Mit Diamant durch den Graphit

Noch 2004 ging der Formenbau laut einer Umfrage des Fraunhofer Instituts für die nächsten Jahre von 20 Prozent Wachstum im HSC-Fräsen aus. Inzwischen hat sich gezeigt, dass sich dagegen die Funkenerosion weit stärker entwickelt hat als erwartet. Dazu beigetragen hat besonders die zunehmende Verwendung von Graphitelektroden: Schneller zu bearbeiten als Kupferelektroden ermöglicht es das vielseitige Material, mehr Details in einer Elektrode zusammenzufassen und spart zudem Zeit beim Erodieren. Um allerdings das Optimum aus dem Werkstoff herauszuholen, bedarf es darauf abgestimmter Werkzeuge für die Elektrodenfertigung und Erfahrung in der Verwendung von Graphit.

Auf den ersten Blick haben Graphit-elektroden nur Vorteile: Durch die Funkenerosionsmethode lassen sich damit Geometrien realisieren, die frästechnisch nicht möglich wären. Dabei ist Graphit anders als das ebenfalls für Elektroden verwendete Kupfer thermisch stabil, verformt sich nicht während des Erodierprozesses und weist hohe Abtragsraten auf. Die Oberflächengüte ist speziell mit Feinkorngraphiten deutlich höher und beim Schruppen ist nur mit geringem Verschleiß zu rechnen. Vor allem aber spart Graphit gegenüber Kupfer Zeit und Material. Der Aufwand für Formeinsätze lässt sich beispielsweise um etwa 50 Prozent reduzieren. „Wo mit Kupfer rund 100 Einzelelektroden nötig wären, reichen mit Graphit unter Umständen schon 25 Einzelelektroden“, berichtet Wolfang Lenarz von der SGL Group, einem der weltweit führenden Anbieter von Graphitprodukten. Hinzu kommt: Das Erodieren selbst verkürzt sich mit Graphit-elektroden auf nur ein Drittel der Zeit, die mit Kupferelektroden nötig wäre. Bevor sich diese Vorteile allerdings nutzen lassen, müssen die oft filigranen Elektroden zunächst gefertigt werden, was mit besonderen Ansprüchen verbunden ist. Denn bei der Bearbeitung von Graphit gelten gänzlich andere Gesetzmäßigkeiten als im Umgang mit metallischen Werkstoffen wie beispielsweise Kupfer. Das beginnt schon bei der Auswahl des Graphits. „Je nach Anforderungen, wie etwa der Anzahl der Einsenkungen, Größe und Geometrie der Elektrode oder dem technischen Stand der verwendeten Senkerodiermaschine, muss der Nutzer zwischen Schrupp-, Universal- oder Schlichtgraphiten entscheiden“, so Lenarz. Die Unterschiede liegen im Wesentlichen in Dichte, Korngröße und Biegefestigkeit und wirken sich auf das Abtragsverhalten und die Verschleißfestigkeit beim Erodieren sowie auf die erreichbare Oberflächengüte aus. Allen Graphitsorten gemein ist die abrasive Natur des Staubes, der bei ungeeignetem Werkzeug oder falschen Einstellungen zu geringen Standzeiten in der Elektrodenfertigung führen kann. „Lange Standzeiten bei hoher Genauigkeit und gleich bleibender Qualität sind allerdings die Grundansprüche, die an die Fräswerkzeuge gestellt werden“, meint Oliver Sigel, Geschäftsführer der auf hochpräzise Fräser spezialisierten Dima Werkzeuge GmbH. Vor allem da mit Graphit in der Regel sehr feine Details realisiert werden sollen, die schon bei geringsten Schwankungen im Rundlauf des Fräsers oder durch ein Ausbrechen des Werkzeugs zerstört würden. Um das zu vermeiden und eine dauerhafte Leistungsfähigkeit zu gewährleisten, verwendet das Unternehmen bei Graphit-Fräsern eine spezielle Diamantbeschichtung, wie Sigel erklärt: „Wichtig sind dabei Qualität und Zusammensetzung des verwendeten Hartmetalls für den Fräserkörper. Sie entscheiden, ob sich die Beschichtung dauerhaft hält.“ Mit dieser Feinabstimmung von Metall und Diamantschicht lassen sich nicht nur deutlich längere Standzeiten und ein zuverlässiges Arbeiten der Werkzeuge erreichen, sondern auch die Genauigkeit erhöhen. Bei den geringen Rundlauf- und Durchmessertoleranzen und den kleinen Radien, die in der Graphitbearbeitung zum Einsatz kommen, ist die dadurch zu erreichende Laufruhe ein entscheidendes Kriterium für die Qualität der gefertigten Elektrode. Aus demselben Grund werden die Fräser von Dima mit einer Schafttoleranz in H5-Qualität hergestellt, wodurch sie sich sehr gut zum Schrumpfen eignen. Gegenüber der Spannung mit Spannzange erhöht sich so die Rundlaufgenauigkeit deutlich, was Unwuchten vorbeugt. Auch die Programmierung der