Polykristaline Diamanten (PKD) haben sich seit Anfang der 1980er Jahre zur gleichermaßen vielseitigen wie vielfach unverzichtbaren Schneidstoffbasis für die Zerspanung von NE-Metallen und anderen nichtmetallischen Werkstoffen wie Holz, Kunststoffe und Composites, wie etwa CFK entwickelt.
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| Manager Detlef Krein, NTK Cutting Tools |
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| Udo Tschöpe, Technischer Vertrieb, NTK Cutting Tools |
Indes: Die EK-Preise für PKD-Werkzeuge und –Schneidplatten sind hoch. Die Gründe: PKD entsteht durch Sintern synthetischer Diamantkörner mittels metallischer Lösungsmittel und einigen Sinterhilfsstoffen auf Hartmetallsubstraten.
Hierfür sind Temperaturen von bis zu 1.800 °C und enorme Drücke bis 60.000 bar erforderlich. Nicht minder aufwändig ist die Veredlung der so erzeugten PKD-Blanks zu Schneidplatten mit fast beliebigen Schneidformen mit zumeist auf einige µm genauen Geometrien. Ob ihrer Härte sind PKD-Schneidstoffe bevorzugt durch spezielle Schleifverfahren und Drahterodieren in die gewünschte Form und auf Maß zu bringen. Den Aufwand müssen die Hersteller natürlich einpreisen. So kostet zum Beispiel die Bestückung eines 125 mm Planfräsers mit PKD-Schneiden, je nach Anzahl der Schneiden und Verhandlungsgeschick des Einkäufers nach VKP-Liste 1.000 bis 1.200 Euro.
Damit lassen sich nach Aussage von Kennern der Materie zum Beispiel 10.000 Motorblöcke oder Zylinderköpfe planfräsen. Das entspricht durchaus der Wochenproduktion gängiger Bearbeitungslinien, wobei große Motorenwerke verschiedene Aggregate produzieren und für die Bearbeitung mehrere Linien betreiben.
Klar: Der Werkzeuganteil an den Stückkosten ist angesichts der erzielbaren Stückzahlen je PKD-Tool, respektive ihrer hohen Standzeiten/Schnittwege überschaubar. Wahr ist aber auch, dass sich die Werkzeugkosten auf das Jahr gesehen zu stattlichen Eurobeträgen im fünfstelligen Bereich summieren. Und: Wir betrachten hier lediglich eine Operation – sprich das Planen der Dichtflächen von Zylinderköpfen und Motorblöcken!
Alleine der VDA kommt auf seinen Statistikseiten im Web für das Jahr 2013 auf eine weltweite PKW-Produktion von gut 74,5 Millionen Einheiten. Hinzu kommen Nutzfahrzeuge, Flugzeuge, Motorräder,… bis hin zu motorisierten Kleingeräten. Trotz umfangreicher Recherche fand sich keine Statistik darüber, wie viele Aluminiummotoren jährlich produziert werden. Denken wir auch noch an andere Baugruppen aus Aluminium mit hohen Dichtigkeitsanforderungen (Getriebegehäuse,…) wird klar, dass die Bearbeitung von Planflächen ein gigantisches Thema für kostensparende Rationalisierungstaten ist.
Detlef Krein, Manager der NTK Cutting Tools, Ratingen: „Wir suchen laufend neue, sinnvolle Anwendungen für unsere Schneidkeramiken. Dabei schauen wir auch nach links und rechts. Und so haben wir uns Anfang 2012 mit der Zerspanung von Aluminium beschäftigt. Die ersten Zerspanungsversuche bei dem Werkzeugmaschinenhersteller SW-Maschinen
mit unseren bewährten XTM-Planfräsern liefen ganz gut, aber längst nicht so optimal, dass wir eine Chance gegen PKD gehabt hätten.“
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| Der NTK XAMP Planfräser schneidet in der 125 mm-Variante mit 3 PKD- und 12 Keramikplatten. |
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| Während die Keramikplatten 4 mm (maximal 8 mm) tief am Umfang schneiden, sorgen die kassettierten PKD-Schneiden für das Finisch der Oberfläche (Rz 1,6µm). |
Dann erinnerte sich Detlev Krein an Versuche anderer Hersteller, beide Schneidstoffe zu kombinieren. Das hat seinerzeit wohl nicht funktioniert. Wodurch er sich aber nicht entmutigen ließ. „Wir haben einen XTM Fräser mit 125 mm Durchmesser modifiziert. Ende 2012 konnten wir schließlich bei einem Automobilhersteller weitere Versuche fahren. Die Ergebnisse waren sehr vielversprechend. Nach weiteren Optimierungen am Werkzeug bekamen wir im Juni 2013 die Chance für den ersten Langzeittest unter realen Produktionsbedingungen.
