Gentlemanlike

Fokus/Wasserstrahlschneiden

Fein und kühl so stellt man sich den typischen Gentleman vor. Fein und kühl ist aber auch das Mikro-Wassestrahlschneiden, das häufig mit dem Laserschneiden, dem Fräsen, dem Ätzen und dem Stanzen, aber auch mit dem konventionellen Wassserstrahlschneiden konkurriert – und oft die Nase vorn hat.

13. Oktober 2015
Beispiele: Wasserstrahl-Mikro-Präzisionsschneiden unterschiedlichster Materialien
Bild 1: Gentlemanlike (Beispiele: Wasserstrahl-Mikro-Präzisionsschneiden unterschiedlichster Materialien )

Desta Microcut GmbH & Co. KG aus Weinstadt bei Stuttgart ist Pionier und Anwender der ersten Stunde des Mikro-Wasserstrahlschneidens, das sich in kürzester Zeit zu einem ernst zu nehmenden Wettbewerb zu etablierten Technologien wie Laser-Feinschneiden (YAG- und Faserlaser), Stanzen und Drahterodieren entwickelt hat.

Die Vorteile liegen auf der Hand: Wasserstrahlschneiden als kaltes Schneidverfahren, das dem Materialspektrum quasi keine Grenzen setzt, ist nun in der Mikro- und Hochpräzisionsbearbeitung angekommen.

Mit dem richtigen Know-how kann das Wasserstrahl-Mikro-Präzisionsschneiden viele Probleme der etablierten Verfahren lösen und bei den entsprechenden Bauteilen beste Oberflächengüten in Verbindung mit hoher Präzision und großer Wirtschaftlichkeit liefern.

Desta Microcut fertigt bereits für viele namhafte deutsche und internationale Industrieunternehmen Prototypen und Serienteile. Die Stückzahlen liegen in der Regel zwischen 100 und 100000.

Anhand zweier Aufgaben soll gezeigt werden, welche Vorteile sich durch die Technologie des Wasserstrahl-Mikro-Präzisionsschneidens gegenüber anderen Verfahren bei Prototypen und Klein- bis mittleren Serien ergeben.

Aufgabe 1: Schneiden von Kupferschienen

Aufgabe 1 bestand darin, 1500 unterschiedliche Kupferschienen (Kleinserie), Dicke 3 mm, wiederholgenau mit ±0,03 mm Toleranz zu schneiden.

Konventionelles Wasserstrahlschneiden scheidet aufgrund der geforderten wiederholgenauen Toleranzen und Oberflächengüten aus. Außerdem sind diese Anlagen nicht für derart feine Bleche ausgelegt.

3 mm Kupfer sind per YAG-Laser praktisch nicht mehr zu schneiden. Jedenfalls kommt es zu extremem Wärmeeintrag und Schlacken sowie einer Art ›Canyon‹-Struktur entlang der Schneidkanten. Der Energiebedarf ist enorm. Durch die thermische Belastung entstehen Spannungen, Gefüge- und Eigenschaftsveränderungen im Material. Bei speziellen Legierungen wie Kupfer-Beryllium entstehen hochgiftige Gase.

Stanz-Werkzeuge sind teuer und langwierig herzustellen. Änderungen in der Bauteilgeometrie sind wiederum mit hohen Kosten verbunden. Bei Stückzahlen unter etwa 20000 (bauteilabhängig) ist das Stanzen oft keine wirtschaftliche Lösung.

Drahterodieren von 3 mm dickem Kupfer ist nicht wirtschaftlich. Es müssen Pakete gemacht werden, um die Kosten einzudämmen. Dazu muss Plattenmaterial zuerst zugeschnitten und dann verschweißt oder verschraubt werden. Da die Stromschienen teilweise umfangreiche Innenkonturen besitzen, ist der Aufwand für Startlöcher erheblich. Generell ist Drahterodieren von Kupfer relativ langsam und daher teuer.

Mikrofräsen wäre bei diesen Bauteilen auch aufgrund der großen Konturlängen in Verbindung mit kleinen Innenradien (0,2 mm) extrem langsam und teuer.

Ätzen ist bei dieser Materialdicke nicht möglich.

