Erschließung einer Nische in der CNC-Kunststoffbearbeitung

Die Bearbeitung von Kunststoffen stellt Herausforderungen an Werkzeuge, Werkstückspannung und Späne- (und Staub-) Management. (Bildnachweis:K&E Plastics.)

Obwohl es Vorteile hat, eine Nischen-CNC-Maschinenwerkstatt zu sein, kann es auch besondere Herausforderungen geben. K&E Plastics in Bennington, Vermont, ist ein typisches Beispiel.

Wie der Name des Vertragsbetriebs andeutet, konzentriert er sich ausschließlich auf die Bearbeitung technischer Kunststoffe – sowohl Thermoplaste als auch Duroplaste – und dies seit der Gründung von K&E durch Peter Broderson im Jahr 1966. Sein Sohn Eric ist jetzt Präsident des Unternehmens.

Da nicht allzu viele Betriebe auf die Bearbeitung von Kunststoffen spezialisiert sind, einschließlich Duroplasten wie G7 und G10 mit Schleifglasfüllung, gibt es weniger Konkurrenz im Vergleich zu denen, die Aluminium, Stahl und andere herkömmliche Metalle bearbeiten. Die mangelnde Vertrautheit von Geräte- und Werkzeuganbietern mit Kunststoffen hat jedoch dazu geführt, dass K&E manchmal sich selbst überlassen war, um Strategien zur effektiven Bearbeitung dieser Materialien zu entwickeln.

Ich habe von einigen dieser Herausforderungen erfahren, als ich K&E 2013 besuchte, um meine erste Geschichte über den Laden zu schreiben. Die Notwendigkeit einer Staubabsaugung. Die Schwierigkeiten beim Fixieren von Kunststoffen. Die Werkzeugprobleme, die mit der Bearbeitung von glasgefüllten Duroplasten einhergehen. Die Liste geht weiter…

Obwohl ich K&E für diese Geschichte nicht persönlich besuchen konnte, schätze ich es, mich wieder zu verbinden und zu hören, welche neuen Technologien und Prozesse die Werkstatt hinzugefügt hat, um bei der Bearbeitung von Kunststoffen leistungsfähiger und effektiver zu werden. Dazu gehören eine andere Betrachtungsweise von Werkzeugen und Werkstückhalterungen und das Hinzufügen seiner ersten Drehmaschine vom Schweizer Typ, um engere Toleranzen und eine schnellere Produktion komplexer Teile aus Thermoplasten wie Polyetheretherketon (PEEK) zu erreichen, die zuvor auf herkömmlichen Mehrfachwerkzeug-Drehmaschinen liefen. Diese Maschine ermöglichte es dem Geschäft auch, zuvor ausgelagerte Arbeiten wieder ins Haus zu bringen.

Neue Möglichkeiten, neue Ansätze

Anfänglich konzentrierte sich K&E aufgrund der hervorragenden elektrischen Isolationseigenschaften der Materialien auf Kunststoffteile ausschließlich für elektrische Anwendungen (siehe Seitenleiste unten). Als Broderson vor 27 Jahren die Leitung des Unternehmens von seinem Vater übernahm, versuchte er, das Unternehmen zu diversifizieren, indem er sich um nicht elektrische Anwendungen in der Medizin- und Luft- und Raumfahrtindustrie bemühte. Heute verfolgt es auch Möglichkeiten in neuen Energietechnologien wie Elektrofahrzeugen, Brennstoffzellen und Energiespeicherung. Das Geschäft ist nach ISO 9001:2015 zertifiziert, hat eine Registrierung bei den International Traffic in Arms Regulations (ITAR) und ist als Teil des Joint Certification Program (JCP) zertifiziert, was es ihm ermöglicht, geheime Verteidigungsarbeiten zu gewinnen. Es ist außerdem im Rahmen des Programms „Historisch nicht ausgelastete Geschäftszonen“ (HUBZone) zertifiziert, das kleinen Unternehmen in städtischen und ländlichen Gemeinden dabei hilft, bevorzugten Zugang zu staatlichen Beschaffungsmöglichkeiten zu erhalten.

