Graphit verdrängt Kupfer

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1 Graphit verdrängt Kupfer Kohlenstoff- und Graphitwerkstoffe werden den keramischen Werkstoffen zugeordnet. Hufschmied stellt seit gut zehn Jahren spezielle Zerspanungswerkzeuge für die Fräsbearbeitung von Graphit bereit. Denn dieser Werkstoff ist Kupfer in vielen Bereichen überlegen und hat zumindest im Werkzeug- und Formenbau und bei der Herstellung der dabei eingesetzten Elektroden den metallischen Werkstoff Kupfer bis auf Ausnahmen - mittlerweile fast verdrängt. Vom Mineral Graphit als Erscheinungsform von Kohlenstoff gibt es weltweit große Vorkommen. Werkstoff zeichnet sich Graphit durch vielfältige Bearbeitungsmöglichkeiten aus. Man kann es Sägen, Drehen, Fräsen, Schleifen, Wasserstrahlschneiden, mit Lasern bearbeiten, Polieren und Kleben. Unterschiedliche Sorten erlauben die gezielte Auswahl für den jeweiligen Einsatzbereich. Für Hufschmied als Spezialwerkzeughersteller ist vor allem die Fräsbearbeitung bedeutsam. Deshalb haben wir in der firmeneigenen Datenbank eine Vielzahl von Sorten erfasst, ihre Eigenschaften im Hinblick auf eine zerspanende Bearbeitung analysiert und zusammen mit den optimalen Bearbeitungsparametern katalogisiert. Je nach verwendeten keramischen Formgebungsverfahren unterscheidet man zudem stranggepresste, formgepresste und isostatisch gepresste Graphite. Für Elektroden zum Funkenerodieren kommen zum Beispiel auf Petrol- oder Steinkohlenteerpech basierende Feinkorngraphite zum Einsatz. Sie werden isostatisch gepresst. Das Funkenerodieren ist ein thermisches Bearbeitungsverfahren für leitfähige Materialien. Dazu wird eine elektrische Spannung zwischen dem zu bearbeitenden Werkstück und der Elektrode, die in die Maschine eingespannt ist, angelegt. Die Elektrode ist eine Negativform der Form, in die das Werkstück gebracht werden soll. Bei der Herstellung der Elektroden ist höchste Präzision gefragt. Denn die Funkenerosion ist ein abbildendes Fertigungsverfahren, das eine hohe Oberflächenqualität und Konturgenauigkeit der Elektroden voraussetzt. Oft liegen die Herstellungskosten der Elektrode bei mehr als 50 Prozent der Gesamtkosten. Außerdem benötigt man eine Erodiermaschine mit einem sehr leistungsfähigen und für Graphit geeigneten Generator. Der wesentliche Vorteil von Graphit im Vergleich zu Kupfer liegt in der hohen thermischen Belastbarkeit, die hohe Stromdichten beim Erodieren zulässt. Graphit schmilzt nicht und sublimiert erst bei C. Der Ausdehnungskoeffizient von Graphit ist gering. Daraus ergibt sich eine hohe Genauigkeit, da die Längendehnung und Eigenspannung klein bleibt. Durch die niedrige Dichte treten vor allem bei großen Elektroden nur

2 geringe Trägheitsmomente auf. Dies wirkt sich wiederum positiv auf die Genauigkeit aus. Für Hufschmied als Spezialwerkzeughersteller wichtig: Graphit lässt sich im eigentlichen Sinne nicht Zerspanen, da der Werkstoff plastisch nicht verformbar ist. Bei der Bearbeitung werden statt dessen durch das Werkzeug Körner aus dem Verbund geschlagen. Der dabei entstehende Staub wirkt hochgradig abrasiv auf die Schneiden. Deshalb werden zum Beispiel Fräswerkzeuge von Hufschmied für die Graphitbearbeitung mit einer echten naokristallinen 100% Diamantbeschichtung (DIP ) versehen. Denn unsere umfangreichen Versuche haben gezeigt: Nur in dieser Ausführung haben sie den notwendigen hohen Verschleißwiderstand, um wirtschaftliche Standzeiten bereitzustellen. Trotzdem: Wird Graphit statt Kupfer als Elektrodenmaterial eingesetzt, lassen sich mit den entsprechenden Werkzeugen von Hufschmied erhebliche Zeitund Kosteneinsparungen bei der spanenden Bearbeitung realisieren. Beim HSC-Fräsen zum Beispiel ist eine Zeitersparnis von bis zu 70 Prozent erreichbar. Dabei sind am Werkstück extrem filigrane Geometrien ohne Grate darstellbar, jede Form von manueller Nacharbeit kann entfallen. Daraus resultiert ein weiterer Vorteil: Die Anzahl der benötigten Elektroden lässt sich durch den Einsatz von Graphit reduzieren. Denn die Graphitelektrode kann so präzise gefertigt werden, dass eine Vielzahl auch kleinster Formelemente mit nur einer Elektrode abbildbar ist. Hierdurch reduzieren sich die Kosten pro zu fertigendem Werkstück deutlich. Da sich Graphit selbst bei hohen Temperaturen nicht ausdehnt, kann es mit entsprechendem Werkzeugeinsatz absolut Kontur- und Maßhaltig gefräst werden. Noch ein Vergleich zu Kupfer: Deutlich höhere Abtragsraten mit geringerem Werkzeugverschleiß beim Schruppen sind entscheidende Vorteile von Graphit. Auch hier lassen sich Zeiteinsparungen von bis zu 50 Prozent erzielen. Trotz der fertigungstechnischen Vorteile ist das Funkenerodieren kostenintensiv. Der Ehrgeiz von Hufschmied war von Anfang an, Kunden durch den Einsatz optimierten Spezialwerkzeugs bei der Elektrodenfertigung kostenseitig zu entlasten. Im Programm sind derzeit Schaftfräser, torische Fräser und Kugelkopierfräswerkzeuge, die es in unterschiedlichsten Durchmessern, Gesamtlängen und Freilegungen gibt. Dazu kommen speziell bei den torischen Werkzeugen die unterschiedlichsten, den Anforderungen der Kunden angepassten Eckenradien. Da diese Abmessungen mittlerweile als Standardwerkzeuge ab Lager geführt werden, ergibt sich daraus ein erster Kostenvorteil für den Kunden. Vor allem Unternehmen, die Graphitelektroden für die Elektro- und Automobilindustrie fertigen, wissen das zu schätzen. Denn hier ist der Kostendruck hoch. Die PHOENIX CONTACT Deutschland GmbH in Blomberg produziert Spritzgussteile für die effiziente Energie- und Geräte- und Anschlusstechnik gleich

