Fachbericht : Kann Stanzen und Feinschneiden Drehen und Fräsen ersetzen?

Es gibt immer mal wieder gute Gründe, altbewährte Pfade zu verlassen und über Neues nachzudenken. Auch und gerade dann, wenn es um Herstellungsverfahren im Bereich Drehen und Fräsen geht und um die Überlegung, diese Produktionsformen durch Stanzen und Feinschneiden zu ersetzen. Und auch, wenn bei vielen Konstrukteuren der Schwerpunkt eindeutig auf der spanenden Fertigung liegt, ist es mehr als lohnend, einmal über den Tellerrand zu schauen. Die Wirkung von Umform- oder Scherkräften sind zwar meistens präsent, aber darüber, was die spanlose Fertigungstechnik zu bieten hat, wird viel zu selten nachgedacht.

Es sind ein paar wenige Kriterien, die gegeben sein müssen, um ein Drehteil stanzen oder feinschneiden zu können. Zunächst einmal muss der Werkstoff in Bandform erhältlich und somit ein Walzprodukt sein. Dann muss er die erforderliche Umformbarkeit aufweisen, also gewisse Anforderungen an das Fließverhalten erfüllen. Bei der etampa AG, dem Schweizer Präzisionshersteller für das Stanzen und Feinschneiden mit Sitz in Grenchen im Kanton Solothurn, wird dies beispielsweise durch geglühtes Rohmaterial erreicht. Dabei geschieht die eigentliche Verarbeitung in einem weichen Zustand, und das gestanzte oder feingeschnittene Teil wird im Anschluss bei Bedarf noch gehärtet. Darüber hinaus muss man beachten, dass Walzprodukte anisotrop sind, das heißt, dass ihre mechanischen Eigenschaften längs und quer nicht zu 100% identisch sind; hier muss die jeweilige Richtungsabhängigkeit berücksichtigt werden. Etwaige sich ergebene Ungleichheiten können auch hier durch Glühen reduziert, oftmals sogar ganz ausgeglichen werden.

Auch die Teile-Geometrie spielt eine wichtige Rolle, denn es gibt einen Zusammenhang zwischen der Belastbarkeit der Werkzeuge und der Produktion. Beispielsweise dann, wenn es um Lochdurchmesser geht: Hier wird unter anderem definiert, wie klein ein Loch sein kann, das in ein Material hineingestanzt wird, ohne dass der Lochstempel bricht. Auch technologische Eigenheiten wie Stanzeinzug, Grat oder Schnittflächenausformung müssen hinreichend berücksichtigt und dem Stanzprozess angepasst werden. Und natürlich spielt die Materialdicke eine Rolle.

Marco Costa, Leiter Konstruktion und Neuwerkzeugbau bei etampa: „Beim Stanzen können wir Materialdicken von 0,1 bis 4 mm, beim Feinschneiden von 0,5 bis 7 mm problemlos verarbeiten. Wenn ein Kunde darüber nachdenkt, das Drehen durch das Stanzen oder Feinschneiden zu substituieren, dann gilt als Faustregel: je dünner das Material, desto eher kommt eine Substitution in Betracht. Das liegt nicht zuletzt daran, dass bei der spanenden Fertigung oftmals hohe Kräfte auf die Teile einwirken, die die Geometrie der Teile beschädigen könnten“.

Allerdings, so Costa, gelte es noch viele andere Faktoren zu beachten. Er nennt ein Beispiel: „Angenommen, ich ein fertige ein rundes Teil, Materialdicke 3 mm, und nutze dazu ein einfach fallendes Werkzeug. Wenn ich dann eine Scheibe mit einem sehr großen Loch aus einem Streifen schneide, also einen Kreisring produziere, dann haben wir als Stanzer zunächst einmal eine nicht so optimale Materialausnutzung“. Beim Dreher sehe das auf den ersten Blick anders an: Der kaufe sich in so einem Fall ein Rohr; da er ja den Innen- und Außendurchmesser bearbeiten und abstechen müsse, habe er an dieser Stelle sehr viel weniger Materialeinsatz. Aber, gibt Costa zu bedenken: „Wenn wir ein dreidimensionales Teil durch ein Ziehteil ersetzen und aus einer flachen, runden Platine eine Hülse oder Büchse formen, dann haben wir im Vergleich zum Drehen eine deutlich bessere Materialausnutzung, denn beim Drehen muss man bei dem genannten Beispiel ja fast aus dem Vollen schöpfen. Das Teil muss komplett ausgehöhlt werden, und das wiederum bedeutet, dass dabei wesentlich mehr Späne als bei der alternativen Fertigungsvariante Stanzabfälle produziert werden“.

Lassen sich allgemeine Empfehlungen aussprechen, welche Teile in der spanenden Fertigung, vielleicht auch in welchen Industriezweigen, für die Substitution prädestiniert sind? Hans Rudolf Haefeli, Inhaber und CEO bei etampa: „Das Stanzen und das Feinschneiden sind in der Regel als Alternativen immer dann interessant, wenn es entweder um hohe Stückzahlen oder um das Gewicht der zu fertigenden Teile geht; letzteres ist oftmals im Leichtbau der Fall, insbesondere im Bereich Automotive“. Hinzu komme, dass man je nach zu fertigendem Teil einen oder mehrere komplette Prozessschritte wie beispielsweise Hohnen oder Schleifen einsparen könne: „Nehmen Sie als Beispiel einen Ventilsitz, wo die Kugel hineinkommt; der muss kalibriert werden, und das geschieht im Normalfall am Montageband. Bei uns wird dieser Arbeitsschritt direkt ins Folgeverbund-Werkzeug eingebaut und erspart somit einen weiteren Verarbeitungsschritt“.

Was die erforderlichen hohen Stückzahlen angehe, so seien diese sozusagen eine rechnerische Voraussetzung, so Haefeli, denn beim Stanzen ergeben sich dadurch, dass zunächst ein Werkzeug gefertigt werden müsse, deutlich höhere Einstiegskosten als beim Drehen. Allerdings: „Was man zusätzlich nicht außer Acht lassen darf, ist die Geschwindigkeit, mit der beim Stanzen oder Feinschneiden gefertigt werden kann. Wir haben Werkzeuge im Einsatz, die 8 oder mehr Kavitäten haben, und das bedeutet, dass bei jedem einzelnen Hub 8 oder mehr Teile herausfallen. Und wenn man dann noch die lange Lebenszeit der Werkzeuge bedenkt, ist man sehr schnell wieder im dunkelgrünen Bereich“. Beim Drehen hingegen werde im Schnitt alle 10 Sekunden ein Teil produziert: „Das ist dann schon ein mehr als deutlicher Unterschied“. Je nach Teileproduktion hätten sich die Gestehungskosten oft schon innerhalb weniger Monate amortisiert, so Haefeli.

Kann er das positive Substitutionspotenzial abschätzen, und zwar als Win-Win Situation für alle Beteiligten, also für die potenziellen Kunden und für sie als Hersteller? Haefeli muss nicht lang überlegen: „Ich bin fest davon überzeugt, dass bis zu 20% der Teile, die heute gedreht oder gefräst werden, gestanzt werden können, und zwar sowohl unter Material- als auch unter Geometriegesichtspunkten. Und wenn man sich dann vor Augen hält, dass die Stanzproduktion im Bereich 30+% günstiger sein wird, dann hat man auf beiden Seiten nur Gewinner. Die Einsparpotenziale sind beachtlich“. (Autor: Ute Zimmermann)