Aufgabe 2: 450 Prototypen für Stanzplatinen

Die Prototypen aus Kupfer, Dicke 0,5 mm, sollen prozesssicher im Toleranzbereich kleiner ±0,02 mm hergestellt werden. Die minimalen Stegbreiten betragen nur 0,6 mm. Nach dem Schneiden sollen diese Teile gebogen und anschließend verzinnt werden. Besonderes Augenmerk wurde auf das Verhalten der Zinnschicht nach dem Biegen gelegt.

0,5 mm Kupfer sind mit dem Feinschneid-Laser problemlos zu bearbeiten. Allerdings treten bei den weiteren Bearbeitungsschritten teilweise Probleme auf. Auch hier stellen sich wegen der hohen thermischen Belastung Spannungen und Gefügeveränderungen ein: Walzhartes Kupfer wird weich! Oxidiertes Material entsteht entlang der Schneidkante.

Die Beurteilung der mechanischen Eigenschaften – eine Werkzeug- und Bauteilauslegung – ist auf Basis dieser Muster nicht ideal. Nach dem Biegen und Verzinnen bleiben kleine Flitter haften, die sich lösen und das Kupfer freilegen können.

Diese Bauteile werden künftig aufgrund der hohen Stückzahlen (über eine Million Teile pro anno) gestanzt. Allerdings wären gestanzte Teile als Basis der Entwicklung und für erste Kleinserien, die häufigen Änderungen unterliegen, wirtschaftlich unsinnig. Wären die Stegbreiten kleiner als die Materialdicke, dann wäre auch Stanzen kein geeignetes Verfahren.

Drahterodieren scheidet aufgrund von ungefähr 220 Innenkonturen aus. Auch ist das Stapeln feiner Kupferfolien nicht sinnvoll.

Fräsen ist unmöglich aufgrund des Verhältnisses der Materialdicke zu den minimalen Stegbreiten.

Ätzen ist unmöglich aufgrund des Verhältnisses der Materialdicke zu den minimalen Stegbreiten.

Wasserstrahl-Mikro-Präzisionsschneiden

In beiden Fällen hat sich das Mikro-Wasserstrahlschneiden als Technologie der Wahl erwiesen. Die Vorteile dieses Verfahrens:

- keine Gefüge- und Eigenschaftsveränderung des Materials

- Fast keine Gratbildung

- keine Spannungen

- gute Schnittkanten, beste Schneidoberfläche (fast wie geschliffen)

- nach dem Biegen und Verzinnen keine Flitter am Bauteil

- keine Werkzeugkosten

- flexible, kurzfristige, wirtschaftliche Herstellung

- Toleranzen prozesssicher und wiederholgenau einhaltbar

- auch für bereits verzinntes oder auf andere Weise oberflächenbehandeltes Material und problematische Legierungen, Bi-Metalle oder Kupfer-Aluminium-Verbindungen geeignet.

Das Wasserstrahl-Mikro-Präzisionsschneiden oder -feinschneiden ist um den Faktor 10 genauer als herkömmliches Wasserstrahlschneiden. Dem Materialspektrum sind nahezu keine Grenzen gesetzt.

Der Mikro-Wasserstrahl arbeitet abrasiv mit einem minimalen Durchmesser von 0,3 mm bis in den Toleranzbereich von ±0,02 mm. Die Oberflächenrauigkeit der Bauteile ähnelt dabei dem Schleifen mit bis zu Ra 0,8 µm (N6). Es können Teile bis 600 x 1000 mm bearbeitet werden. Die Positioniergenauigkeit liegt bei 0,002 mm. Das Abrasivmittel kann variiert und den zu schneidenden Werkstoffen und gewünschten Oberflächen angepasst werden.

Blechexpo Halle 7, Stand 7411

Hintergrund

Die DeSta microcut GmbH & Co. KG wurde 2009 gegründet und ist spezialisiert auf die Mikropräzisionsbearbeitung, speziell mit dem neuartigen Verfahren des Wasserstrahl-Mikro-Präzisionsschneidens sowie dem Laser-Feinschneiden und -Bohren.

Desta Microcut arbeitet in erster Linie als Lohnbearbeiter und Bauteilehersteller. Auf Wunsch können Kunden auch das komplette Bauteil einschließlich weiterer Bearbeitungsschritte (Biegen, Fräsen, Nieten, Löten, Polieren, Verzinnen et cetera) erwerben.

Erschienen in Ausgabe: 06/2015