So werden unmögliche Schneidstempel möglich

Von Günter Kögel Filigrane Schneidstempel aus hochfestem Material, die sogar mit Hinterschnitten und Schmiernuten versehen sein können, und die selbst bei Federstahl nicht schlapp machen – so etwas ist konventionell nicht oder nur mit einem immensen Aufwand herstellbar. Anders beim PEM-Verfahren. Die Weiterentwicklung des elektrochemischen Senkens kann in einem kalten Verfahren selbst scheinbar unmögliche Werkzeuge herstellen und eröffnet dadurch dem Stanzen und Feinstanzen ganz neue Möglichkeiten.

Wohl nie zuvor hat ein daumen-großer Stanzstempel für so großes Staunen von Fachleuten gesorgt, wie das Exponat der PEMTec SNC und der Boenig Präzisionswerkzeugbau GmbH auf der letzten BlechExpo. Aus gutem Grund: Wer sich die ‚Schneeflocke’ genauer angesehen hat, konnte gleich mehrere Details entdecken, die sich eigentlich in dieser Form nicht herstellen lassen, aber immense Vorteile beim Stanzen bieten. Und die ‚Schneeflocke’ war erst der Anfang: Der neueste werkzeugtechnische Geniestreich mit dem Namen ‚Sonne, Mond und Sterne’, den Boenig erstmals auf dem 2. Kongress Stanztechnik in Dortmund vorgestellt hat, geht nochmals einen großen Schritt weiter.

Hinter diesen stanztechnischen Meisterstücken steckt ein Verfahren, das eigentlich gar nicht so neu ist. Die ersten Patente zum gezielten elektrochemischen Abtragen von Metallen wurden schon in den 60er Jahren erteilt und sind mittlerweile ausgelaufen. Seitdem gab es aber nur ein paar sehr spezifische Anwendungen – überwiegend zur Herstellung von Serienteilen, denn für jede Applikation war ein beträchtlicher Aufwand nötig. PEMTec hat es jetzt aber geschafft, industriereife Anlagen zur Präzisen Elektrochemischen Metallbearbeitung – PEM – auf den Markt zu bringen.

Als eine der ersten haben Lothar Boenig, Geschäftsführer, und Georg Neufurth, Prokurist von Boenig, das Potenzial des Verfahrens erkannt und mit einem neuen Ansatz für den Werkzeugbau optimiert. Denn schon kurz nach der Installation des PEMTec-Systems gelang Boenig der erfolgreiche Test einer Universal-Applikation, durch die sich das System hervorragend als Werkzeugmaschine für den Werkzeugbau einsetzen lässt. Lothar Boenig: „Seit uns dies gelungen ist, sind wir absolut sicher: Diese Technologie hat ein enormes Potenzial für den Werkzeugbau und erlaubt es Dinge zu tun, die mit anderen Verfahren nicht machbar sind.“

Georg Neufurth ergänzt: „Bis dahin war die PEM-Technologie sehr spezifisch auf einzelne Kundenprodukte ausgerichtet. Mit der Entwicklung der von uns inzwischen zum Patent angemeldeten Universal-Applikation haben wir es jetzt geschafft, mit der PEM-Technologie ein viel breiteres Feld als bisher abzudecken.“ Georg Neufurth zur grundsätzlichen Funktion: „Das PEM-Verfahren basiert auf dem Prinzip der Galvanik – allerdings mit einem entscheidenden Unterschied. In der Galvanik wird von einer Opferanode Material abgetragen und damit eine Schicht auf einem Bauteil aufgebracht. Beim PEM-Verfahren wird das Material gezielt vom Werkstück abgetragen und dann weggespült. Dazu fährt eine Elektrode bis auf eine Entfernung von etwa 1/100 mm ans Werkstück heran. Dann wird ein kurzer Gleichstrom-Impuls ausgelöst und dadurch das Material abgelöst. Danach fährt die Elektrode etwas zurück. Das abgetragene Material bleibt gelöst im Spalt und wird vom Elektrolyt weggespült. Dies alles erfolgt mit einstellbaren Puls­takten von bis zu 50 oder sogar 60 Hertz, beim Polieren kann die Pulsrate auch deutlich darunter liegen, um den Prozess intensiver zu gestalten.“