Die Kombination von 12 Keramikplatten mit 3 auf Trägerkassetten ins Werkzeug integrierten PKD Schneidplatten überzeugte derart, dass als Erstausrüstung für eine neue Motoren-Fertigungslinie gleich sechs der neuen Hybrid-Planfräser zum Einsatz kamen.
Die kassettierten PKD-Platten stehen in der Höhe als auch im Radius leicht versetzt zu den Keramikschneiden. Konsequenz dieser Arbeitsteilung: Die Keramikschneiden erledigen das große Spanvolumen von den in der Praxis oft üblichen 4 mm Schnitttiefe, während sich die PKD-Platten um den Feinschnitt kümmern.
Udo Tschöpe, Technischer Vertrieb, NTK Cutting Tools, Ratingen: „Wenn das Drehmoment der Spindel es hergibt, verkraften unsere Keramiken auch bis zu 8 mm Schnitttiefe. Keramik ist sehr Bruchunempfindlich. Mit Einschlüssen im Rohteil oder unterbrochenen Schnitten kommt die Keramik gut klar.“
Die erzielten Oberflächen sind mit Rz = 1,6µm wie bei einem komplett mit PKD bestückten Tool. Auch bei der Performance gibt es keine Abstriche. Bei AlSi9 erzielt der „Schneidstoffhybrid“ bei einer Spindeldrehzahl von ungefähr 8.000 U/min ordentliche Schnittgeschwindigkeiten von Vc = 3.180 m/min; bei 15 Schneiden und einem Vorschub je Schneide von fz = 0,14 mm errechnet sich die Vorschubgeschwindigkeit auf Vf = 16,8 m/min. Noch mehr Performance wäre wünschenswert. Aber in der Serienfertigung ist Prozessstabilität wichtiger als die Füllgeschwindigkeit der Spänebehälter.
Detlef Krein: „Die Ergebnisse aus der Praxis sprechen für sich. Mittlerweile haben wir unseren neuen Planfräser von AlSi 7 bis AlSi 12 erfolgreich getestet. Wir reden bereits mit Fertigungsplanern aus anderen Motorenwerken über weitere Einsatzmöglichkeiten. Ich bin mir sicher: Das Planfräsen von Motorblöcken und Zylinderköpfen ist erst der Anfang.“
Die erzielbaren Kosteneinsparungen lassen ziemlich sicher keinen Controller kalt. Die folgende Betrachtung bedient sich einiger Annahmen und soll lediglich die Einsparpotentiale aufzeigen. Kluge Rechner mögen mit ihren eigenen EK-Preisen und Losgrößen nachrechnen.
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| Die bewährten NTK Planfräser der XTM-Baureihe drehen sehr vibrationsarm. Nach mehreren Monaten Versuch und Optimierung,… |
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| …sowie dem obligaten Langzeittest auf einem Doppelspindler unter Realbedingungen, bewährt sich die neue XAMP-Serie in einer neuen Fertigungslinie in einem Motorenwerk. |
Für eine „PKD-Schneide“ sei hier ein EK in Höhe von 100 Euro unterstellt. Gängige, reinrassig PKD-bestückte 125er Planfräser haben 10 Schneiden. Die Bestückung kostet in diesem Beispiel: 1.000 Euro.
Der Listenpreis der vierschneidigen Keramikplatten liegt nach Aussage von NTK bei 20 Euro. Das entspricht 5 Euro je Schneide. Die Neuentwicklung von NTK schneidet (bei gleichem Werkzeugdurchmesser) mit 12 Keramikplatten und 3 PKD-Schneiden. Die Bestückungskosten errechnen sich also auf: 12 x 20 Euro, plus 3 x 100 Euro = 540 Euro.
