Linearmotorpresse Stanzrapid

Gemeinschaftsprojekt Neue Perspektiven in der Produktion von Mikro-Präzisions-Bauteilen verspricht der Stanzrapid, eine Linearmotorpresse von Schuler. Die interessante Gemeinschaftsentwicklung wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

13. Juli 2005

Mit fortschreitender Miniaturisierung werden Mikro-Präzisionsbauteile in der Elektronik, Feinwerktechnik, Mikromechanik und Medizintechnik immer wichtiger. Gleichzeitig steigen die Ansprüche an Genauigkeit, Komplexität und Wirtschaftlichkeit in der Herstellung. Mit der Linearmotorpresse Stanzrapid eröffnet Schuler jetzt völlig neue Perspektiven in der Fertigung von Mikro-Präzisionsbauteilen. Die neuartige Linearantriebstechnik überzeugt durch frei programmierbare Weg-Zeit- und Kraft-Weg-Verläufe der Stößelbewegung, hohe erreichbare Hubzahlen bei gleichzeitig hoher Präzision sowie durch einen flexiblen Fertigungseinsatz als Einzelpresse oder als kompakte Mehrstufenmaschine in modularer Bauweise. Der Stanzrapid wurde im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Verbundprojektes Schlüsselkomponenten zur Herstellung von Mikro-Präzisionsbauteilen von einem mehrere Firmen und Forschungseinrichtungen umfassenden Projektkonsortium entwickelt und zur Serienreife gebracht.

Hohe Hubzahlen

Aufgrund der hohen Stückzahlen von Mikrobauteilen kommen bisher meist hochgenaue mechanische Schnelläuferpressen für diese umformtechnischen Aufgaben zum Einsatz. Sie ermöglichen entsprechend hohe Hubzahlen. So erreicht die derzeit weltweit schnellste Presse eine Schuler Yamada Omega F1 bis zu 4.000 Hübe pro Minute bei 6 mm Hub. Bei diesem Pressentyp wird die vom Elektromotor erzeugte Rotationsbewegung durch mechanische Übertragungsglieder in eine Translationsbewegung des Pressenstößels umgesetzt. Die charakteristischen sinusförmigen Weg-Zeit-Verläufe können nur durch ausgeklügelte Hebelkinematiken verändert werden, wie etwa in der NXT-Baureihe von Schuler Yamada. Hier kann die Arbeitsgeschwindigkeit im Umformbereich im Vergleich zu herkömmlichen Schnelläuferpressen durch den Doppel-Gelenkantrieb in Querwellenbauweise deutlich reduziert werden. Insbesondere für Tiefziehprozesse ist es aber von Vorteil, die Weg-Zeit- und die Kraft-Weg-Verläufe völlig frei gestalten zu können. Auch das schwierige Materialhandling von Mikrobauteilen und die wünschenswerte Integration anderer Fertigungstechniken wie zum Beispiel Fräsen, Lasern, Kleben, et cetera in das Umformwerkzeug verlangen nach frei programmierbaren Stößelwegverläufen.

Individuell programmierbar?

Diese Forderung nach mehr Flexibilität im Hubverlauf kann nur durch das neue Linearantriebskonzept erfüllt werden. Da der Stößel nicht mechanisch an eine Rotationsbewegung gekoppelt ist, können das Weg-Zeit-Verhalten und der Kraft-Weg-Verlauf in jeder Phase individuell definiert und programmiert werden. Störgrößen wie zum Beispiel durch spielbehaftete Getriebeglieder entfallen. Die Preßkraft steht an jeder beliebigen Stelle des Hubes zur Verfügung. Damit werden die Vorteile einer hydraulischen und einer mechanischen Presse verbunden. Qualität und Genauigkeit werden dadurch erhöht.

Hubzahlen bis 1.200

Gleichzeitig führt der geringere Verschleiß zu weniger Wartungsaufwand und steigert Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Dem gegenüber stehen eine begrenzte Preßkraft von derzeit maximal 40 kN, die von den am Markt verfügbaren Linearmotoren abhängt, sowie ein schlechterer Wirkungsgrad im Vergleich zu herkömmlichen Pressen aufgrund des fehlenden Energiespeichers. Derzeit werden Hubzahlen bis zu 1.200 Hübe pro Minute erreicht.