Diese Art der Bearbeitung bringt gleich mehrere große Vorteile für den Werkzeugbau mit sich. Für Lothar Boenig einer der Wichtigsten: „Die PEM-Technologie ist im Gegensatz zum Erodieren ein kaltes Verfahren, bei dem das Material nicht beeinflusst wird. Ganz anders beim Erodieren: Hier herrschen zum Beispiel im Lichtbogen beim Drahterodieren Temperaturen von 8.000°C bis zu 12.000°C, bei denen das Material verändert und die Oberfläche verbrannt wird. Beim PEM-Verfahren wird der Werkstoff bei der Bearbeitung nicht verletzt, die Grundsubstanz des Stahls bleibt unberührt und wir können jede Oberfläche so schön und fein gestalten, wie wir sie haben wollen.“ Durch die besondere Funktion kann in bestimmten Fällen sogar mit ein- und derselben Elektrode in einem Arbeitsgang zuerst geschruppt, dann geschlichtet und anschließend poliert werden.

Grundsätzlich lässt sich die PEM-Bearbeitung in drei unterschiedliche Varianten unterteilen: in das Front-Pemen, das Umfangspemen außen und das Umfangspemen innen. Frontpemen wird zum Beispiel für die Herstellung von Kugelkalotten oder speziellen Oberflächenstrukturen für Pressgesenke eingesetzt. Das Umfangspemen erlaubt die Herstellung prismatischer Körper wie Schneid-, Zieh- und Pressstempel oder Bohrungen und Gesenken. Die Elektrode beim Umfangspemen außen ist im Prinzip ein dünnes Blech, in das die Form der gewünschten Kontur hineingefräst oder geschnitten wurde, vergleichbar mit dem Auslass einer Küchenmaschine für Spritzgebäck.

Die Herstellung der Stempel lässt sich jetzt mit der von Boenig entwickelten Universal-Applikation einfach und schnell erledigen. Georg Neufurth: „Wir wollten den Applikationsaufwand für ein neues Bauteil im kleinstmöglichen Rahmen halten und haben dazu eine mittlerweile zum Patent angemeldete Lösung entwickelt, bei der im Prinzip ein Blech mit der Negativ-Kontur eingespannt und über das PEM-Verfahren der Stempel erzeugt wird. Das Blech wird von uns in der Regel HSC-gefräst, könnte aber auch drahterodiert werden. Da wir sowohl auf der HSC-Fräsmaschine als auch auf der PEM-Anlage Nullpunkt-Spannsysteme von Erowa verwenden, können wir die Elektrode nach dem Fräsen direkt in die PEM-Maschine einspannen, wobei die sehr genaue Position erhalten bleibt.“

Grenzen sind der Genauigkeit ohnehin weniger durch das Verfahren an sich, sondern mehr durch die Peripherie gesetzt. Denn die PEM-Technologie kann als elektro-chemisches Verfahren atomar auflösen, die Genauigkeit wird deshalb nur durch die mechanischen Gegebenheiten limitiert, also durch die Genauigkeit der Maschine und der Elektrode.

So könnte das PEM-Verfahren durchaus Oberflächenstrukturen im Nanobereich erzeugen, das einzige Problem ist die Herstellung der dafür nötigen Elektrode. Lothar Boenig: „Wir können im Rahmen der Präzisionsmöglichkeiten von Maschine und Werkzeug genau die Atome wegnehmen, die wir nicht haben wollen. Der Rest bleibt unberührt. Das geht hin bis zu schärfsten Klingen. Konventionell hergestellt tritt bei feinen Klingen irgendwann ein Schleifbrand auf, bei der PEM-Technologie ist das nicht der Fall. Wenn es uns gelänge, ein entsprechendes Werkzeug zu bauen, könnten wir sogar eine Nadelspitze mit einem einzelnen Atom herstellen.“

Weiße Schichten, wie sie beim Erodieren durch das Abschmelzen des Materials mit hohen Temperaturen auftreten können, gibt es beim PEM-Verfahren ebenfalls nicht. Dieser Randbereich, der beim Erodieren entstehen kann, ist verbrannt, aber noch fest, und gibt bei hoher Belastung irgendwann nach – das Werkzeug bricht. Anders bei der PEM-Bearbeitung. Georg Neufurth: „Hier endet die Bearbeitung im PEM-Spalt, das restliche Material wird nicht beeinflusst. Mikro-Verletzungen im Oberflächenbereich gibt es nicht. Dies macht vor allem filigrane Aktivteile wesentlich haltbarer.“

Weitere Besonderheit: Mit der PEM-Technologie sind scharfkantige Innenkonturen möglich. Solche Ecken lassen sich mit keinem anderen Verfahren herstellen – nicht einmal durch Senkerodieren mit zahlreichen Schlichtelektroden. Eine gewisse Verrundung ist bei allen anderen Verfahren unvermeidbar. Eine Verrundung tritt beim Pemen nur innerhalb des PEM-Spaltes auf, die Radien bewegen sich dabei aber in der Größe von 3/100 mm.

