In der Holzbranche hingegen stecken die Beschichtungen immer noch in den Kinderschuhen. An verschiedensten europäischen Hochschulen und Instituten wurden immer wieder Versuche mit aus der Metallindustrie bekannten Beschichtungen durchgeführt. Allerdings ohne durchschlagenden Erfolg. Viele der Versuche kamen zum Ergebnis, dass eine Standzeiterhöhung um den Faktor 2-3 das Maximum sei. Dabei werden in der Metallindustrie je nach Anwendung bis zu einer 100-fachen Standzeit erreicht. Interessanterweise kam es aber auch oft vor, dass Versuche komplett versagt haben. Dieser Umstand wurde immer auf die Eigenschaften des natürlichen Werkstoffes Holz geschoben. 2. KTI-Projekt Im August 2010 haben die Industriepartner OERTLI Werkzeuge AG und W. Blösch AG, zusammen mit der Berner Fachhochschule ein KTI-Projekt mit dem Titel: Entwicklung spezifischer Beschichtungen für Holzbearbeitungswerkzeuge in der Fensterindustrie gestartet. Ziel war es, eine Werkzeugbeschichtung für die Fertigung von Fensterkanteln zu entwickeln, welche die Standzeit von konventionellen, unbeschichteten Werkzeugschneiden um das 5 bis 10-Fache erhöht. Für den Kunden bedeutet dies, dass bei gleichbleibender Qualität 4 bis 9 Werkzeugwechsel eingespart werden können. Steigt der Preis dieser Werkzeugschneiden dann nicht in Bereiche, welche die genannten Einsparungen zu Nichte machen, liegt ein wesentlicher ökonomischer Vorteil für die Firma vor. Ebenso wollten die Projektpartner die ökologische und arbeitstechnische Seite und nicht ausser Betracht lassen. Neben der Einsparung an HOLZFORSCHUNG AUSTRIA Seite 3

3 Schneidenmaterial, da ja nun weniger Schneiden zum Einsatz kommen, sollte auch die Feinstaubmenge bei der Fensterproduktion gesenkt werden. 3. Projektpartner Die Firma Blösch AG aus Grenchen ist im Bereich der Werkzeugbeschichtung für die Metall- und Uhrenindustrie eine traditionsreiche Firma. Bereits 1947 war sie Vorreiter bei der Entwicklung von galvanischen Goldbeschichtungen für die Uhrenindustrie. Für die Metallbearbeitung wurden diverse Schichten entwickelt und z.t. patentiert. Bekannt ist u.a. MOVIC. Dies ist eine feste Gleitschicht basierend auf Molybdändisulfid, welche einen sehr niedrigen Reibwert aufweist (<0,1).Sie wird vor allem im trockenen Zerspanen von Aluminium und hochfesten Stählen verwendet. Sie findet aber auch beim Umformen von rostfreiem Stahl Verwendung. Ihr Anwendungsbereich liegt überall dort, wo ihr tiefer Reibwert und ihre Gleiteigenschaft gefragt sind, u.a. auch in Kugellagern für die Weltraumindustrie. Die OERTLI Werkzeuge AG ist ein Schweizer Unternehmen, dass Holzbearbeitungswerkzeuge der Spitzenklasse produziert, Das Sortiment reicht vom einfachen Profilfräser über hochpräzise Hobelwerkzeuge und Hobelmesserköpfe bis zu den komplexen Systemwerkzeugen für die Fenster- und Türenbearbeitung. Besonders stark ist das Unternehmen im Bereich der kunden- und maschinenspezifischen Sonderwerkzeuge für höchste Ansprüche bezüglich Leistung und Qualität. Die Berner Fachhochschule, Architektur, Holz und Bau ist im Bereich der Ausbildung von Holzingenieuren Schweiz weit einzigartig. Mit ihrer Abteilung Forschung und Entwicklung, in der ca. 100 Mitarbeitende tätig sind, ist sie in den letzten Jahren immer mehr zu einem interessanten Partner für die Industrie bei der Lösung diverser Probleme geworden. 