Elektrode muss auf den keramischen Werkstoff Graphit abgestimmt sein und lässt sich nicht mit der Bearbeitung von etwa Kupfer vergleichen. Bei der SGL Group werden dafür mehrtägige Workshops angeboten, um sich mit den besonderen Anforderungen des Materials vertraut zu machen und den Umgang damit zu trainieren. Insbesondere wird hier auf graphitspezifische Programmierstrategien, Schnittparameter und geeignete Fräswerkzeuge eingegangen. „Selbst Anwender, die schon lange Jahre Graphit einsetzen, können so noch bis zu 30 Prozent ihrer Werkzeugkosten einsparen“, berichtet Graphit-Experte Lenarz. „Grundsätzlich ist das Thema sehr komplex und für viele Anwender zunächst ungewohnt, weshalb wir versuchen, in solchen Workshops die verschiedenen Besonderheiten und Möglichkeiten darzustellen.“ In jedem Fall solle man sich die Zeit nehmen, sich mit dem neuen Werkstoff vertraut zu machen, und Änderungen nur Schritt für Schritt einführen. Für viele Anwender besonders ungewohnt sind die spezifischen Vorgaben für Vorschub pro Zahn und Schnittgeschwindigkeit der Fräser bei der Bearbeitung von Graphit, wie Sigel aus seiner Erfahrung weiß: „Die Werte dürfen nicht zu niedrig eingestellt werden, sonst verschleißt das Werkzeug schneller.“ Vielfach wird aber noch davon ausgegangen, dass man Werkzeuge nicht unterfordern könne und dass ein langsamerer Lauf Maschine und Fräser nur schonen würde. Bei Graphit allerdings reibt sich durch eine falsche Einstellung das Fräswerkzeug im körnigen Staub auf, der wie ein Schleifmittel wirkt und die präzise Schneidengeometrie zerstört. In der Folge entspricht auch die Oberfläche der Elektrode nicht der erwarteten Qualität. Tatsächlich sollten für die Fertigung von Graphitelektroden sogar höhere Vorschübe und Geschwindigkeiten verwendet werden als etwa bei Kupfer. Bei Drehzahlen von über 30.000 Umdrehungen pro Minute sind je nach Elektroden- und Fräsergeometrie Vorschübe von fünf bis 25 Metern pro Minute möglich. Beim Schruppen liegt die Bearbeitungsgeschwindigkeit damit dreimal höher als sie beim Einsatz von Kupfer wäre, Schlichten geht sogar fünfmal schneller. Grund dafür ist die gute Zerspanbarkeit von Graphit: Durch seine molekulare Struktur ist diese Kohlenstoff-Ausprägung weniger hart als beispielsweise Diamant. Gleichzeitig bilden sich beim Fräsen keine Grate, was den Aufwand der Nachbearbeitung reduziert. Je nach Anforderung sind die Spezialfräser hierfür – wie auch herkömmliche Fräswerkzeuge – in verschiedenen Längen und Durchmessern als Kugelkopf- und Schaftausführung sowie mit Freilängen erhältlich. Sie lassen sich so auf die jeweilige Anwendung abstimmen. Beim Präzisionsformenbauer Hans Zetterer Formen- und Werkzeugbau GmbH in Roth beispielsweise werden mittels Graphitelektroden und Senkerosion jährlich rund 100 Werkzeuge mit Einzelgewichten von bis zu fünf Tonnen hergestellt. Die Druck- und Spritzgussformen kommen vor allem in der Automobilindustrie zum Einsatz. „Wir nutzen Graphitelektroden zur Einarbeitung komplexer Geometrien in die façongebenden Bauteile unserer Druckgussformen“, erklärt Alexander Zetterer. „Andere Fertigungsverfahren wären dafür nicht geeignet.“ Die benötigten Elektroden werden inhouse an 3- und 5-Achs-HSC-Fräsmaschinen hergestellt. Dabei sei unter anderem zu beachten, dass Graphit sehr stoß- und schlaganfällig ist, so Zetterer, weshalb nur mit Gegenlauf gefräst werden sollte, um Kantenbrüche zu vermeiden. Elektroden wie Werkzeuge werden in Catia V5 oder ProEngineer erstellt, wodurch die zugehörigen Daten nativ verarbeitet werden können. Der entstehende abrasive und umweltbelastende Graphitstaub wird im Unternehmen direkt an den Fräsmaschinen durch Absauganlagen eingefangen. Zwar sind die Kohlenstoffpartikel nicht giftig, aber ohne Absaugung könnten sie sich überall absetzen und die Funktion der Maschinen beeinträchtigen. Als letzter Arbeitsschritt werden die gefrästen Elektroden bei Zetterer über ein 3-D-Messgerät vollständig vermessen und kontrolliert, um die Einhaltung der geringen Fertigungstoleranzen sichern zu können. So wird gewährleistet, dass die Graphitelektroden auch leisten, was sie versprechen: Höchste Oberflächengüte bei detaillierten Formen.

www.dima-werkzeuge.de

www.sglgroup.com