Ein Vorteil, der insbesondere bei Stanzwerkzeugen zum Tragen kommt: Über die PEM-Technologie lassen sich sehr einfach Schmiernuten in die aktive Schneidgeometrie einbringen. Es genügt ein kurzer Stromimpuls, die Elektrode löst etwas mehr Material ab und schon entsteht eine kleine, kontur-folgende Nut, deren Tiefe sich durch die Wahl der Pulse im Bereich von Hundertstel bis einige Zehntel Millimeter frei gestalten lässt. Auf diese Art und Weise kann die aktive Schneidgeometrie auch sehr einfach mit Hinterschnitten versehen werden.

Insbesondere für die Feinschneidtechnik bringt dies gravierende Verbesserungen, da man nicht mehr im UT verharren und den Stempel dann wieder aus dem Material herausreißen muss. Mehr noch. Georg Neufurth: „Ich stelle sogar den bisherigen Prozess des Feinschneidens in Frage: Beim Feinschneiden wird ja fast oder sogar teilweise ganz ohne Schneidspalt gearbeitet. Wenn man nun einen minimalen Schneidspalt möglich machen könnte, müsste man eventuell nicht mehr wie heute vor der Matrize stehen bleiben, sondern könnte mit einem hinterschnittenen Stempel sogar durch die Matrize durchtauchen. Denn durch den Hinterschnitt tritt keine Reibung im Werkzeug auf. Das Durchfahren mit hinterschnittenen Stempeln durch das Werkzeug hat sich im Dünnblechbereich hervorragend bewährt. Wir gehen unter die relevante Schneidgeometrie der Matrize und können dort eine Abstreifkante anbringen, mit der wir im Rückhub den Stanzbutzen abstreifen. Mit diesen Ideen sind wir bei den Feinschneidern auf sehr großes Interesse gestoßen und haben schon viele gestandene Werkzeugmacher zum Staunen gebracht. Es deutet momentan vieles darauf hin, dass wir mit der PEM-Technologie einem scheinbar etablierten Gebiet wie dem Feinstanzen zu neuem Schwung verhelfen können.“

Was heute möglich ist, wird Boenig mit dem Demo-Werkzeug ‚Sonne, Mond und Sterne’ auf der Proform in Dortmund sowie auf der Stanztec in Pforzheim demonstrieren: Das Werkzeug stanzt aus einen 0,25 mm dicken 1.4310-Federstahl mit einer Zugfestigkeit von bis zu 1.500 N/mm2 eine Ronde mit 30 mm Durchmesser. Im Prinzip bricht dieser sehr schwierig zu bearbeitende Edelstahl beim Stanzen und wird eigentlich nicht mehr wirklich geschnitten. Boenig arbeitet hier mit einem extrem kleinen Schneidspalt, was aber an die Stempel einen sehr hohen Anspruch stellt. Wie Lothar Boenig versichert, machen dies konventionell hergestellte Stempel nicht lange mit.

Damit nicht genug. Georg Neufurth: „Ohne die PEM-Technologie müssten wir im Werkzeug sehr viele Stanzschritte kreieren, um die einzelnen Stempel herstellen zu können. Der dafür nötige Aufwand spottet jeder Beschreibung: Es entsteht eine im Vergleich zum Bauteil riesige Matrize und wir müssten einzelne Werkzeuge schultern oder klemmen, weil wir sie im Oberteil sonst nicht fixieren können. Zudem steigen mit der Zahl der Stanzschritte die Fehlerquellen. Und selbst das genaueste Werkzeug braucht etwas Spiel, wenn der Fänger in den Stanzstreifen eintritt. Dieses Spiel kann sogar beim optimalen Stanzprozess zu Fehlern führen. Dies alles ist sehr kostenintensiv und bindet enorme Kapazitäten – ganz zu schweigen von Mehrkosten, die durch den Einsatz einer weit größeren Presse entstehen, denn eine kleine Presse bringt zwar die nötige Kraft, hat aber nicht genug Platz für das große Werkzeug.“ Dazu kommt noch: Große Werkzeuge brauchen nicht nur in der Presse, sondern auch in der Herstellung und bei der späteren Lagerung mehr Platz.