Wirtschaftliche Fertigung auch bei geringen Losgrößen

Für Fertigungsprozesse mit vielen Umformoperationen und in der Summe höheren Kräften ist die Reihenschaltung von einzelnen Stanzrapid-Modulen zu einer kompakten Einheit leicht möglich. Die einzelnen Stößel können dabei synchron oder individuell betrieben werden. Das Materialhandling übernehmen ebenfalls mit Linearmotortechnik angetriebene Zangenvorschübe, die auch empfindliches Material mit einem programmierbaren Weg-Zeit-Verlauf vorschieben können. Alle Maschinenachsen werden dabei über eine gemeinsame und bedienfreundliche Steuerung kontrolliert. Durch den Austausch einzelner Einheiten können die Linien jederzeit schnell neu konfiguriert werden. Mit dieser Flexibilität im Produktionsablauf und im Produktspektrum bietet der Stanzrapid die Möglichkeit, hochwertige Produkte in allen Losgrößen wirtschaftlich zu fertigen.

Neue Perspektiven für die Fertigung

Mit dem Stanzrapid stellen die beteiligten Entwicklungspartner eine Produktionseinheit vor, die durch ihr innovatives Konzept und ihren flexiblen Einsatz wirtschaftliche und qualitative Grenzen konventioneller Technik weit hinter sich läßt. Durch die genau steuerbare Hubcharakteristik können neue Klassen von Materialien und Materialkombinationen (Verbundmaterialien) oder mehrere Materialien gleichzeitig bearbeitet werden. In die einzelnen Module einer Stanzrapid-Linie können zusätzliche Bearbeitungseinheiten (zum Beispiel zum Fräsen oder Laserschneiden) integriert werden. Damit können Teile hergestellt werden, deren Fertigung bisher mit konventionell angetriebenen Pressen nicht möglich war.

Neue Konzepte

Die Eigenschaften der Linearmotorpresse erschließen neue Anwendungsmöglichkeiten für Umformprozesse, speziell für die Mikroumformung. Hier sind die relativ geringen Preßkräfte, die mit dieser Technik erreicht werden können, meist völlig ausreichend. War bisher immer eine Anpassung des Umformprozesses an die vorgegebene Stößelkinematik notwendig, erlaubt nun der Stanzrapid eine Anpassung des Hubverlaufs auf die jeweilige Fertigungsaufgabe. So ist es zum ersten Mal möglich, eine voreingestellte Stößelgeschwindigkeit über dem Hub konstant zu halten.

Exakte Steuerung

Das eröffnet insbesondere beim Tiefziehen neue Möglichkeiten, da die bei diesem Verfahren wichtigen Reibwerte zwischen Material und Aktivteilen geschwindigkeitsabhängig sind. Die steuerungstechnischen Möglichkeiten erlauben völlig neue Fertigungs- und Werkzeugkonzepte. Ein Beispiel: Durch Variation des unteren Totpunkts bei Verwendung eines Werkzeugs mit abgesetzten Stempeln lassen sich Perforierwerkzeuge wesentlich vereinfachen. Für einen Stanzstreifen, der normalerweise ein Werkzeug mit 177 Stempeln erfordert, kann auf der Linearmotorpresse ein wesentlich kostengünstigeres Werkzeug mit nur 20 Stempeln eingesetzt werden. Die technischen Daten des zur Serienreife entwickelten ersten Stanzrapid gibt Schuler mit einer Maximalkraft von 20 oder 40 kN an.

Technik und Partner

Die maximale Hubzahl beträgt 1.200 pro Minute, die maximale Hubhöhe 85 mm. Die Stößelfläche beträgt 490 x 200 mm, die Tischfläche (b x t) 520 x 400 mm und das Einbaumaß 230 mm. Die Außenmaße des Stanzrapid gibt Schuler mit kleinen (b x t x h) 690 x 400 x 2.700 mm an. An der Entwicklung des Stanzrapid sind neben Schuler Pressen auch die Siemens AG, das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), die Roland Dreher GmbH aus Sulz, die Fraunhofer-Institute für Lasertechnik sowie für Produktionstechnik und Automatisierung, die Unternehmen HCChristmann aus Birkenfeld, und Schneeberger, Höfen/Enz das PTU Darmstadt sowie die Firma Stüken aus Rinteln beteiligt.

Markus Röver

Joachim Wahl

Erschienen in Ausgabe: 06/2005