Kostendifferenz für die Erstbestückung: 1.000 Euro minus 540 Euro = 460 Euro.
Nun zu dem, was die Tools leisten: Beim Zerspanen von AlSi 9 beträgt die prozesssichere Standzeit der PKD-Schneiden zirka 10.000 Planoperationen. Die Keramikschneiden hingegen halten 5.000 Teile, aber das je Schneidplatte mal 4 = 20.000 Werkstücke.
Wagen wir also einen fiktiven Kostenvergleich für 20.000 Motorblöcke. Hierfür benötigt ein komplett PKD-bestückter Planfräser zwei Schneidplattensätze: macht 2.000 Euro.
Die Alternative von NTK kommt für die Keramik auf 1 x 12 x 20 Euro = 240 Euro, plus 2 x 3 x 100 Euro = 600 Euro für PKD, was für die Mischbestückung Kosten in Höhe von insgesamt 840 Euro ergibt.
Bei 20.000 Operationen spart die NTK-Neuentwicklung 2.000 – 840 = 1.160 Euro oder 5,8 Cent je Teil. Das entspräche für eine Fertigungslinie mit einem Durchsatz von täglich 1.000 Motoren und 300 produktiven Tagen im Jahr eine Einsparung per anno und Werkzeug in Höhe von 300.000 x 0,058 Euro = 17.400 Euro.
Zugegeben: Die Rechnung entbehrt die Aspekte Schneidplattenwechsel und die Möglichkeit, das sich PKD-Tools nachschärfen lassen. Aber auch das kostet Geld. Indes: Für das Drehen der Keramikplatte auf eine neue, scharfkantig geschliffene sowie polierte Schneide wird natürlich auch nicht der Prozess angehalten, sondern ein voreingestelltes Schwesterwerkzeug in die Maschinenspindel gewechselt, was nur einige Sekunden kostet. Vorteilhaft ist bei der NTK-Neuentwicklung, dass nur die 3 PKD-Schneiden voreinzustellen sind. Das ist durch die einstellbaren Kassetten schnell erledigt. Das Drehen der Keramikplatten ist mit einem T15 Drehmoment-Schlüssel in wenigen Minuten erledigt.
Multiplizieren wir die oben gesparten Cent mit der Zahl der Alu-Motoren die Automobilhersteller jährlich benötigen, wird klar, dass sich durch Einsatz des neuen NTK-Planfräsers in Summe Millionen Euros einsparen lassen – Jahr für Jahr. Dazu noch ein kleiner Bonmot: Laut CAR-Center Automotive Research, Bochum erzielte VW im Jahr 2013 pro verkauftes Fahrzeug im Schnitt einen Gewinn vor Steuern und Zinsen (EBIT) in Höhe von 629 Euro. Auf der Homepage von VW findet sich für das gleiche Jahr die Zahl von 9,731 Millionen ausgelieferten Fahrzeugen. Wie viele davon einen Motor aus Aluminium haben, soll hier gar nicht interessieren. Denn: Wenn ein (egal welches) Werkzeug, auch nur 1 Cent je Zerspanungsoperation spart, sind das je Millionen 10.000 Euro! Oder bei VW entsprechend der Erlös von rund 16 verkauften Fahrzeugen. Doch genug mit derlei Gedankenspiel!
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Mittlerweile hat NTK die Neuentwicklung in den Stand einer Baureihe erhoben. Die Planfräserserie hört auf den Namen XAMP, was für eXtreme Alu-Milling Performance steht. Aktuell sind die Tools für Durchmesser 63 mm (2/6), 80 mm (2/8), 100 mm (3/9), 125 mm (3/12) und 160mm (4/16) lieferbar (in Klammern steht die Anzahl Schneiden PKD/Keramik). Eine gestufte Erweiterung des Lieferprogramms bis Durchmesser 315 mm (9/36) ist in Arbeit, wobei der Stahlkörper aus Gewichtsgründen ab 160 mm aus Aluminium gefertigt wird.
NTK auf der AMB 2014: Halle 1/Gallerie, Stand Z 110
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