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Formteile/Werkstoffe - Fertigungsverfahren

Metallbearbeitende Verfahren im Vergleich

Die Ätztechnik hat sich als Bearbeitungsverfahren von Metallteilen neben den konventionellen Verfahren wie dem Stanzen etabliert. Das Verfahren wird nicht mehr nur zur Prototypenfertigung eingesetzt, sondern auch in der Serienfertigung dünner Metallteile mit komplexem Design.

Konventionelle Fertigungsverfahren wie Stanzen, Laserstahlschneiden oder Wasserstrahlschneiden im Vergleich mit der Ätztechnik, um den Zusammenhang der spezifischen Merkmale der einzelnen Verfahren sowie ihre Wirtschaftlichkeit zu erläutern.

Bild 1: Herstellungsprozess bei Precision Micro im Reinraum der Klasse 10.000

Eines der geläufigen Verfahren für die Herstellung von Teilen aus dünnem Metallblech ist die Stanztechnik. Als Alternativen hierzu haben sich unter anderem die Laserstrahlbearbeitung und die Wasserstrahlbearbeitung etabliert. Die photochemische Ätztechnik hielt man bis vor relativ kurzer Zeit noch für eine Technik, die allein für die Prototypenherstellung steht. Doch hat sich in den letzten Jahren immer wieder gezeigt, dass diese vielseitige Metallverarbeitungstechnik auch für die Massenfertigung hervorragend geeignet ist.

Bei der Fertigung neuer Produkte und Anwendungen stellt sich den Konstrukteuren und Technikern stets die Frage, welches Metallbearbeitungsverfahren sich am besten für die jeweiligen Anforderungen eignet. Die Auswahl der richtigen Bearbeitungstechnik ergibt sich aus der Geometrie der zu produzierenden Teile, aus der Art des zu verarbeitenden Metalls, aus seiner Dicke, der erforderlichen Zerspanungsqualität und der benötigten Geschwindigkeit des Bearbeitungsverfahrens. In den Konstruktionsprozess werden finanzielle Erwägungen und technische Überlegungen gleichermaßen einbezogen. Dabei sind die Stückkosten und die Werkstückqualität von entscheidender Bedeutung. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Fertigungstechniken und Bearbeitungsverfahren genauer zu analysieren und zu bewerten. Diese Analyse fokussiert sich dabei auf die Kriterien Genauigkeit, Material, Bearbeitungsgeschwindigkeit, Werkzeugerstellung und Kosten.

Genauigkeit von Kontur und Oberfläche

Branchen wie Medizintechnik, Luftfahrt, Automotive, Chemie oder Elektronik fordern immer kleinere, komplexere und exaktere Metallteile. An die Bearbeitungsverfahren werden somit vor allem hinsichtlich der Genauigkeit immer höhere Anforderungen gestellt. Wenn Präzisionsmetallteile gefertigt werden sollen, stehen für die Umsetzung enger Toleranzen und komplexer Bauteilgeometrien nur bestimmte Verfahren zur Auswahl.

Die Ätztechnik ist ein chemischer Prozess, der nicht erwünschtes Metall mit einer minimal erreichbaren Standardtoleranz von ± 25 Mikrometern entfernt. Durch diesen exakt kontrollierten Prozess entstehen glatte und gratfreie Kanten. Diese Konturgenauigkeit ist einer der entscheidenden Vorteile der Ätztechnik. Das Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung von Präzisionsteilen wie Metallgitterstrukturen, Leadframes, Brennstoffzell- und Wärmetauscherplatten, Präzisionsfedern, Unterlegscheiben und Dichtungen sowie von dekorativen Teilen wie z. B. Autoinnenverkleidungen.