3 mehrerer Schlüsselindustrien. Das Produktspektrum an Steckverbindern ist entsprechend groß. Die Quarder GmbH in Espelkamp hat sich auf die Entwicklung und Produktion von hochwertigen Produkten aus der Kombination von Kunststoff und Elektrotechnik spezialisiert. Spezialwerkzeuge von Hufschmied kommen hier unter anderem bei der Produktion spritzgegossener Schaltungsträger und bei der Elektrodenfertigung für Großteile zum Einsatz. Die Krallmann Gruppe in Hiddenhausen deckt die gesamte Prozesskette im Kunststoffspritzguss ab. Das Unternehmen produziert für die Automobilindustrie hochkomplexe Spezialwerkzeuge und Kunststoffhybridteile. Man sieht: Viele unserer Kunden produzieren nicht nur die Elektroden, sondern fertigen auf Kunststoff-Spritzgußmaschinen anschließend auch die Kunststoffbauteile für ihre Kunden. Die Anforderungen an unsere Zerspanungswerkzeuge lauten: Genauigkeit bei hoher Standzeit. Die Werkzeuge werden mit einem sehr engen Toleranzfeld gefertigt, damit die Graphitelektrode dem Endprodukt in allen Maßen höchst genau entspricht. Die Toleranzen bewegen sich dabei im absoluten µ- Bereich. Eine weitere Herausforderung sind Standzeiten: Die Werkzeuge müssen eine hohe Maßhaltigkeit bei langer Lebensdauer erreichen. Zudem soll damit eine möglichst niedrige Fertigungszeit erreicht werden. Die für die optimale Zerspanung benötigten Schnittgeschwindigkeiten sind sehr hoch. Denn wie gesagt: Je niedriger der Kostenanteil der Elektrode, umso kostengünstiger kann damit anschließend produziert werden. Die angelegten Bearbeitungsparameter Drehzahl, Vorschub und Zustellung sind selbstverständlich Werkstück- und maschinenabhängig. Drehzahlen von bis zu U/min und Vorschübe von mm/min sind dabei aber keine Seltenheit. Viele Elektrodenhersteller setzten bisher bei der Graphitbearbeitung auf Wendeplattenwerkzeuge (PKD-bestückt) oder Hartmetallwerkzeuge, die mit einer unechten Diamantschicht (DLC- Schicht) versehen sind. Allerdings mit nicht zufriedenstellenden Ergebnissen: Die PKD bestückten Wendeplattenwerkzeuge sind sehr hochpreisig, die DLC -Beschichtung erreicht oft nicht die geforderten Standzeiten. Hufschmied geht mit dem aktuellen Werkzeugprogramm einen anderen Weg. Durch eine echte nanokristalline 100%-Diamantschicht (DIP ) werden außergewöhnliche Standzeiten erreicht. Die eigenentwickelte Diamantschicht kann so dünn ausgeführt werden, dass auch Fräswerkzeuge mit kleinem Durchmesser sehr lange scharf bleiben. Und damit zu einer hohen Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit führen. Für Schlichtbearbeitungen sind spezielle Kugelkopier- und torische Werkzeuge im Programm. Deren drei ungleich aufgeteilte Schneiden erzielen selbst bei hohen Vorschüben sehr gute Oberflächenqualitäten. Schruppwerkzeuge von Hufschmied sind für hohe Zerspanungsvolumen in kurzer Bearbeitungszeit ausgelegt. Messprotokolle von Hufschmied zeigen, dass

4 konventionelle Wendeplattenwerkzeuge nicht mit so hohen Zustellungen gefahren werden können. Durch den Einsatz sehr spezieller Werkzeuggeometrien in Verbindung mit einer extrem verschleißfesten, sehr dünnen Diamantbeschichtung lassen sich beim Vorschruppen und Schlichten der Elektrode die Bearbeitungszeiten im Vergleich zu Standardwerkzeugen erheblich reduzieren. Derzeit beschäftigt sich Hufschmied mit der weiteren Optimierung der Geometrien. Denn wie gesagt: Der Kostendruck, der auf den Elektrodenherstellern lastet, ist hoch. Da ist jede Einsparmöglichkeit willkommen. Der Einsatz der Spezialwerkzeuge von Hufschmied leistet dazu nachweisbar einen erheblichen Beitrag. Dipl.-Ing. Ralph R. Hufschmied ist Geschäftsführer der Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH in Bobingen bei Augsburg

5 Fotos Graphitelektrode der Quarder GmbH für ein elektronisches Bauteil Graphitelektrode der Quarder GmbH für ein PKW- Getriebegehäuse Automobil Aktuell bei Hufschmied im Programm: Schaftfräser, torische Fräser und Kugelkopierfräswerkzeuge für die Bearbeitung von Graphit