4. Einflussparameter Bei der Herstellung von Fenstern ist für den Anwender einzig und allein die Fräsqualität entscheidend. Wann diese Qualität erreicht ist, wird aber nicht durch ein genaues Messwerkzeug bestimmt wird, sondern durch den Bediener selber, welcher mit der Hand über die Holzoberfläche fährt und das Werkstück allenfalls noch gegen das Licht hält. Die Oberflächenqualität der Holzkanteln wird durch eine Vielzahl von Parametern während des Fräsprozesses beeinflusst. Um das Projektziel zu erreichen, war es wichtig, die Parameter zu definieren welche einen wesentlichen Einfluss auf diese Oberflächenqualität haben. Dazu wurde bereits in einer frühen Phase des Projektes Unterstützung bei den Fensterherstellern eingeholt. Die Schnittparameter (Vorschubgeschwindigkeit, Drehzahl, Eingriffswinkel und -tiefe) wurden innerhalb dieses Projektes auf Hinweis der Anwender als fest vorgegeben angenommen. Die Steifigkeit der Maschinen, das Schwingungsverhalten der Werkzeuggrundkörper, die Qualität der Werkstückspannungen wurde ebenfalls nicht weiter untersucht. In den Labortest wurde auf einer in der Branche üblichen Maschine (Weinig Conturex) möglichst praxisnah getestet. In der metallverarbeitenden Industrie wird der Schneidenradius neben der Oberflächenrauheit als Indikator zur Beurteilung des Verwendungsgrades einer Schneide und somit der Standzeit genommen. In der Holzindustrie herrscht die Meinung vor, je schärfer eine Schneide ist, desto besser ist die Fräsqualität. Demnach soll eine absolut scharfe Schneide einen Schneidenradius von <2µm haben. Eine Herausforderung im Projekt war es diese seht kleinen Schneidenradien zu bestimmen. Unterschiedliche bekannte Messverfahren wurden z.t. mit wenig Erfolg getestet. Schliesslich wurden unsere Schneiden mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) vermessen. Für eine erfolgreiche Vermessung und eine gelungene Aufnahme der Schneiden musste eine spezielle Vorrichtung gefertigt werden. Durch die vielen Messungen an neuen und gebrauchten Schneiden konnte festgestellt werden, dass der Schneidenradius einer neuen unbeschichteten Schneide bei ca. 3-5 µm liegt und der einer gebrauchten bei µm. Dies widerspricht z.t. der gängigen Theorie, dass nur mit einer absolut scharfen Schneide eine Top Oberflächenqualität erreicht werden kann. Es zeigt auch, dass die von der Theorie geforderte scharfe Schneide in der Realität als Serienprodukt kaum zu fertigen ist. Seite 4

4 Eduard BACHMANN: Auf Messers Schneide Werkzeuge mit dünnen Schichten Bild 1: Neue Schneide 2500-fache Vergrösserung Bild 2: Gebrauchte Schneide 2500-fache Vergrösserung 5. Schichtentwicklung Beim Beschichten wird das Ausgangsmaterial, die Werkzeugschneide, mit einer sehr dünnen (im Mikrometerbereich) Schicht überzogen. Diese Schicht hat die Aufgabe das darunterliegende Material vor der Abnutzung zu schützen. Die Schicht besteht im Normalfall aus einer Zusammensetzung von verschiedenen Metallen welche in einem physikalischen Verfahren aufgedampft werden. Um den optimalen Schutzeffekt zu erzielen muss die Werkzeugschneide vollständig mit der Beschichtung umschlossen sein. Sobald beim Zerspanungsprozess an einem Punkt die Beschichtung zerschlissen ist, beschleunigt sich der Abtrag der restlichen Schicht und damit nimmt der Verschleiss seinen Verlauf. In unserem Projekt wurde bei der Schichtentwicklung vorwiegend auf die Erfahrung der Firma Blösch zurückgegriffen. Es konnten unterschiedlichste Zusammensetzungen