Bild 2: Die Prozessschritte der Ätztechnik

Stanzen

Bei dem zerteilenden Verfahren des Stanzens wird das Blech, üblicherweise auf Rollen, entlang beider Seiten mit Positionslöchern für die Positionierung des Blechs in der weiteren Verarbeitung versehen. Über diese Positionslöcher wird das Blechband durch die Stanze geführt. Das Material wird zwar ohne Wärmeeintrag geformt, jedoch treten hier mechanische Kräfte auf, die verschiedene Auswirkungen auf das Material haben: Es kommt zu Spannungen sowie zu Konturen mit einer leichten Anschrägung und einem Grat.

Wasserstrahlschneiden

Auch beim sogenannten Wasserstrahlschneiden, bei dem das Werkstück mit einem Hochdruckwasserstrahl geformt wird, wird keine Wärme zugeführt. Jedoch ist die Einhaltung von Toleranzen mit diesem mechanischen Bearbeitungsverfahren im Mikrometerbereich weitaus weniger möglich als mit der Ätztechnik, weil die Schnittkante nicht zu 100 Prozent gratfrei ist.

Laserstrahlbearbeitung

Die Laserstrahlbearbeitung – ein abtragendes, thermisches Verfahren – führt dem Material beim Schneiden Wärme zu. Dadurch kann es bei bestimmten Materialien zu Gefügeveränderungen kommen. Grundsätzlich wären bei der Lasertechnik enge Toleranzen möglich, jedoch führt die thermische Belastung zu Ungenauigkeiten in der Teilebeschaffenheit.

Im Vergleich zu mechanischen Verfahren wie dem Stanzen hat das Laserschneiden Vorteile, da die Verschmutzung des Werkstücks gering ist. Es gibt keine Schneidkante, die vom abgetragenen Material verschmutzt werden kann. Auch wenn es an der Schneidkante nicht zu Verunreinigungen kommt, verändert das Laserschneiden die Materialstruktur der Kante aufgrund der Hitzeeinwirkung. Es entsteht die so genannte Wärmeeinflusszone HAZ (heat affected zone), die den Schnitt im Vergleich zu Ätztechnik nicht 100 Prozent gratfrei erscheinen lässt.

Bild 3: Geätzte Aluminiumplatten verlassen die Produktion

Ätztechnik besonders für schwer zu zerspanende Metalle

Die einzelnen Metallbearbeitungsverfahren sind jeweils für verschiedene Materialien unterschiedlich gut geeignet. Ein großer Vorteil beim Wasserstrahlschneiden ist, dass eine große Bandbreite an Materialien verarbeitet werden kann. Bei einem Druck von über 6.000 bar werden metallische Materialien wie Kohlenstoffstahl, Aluminium, Kupfer oder Edelstahl bearbeitet, aber auch nichtmetallische wie Kunststoff, Holz, Glas oder Stein.

Bei den metallischen Werkstoffen weist auch das photochemische Ätzen eine große Bandbreite auf. Eisen- und Nichteisenmetalle eignen sich für das Ätzen, darunter austenitische und martensitische Stähle, Kupfer, Messing und Nickel. Sowohl harte Metalle wie der Edelstahl Sanvik 7C27Mo2 als auch weiche Metalle wie Aluminium oder Kupfer können verarbeitet werden. Das Verfahren ist ebenso für Hochtemperaturlegierungen wie Inconel, Edelmetalle (z.B Silber), sowie schwer für zerspanbare Metalle wie Titan und Titanlegierungen geeignet. Ideal ist die Ätztechnik im Besonderen für Metalle mit einer Materialstärke zwischen 10 Mikrometern und 1,5 Millimetern und für Plattengrößen bis zu 700 x 1.500 Millimetern. Bei dickeren Metallen dauert der Ätzvorgang länger und ist somit unwirtschaftlich.