Ganz anders beim PEM-Verfahren: Durch die Zusammenfassung mehrerer Stanzungen in einen Stempel reichen für das gleiche Stanzteil drei Stanzschritte aus. Durch die andere Gestaltung der Stempel kann sogar in bestimmten Fällen der bisherige Abfall als dekoratives Teil genutzt werden. Die Matrize ist wesentlich kompakter und wird sinnvoller genutzt. Obwohl beim Werkzeug ‚Sonne, Mond und Sterne’ sehr filigrane Stempel eingesetzt werden, sind alle Schneidstempel hinterschnitten, können durch das Werkzeug durchtauchen und dadurch den Stanzbutzen sicher abführen. Zudem lassen sich mehrere filigrane Schneidkonturen auf einem stabilen Normsockel unterbringen, was einfache Stempelaufhängung in der Halteplatte erlaubt.

Und wenn es irgendwann zu einem Werkzeugbruch kommen sollte, kann das PEM-Verfahren seine Vorteile erst so richtig ausspielen. Lothar Boenig: „Sogar überaus komplexe Schneidstempel sind schnell verfügbar, denn durch den schnellen Vorschub ist mit der entsprechenden Peripherie ein Ersatzstempel in zwei Stunden fertig. Zum Vergleich: Konventionell hergestellt hätte so ein Stempel eine Lieferzeit von vier bis acht Wochen. Eine umfangreiche und teure Lagerhaltung von zahlreichen Ersatzstempeln ist dadurch nicht mehr nötig und die Instandhaltung der Werkzeuge wird deutlich günstiger. Möglich macht dies die extrem hohe Wiederholgenauigkeit der PEM-Technologie, denn die Elektrode nutzt sich durch die Bearbeitung nicht ab – einen prozessbedingten Verschleiß wie beim Erodieren oder HSC-Fräsen gibt es nicht. Wenn wir einmal eine Elektrode hergestellt haben, können wir mit denselben Parametern und Elektrolyt-Konzentrationen jederzeit diesen Stempel hochgenau wiederholen.“

Es müssen auch nicht immer filigrane oder komplexe Stempel sein, die einen Einsatz der PEM-Technologie nahe legen. Georg Neufurth: „Ein für mich sehr interessanter Ansatz ist es, runde Standardstempel nachträglich mit einem Hinterschnitt zu versehen, um beim Feinschneiden durch das Werkzeug durchtauchen zu können. Solche Arbeitsgänge können wir relativ einfach ohne Probeschüsse und damit recht günstig umsetzen. Es muss deshalb nicht jeder Werkzeugbauer eine eigene PEM-Anlage anschaffen. So etwas kann man auch bei uns in Lohnarbeit machen lassen.“

Eine weitere, gewinnbringende Idee der Boenig Präzisionswerkzeugbau GmbH: Mit der PEM-Technologie lassen sich sehr gut Mehrfach-Werkzeuge herstellen und damit auf einen Hub zwei, vier oder auch wesentlich mehr Teile gleichzeitig produzieren – ohne nennenswerten Mehraufwand für die Herstellung der Stempel. Lothar Boenig: „Wir setzen uns sehr stark mit der Technologie auseinander und wollen einfach wissen, was mit diesem tollen Verfahren machbar ist. Mit unseren Ideen und Lösungen haben wir schon viele Experten überrascht. So etwas fällt einem nicht in den Schoß und wir haben auch viel Lehrgeld bezahlt. Aber das Wissen und der Erfahrungsschatz, die wir dadurch erworben haben, sind unbezahlbar – gerade bei der PEM-Technologie. Denn das Verfahren ist nicht ganz so einfach, wie es aussieht. Es gehört viel Erfahrung dazu, PEM optimal einzusetzen.“ Doch mit dem entsprechenden Know-how sind die Chancen enorm, und zwar nicht nur bei neuen, sondern auch beim Ersatz bestehender Werkzeuge. Lothar Boenig: „Wir hatten einige Stempel, die uns in der Vergangenheit durch ihre komplexe, sehr filigrane Form Probleme bereitet haben. Seit wir diese Stempel in PEM-Technologie hergestellt haben, sind die Probleme vorbei.“W

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