und Schichtdicken getestet werden. Im Laufe des Projektes wurden rund 10 verschiedene Schichten in den unterschiedlichsten Zusammensetzungen und in unterschiedlichen Dicken getestet. Die Dicke der Schicht ist deshalb wichtig, da ihr Auftrag die Schneidkantenverrundung verstärkt (siehe Bild 1) und damit die Anfangsqualität der Zerspanung massgebend beeinflusst. Mit der Beschichtung wird die Oberflächenrauhigkeit der Werkzeugschneide erhöht und damit die Fräsqualität negativ beeinflusst. Wird über die Beschichtung ein Decklayer aufgetragen z.b. eine Gleitschicht, so wird dieser Nachteil wieder reduziert werden. Schneidkeil klein gross Schicht Bild 3: Schneidkantenverrundung 6. Ausgangsmaterial Neben der Beschichtung selber spielt das Ausgangsmaterial d.h. die Zusammensetzung und vorgängige Bearbeitung des Hartmetalls eine ganz wichtige Rolle. Einer dieser Faktoren ist das Cobaltleaching, welches einen direkten Einfluss auf die Beschichtbarkeit einer Schneide hat. Ist dieser zu hoch, hält die Beschichtung nur ungenügend auf dem Ausgangsmaterial. Das Cobaltleaching entsteht in den vorgängigen Bearbeitungsprozessen z.b. beim Schleifen. HOLZFORSCHUNG AUSTRIA Seite 5

5 7. Labortests In den Labortests wurde mit einer Werkzeugschneide eine Standard-Fensterkantel bearbeitet. Die Schneidkantenverrundung und die Fräsqualität wurden nach einem vorgegebenen Raster in regelmässigen Abständen gemessen und beurteilt. Die Fräsqualität wurde durch eine Expertenrunde bestimmt, welche im Vergleich zu Referenzmustern die Qualität bei unterschiedlichen Standwegen beurteilte. Über den Vergleich der Ergebnisse der einzelnen Schichten untereinander und mit unbeschichteten Schneiden konnte Schritt für Schritt eine optimale Schichtzusammensetzung ermittelt werden. In dieser Versuchsphase haben sich 2 Schichten herauskristallisiert, welche eine 7-fache Standzeit erreicht haben. Bild 3: Beschichtete Schneide in gebrauchtem Zustand (aufgeschnitten) 1000-fache Vergrösserung 8. Industrietests In den anschliessenden Industrietests wurden diese beiden Schichten in verschiedenen Zerspanungsprozessen und auf verschiedenen Maschinen getestet. Dabei wurden unterschiedliche Resultate ermittelt. Während in einem Betrieb eine 10-fache Standzeit erreicht wurde, konnte ein anderer lediglich 4-5 fache Standzeit vorweisen. Diese Industrietests sind aber noch nicht vollständig abgeschlossen, jedoch kann bereits jetzt von einem grossen Erfolg der beiden Beschichtungen gesprochen werden, da sich mehrere der Testfirmen interessieren diese Schicht in der Produktion einzusetzen. 9. Fazit Mit der Entwicklung einer Beschichtung für Fensterwerkzeuge konnte aufgezeigt werden, dass auch in der Holzbranche Beschichtungen ihren Platz haben. Diese eine Schicht wird nicht der Weisheit letzter Schluss sein. Wir stehen erst ganz am Anfang einer Entwicklung. Es wird vergleichbar zur Metallindustrie eine Vielzahl von folgenden Projekten brauchen, denn auch bei uns in der Holzindustrie werden dereinst für die Fräsprozesse in den unterschiedlichsten Materialien unterschiedlichste Beschichtungen verwendet werden. Das Gleiche gilt auch für andere Prozesse z.b. das Bohren, Hobeln, Sägen etc. Ich bin überzeugt, dass man in einigen Jahren mit beschichteten Werkzeugen (HM oder HSS) nahe an die Standzeit von Diamantwerkzeugen kommt, aber mit einem Bruchteil an Energieaufwand und zu wesentlich tieferen Kosten. Seite 6