Stanz- und Laserschneidtechnik können dickere Materialstärken verarbeiten. Bei einigen härteren Metallen können die Form- bzw. Presswerkzeuge beim Stanzen allerdings leichter verschleißen. Beim Laserstrahlschneiden beeinflusst die Dicke des Materials die Schnittqualität des Lasers. So ist bei dünnen Materialien eine äußerst dünne Schnittfuge problemlos möglich. Bei dickeren Materialien wird der Schnitt jedoch weniger präzise, da sich durch die Erhitzung des dickeren Materials die Schnittlinie mit Metallschmelze oder -schlacke füllt. Diese muss in einem zweiten Prozessschritt wieder entfernt werden, was zusätzliche Kosten verursacht.

Bild 4: Mit Ätztechnik können Präzisionsfilter aus korrosionsbeständigen Materialien wie Titan in hohen Stückzahlen produziert werden.

Bearbeitungsgeschwindigkeit entscheidet über Kosteneffizienz

Die Materialbeschaffenheit ist bei der Herstellung von Metallteilen zwar ein wichtiger Faktor. Jedoch können Aspekte wie Herstellungsgeschwindigkeit hinsichtlich Wirtschaftlichkeit nicht außer Acht gelassen werden. Darüber hinaus nimmt die Zeit für das Auf- und Abrüsten der Maschine direkten Einfluss auf die Maschinenkosten und somit auf die Wirtschaftlichkeit eines Verfahrens.

Bei einfachen Teilen ist die Bearbeitungsgeschwindigkeit beim Laserschneiden grundsätzlich hoch, die Vorlaufzeiten gering. Allerdings schwankt die Produktionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Dicke des Werkstücks, des Materials und der Art des eingesetzten Lasers deutlich. Bei komplexen Designs dauert die Programmierung insgesamt länger. Auch wird jede Kante bzw. Öffnung einzeln geschnitten, sodass auch die Bearbeitungszeit bei komplexen Teilen zunimmt.
Zusätzliche Kosten verursacht beim Laserschneiden der Strom. Im Vergleich zu anderen Techniken wird beim Laserschneiden viel Energie verbraucht.

Dafür entfallen sowohl Werkzeugwechsel als auch Kosten für Werkzeugerstellung, der Automatisierungsgrad ist sehr hoch. Im Vergleich zum Wasserstrahlschneiden werden bei der Lasertechnik zudem höhere Schnittgeschwindigkeiten erzielt. Dadurch ergeben sich kurze Bearbeitungszeiten, die denen der Ätztechnik ähnlich sind. Beim Wasserstrahlschneiden werden die Produktionskosten vor allem durch das Material bestimmt. Materialien mit einer geringen Festigkeit wie Aluminium lassen sich günstiger schneiden als Materialien mit einer hohen Festigkeit wie Edelstahl.

Die Ätztechnik hat den Vorteil, dass sie bereits bei niedrigen Losgrößen wirtschaftlich einsetzbar ist. Die Werkzeuge für das Fotoätzen sind digital. Es müssen keine teuren und schwer anpassbaren Stahlformen geschnitten werden wie beim Stanzen. Das heißt, dass große Mengen an Teilen reproduziert werden können, ohne dass es dabei zu Werkzeugverschleiß kommt. Dadurch wird gewährleistet, dass das erste und das millionste Teil absolut identisch sind. Die geringen Werkzeugkosten haben die Ätztechnik für die Herstellung von Prototypen attraktiv gemacht. Eine hohe Bauteil-Komplexität ist bei diesem Prozess nicht von Nachteil. Ob das Metallteil ein Loch oder viele hat, ändert nichts an den Kosten.

Bild 5: Die Ätztechnik ist bei kleinen wie großen Losgrößen wirtschaftlich einsetzbar.

Die Werkzeuge können bei der Ätztechnik äußerst schnell und kostengünstig verändert und angepasst werden. Änderungen im Design werden in wenigen Stunden realisiert, anstatt in Tagen und Wochen wie bei der Herstellung von Stanzformen. Somit können alle Schritte von der Prototypenerstellung bis zur Serienfertigung ohne weiteres durchgeführt werden. Das erlaubt eine Designanpassung ohne Mehrkosten. Produktaktualisierungen können so einfach durchgeführt werden. Hinsichtlich der Wiederholgenauigkeit kann die Ätztechnik erforderliche Bauteiltoleranzen konsequent erreichen – ein weiterer entscheidender Faktor für die Serienproduktion. Die Durchlaufzeit der Ätztechnik liegt etwa 90 Prozent unter der für gestanzte Teile.

Der Stanzprozess hat speziell bei komplexen Formen in Bezug auf die Werkzeugbestückung lange Vorlaufzeiten. Wenn die Stanzwerkzeuge erst einmal eingerichtet sind, sind die Bearbeitungszeiten kurz. Bauteilumgestaltungen jedoch sind zeitaufwändig und teuer. In der Serienproduktion ist das Stanzen sehr kostengünstig, die hohen Einrichtungs- und Instandhaltungskosten reduzieren diesen Effekt jedoch.

Fazit: Ätztechnik wirtschaftlich besonders bei komplexem Design

Die Vorteile des Fotoätzens gegenüber konventionellen Zerspanungsverfahren wie Stanzen oder Laserschneiden liegen in den niedrigen Kosten, der hohen Produktionsgeschwindigkeit, der Flexibilität und der Eignung für komplexe Designs. Für Präzisionsmetallteile der entscheidende Pluspunkt: gratfreie Teile, deren Eigenschaften nicht durch Hitze oder Druck beeinträchtigt sind.

Ein komplexes Produkt erfordert ein komplexes Formwerkzeug. Eine vielschichtige Werkzeugerstellung führt wiederum zu höheren Kosten, erhöhtem Risiko des Werkzeugversagens und längeren Vorlaufzeiten, bis das Werkzeug zufriedenstellend umgesetzt ist.

Beim Fotoätzen ist das nicht von Belang. Eine höhere Komplexität der Teilegeometrie und somit der digitalen Werkzeugerstellung wirkt sich nicht auf Kosten oder Vorlaufzeiten aus. Mit dem Fotoätzverfahren können feinere Details erzielt werden als mit dem Stanzen, wobei das Material kaum bis gar nicht beeinträchtigt oder verformt wird und die Gefahr von Graten und Mängeln praktisch nicht gegeben ist. Ausfallraten sind verschwindend gering und im Gegensatz zum Stanzverfahren produziert das Fotoätzen absolut plane Teile, was für einige Anwendungen unabdingbar ist. Die Stärke des Fotoätzens besteht somit in der Herstellung komplexer Teile in jeglicher Stückzahl.

Bild 6: Laminierte und bedruckte Metallplatten vorbereitet für das Ätzen.

Aber auch für das Stanzen gibt es ideale Anwendungsgebiete. Bei enorm großen Serien, bei denen sich die hohen Werkzeugkosten lohnen, und bei nicht allzu komplexen Designs ist das Stanzen in der Regel das günstigere Verfahren. Grundsätzlich lässt sich feststellen, dass konventionelle Stanzverfahren einen Kostenvorteil bieten, wenn Präzision und Wiederholbarkeit nicht die entscheidende Rolle spielen. Denn durch das Stanzen erzielte Einsparungen können wieder an Bedeutung verlieren, wenn sekundäre Arbeitsgänge nötig sind, um die Planität, die Kantenpräzision und anspruchsvolle Details zu erreichen. Das Fotoätzen ermöglicht Innovationen und verschiebt die Grenzen des Möglichen, die viele Konstrukteure in ihrer Arbeit einschränken. So können Teile produziert werden, die vielleicht nicht für möglich gehalten wurden.

Bild 7: Mit dem Fotoätzen bleiben die Materialeigenschaften unbeeinflusst. Damit ist das Verfahren ideal für die Fertigung beispielsweise von Präzisionsfedern.

Autor
Markus Rettig, Precision Micro

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