K&E bearbeitet nur Kunststoffe (einschließlich Thermoplaste und Duroplaste). ) für Branchen wie Elektro, Luft- und Raumfahrt und Medizin. Es sieht auch Möglichkeiten in neuen Energieanwendungen wie Brennstoffzellen, Elektrofahrzeugen und Energiespeicherung.

Die 30.000 Quadratmeter große Einrichtung des Geschäfts umfasst eine Reihe von CNC-Fräsern, VMCs und Drehmaschinen – insgesamt 28. Die meisten davon sind Haas Automation-Modelle. Die 2018 gekaufte Schweizer Drehmaschine ist ein Tsugami S205-Modell (dazu später mehr). Je nach Material können diese Teile mit Kühlmittel bearbeiten oder mit Hilfe von Kaltluftpistolen trocknen, um Schneidvorgänge zu kühlen und Späne zu brechen.

Kühlmittel werden manchmal für ungefüllte Thermoplaste verwendet. Kühlmittel auf Ölbasis können nicht verwendet werden, da sie den Kunststoff oft angreifen. Stattdessen verwendet K&E Kühlmittel auf Wasserbasis wie Trim Microsol 585XT von Master Fluid Solutions. Dies soll ein halbsynthetisches Mikroemulsions-Kühlmittel mit hoher Schmierfähigkeit sein, das im Vergleich zu halbsynthetischen Produkten der vorherigen Generation eine längere Sumpflebensdauer und eine bessere Schaumkontrolle bietet.

Der Laden von K&E zeichnet sich dadurch aus, dass er über Kanäle verfügt Anschluss von Geräten, die Kunststoffe trocken bearbeiten, an eines von zwei zentralen Entstaubungssystemen.

Viele Duroplaste werden jedoch trocken bearbeitet. Diese Materialien sind oft mit Glas oder anderen abrasiven Materialien gefüllt, die bei der Bearbeitung Staub erzeugen. Eine effektive Staubabscheidung ist unerlässlich, um eine saubere Arbeitsumgebung zu erhalten und die Lebensdauer von Werkzeugmaschinen zu verlängern. Tatsächlich verleihen die für die Staubabsaugung verwendeten Kanäle dem Laden ein unverwechselbares Aussehen.

Zu der Arbeitszone jedes Gerätes, das Kunststoffteile trocken bearbeitet, werden Leitungen geführt. Die Werkstatt hat kürzlich ihr zweites 18.000-cfm-Staubabsaugsystem hinzugefügt, das es ihr ermöglicht, bis zu 12 weitere Bearbeitungszentren hinzuzufügen, um Teile trocken zu bearbeiten.

Der Shop hat vor Kurzem seinen zweiten 18.000-cfm installiert Staubsammelsystem, das es ermöglicht, bis zu 12 weitere Bearbeitungszentren hinzuzufügen, um Kunststoffe trocken zu bearbeiten.

Hitze ist das große Problem bei der Bearbeitung von Kunststoffen. Materialverbrennung ist möglich, wenn Werkzeuge zu schnell laufen. Außerdem kann bearbeitetes Material ohne effektive Spanabfuhr wieder mit dem Werkstück verschweißt werden. Die Spannutengeometrie spielt ebenso wie die Kaltluftdüsen eine Schlüsselrolle, um die Späne aus dem Werkstück heraus- und wegzubewegen. Allerdings neigen duroplastische Laminate wie G7 und G10 auch zur Delaminierung, je nach Haftfestigkeit des Harzes und wie die Teile bearbeitet werden.

Thermoplaste werden üblicherweise mit Kühlmitteln auf Wasserbasis bearbeitet . Kühlmittel auf Erdölbasis können das Kunststoffmaterial angreifen.

Die Werkstatt verwendet seit kurzem Schneidwerkzeuge von Datron Dynamics. Ein Beispiel ist ein polierter, einschneidiger Hartmetall-Schaftfräser mit 6 mm Durchmesser. Nach Angaben des Unternehmens liefert ein mehrstufiger Schleifprozess scharfe, polierte Kanten für eine gratfreie Bearbeitung, wodurch die Notwendigkeit einer manuellen Nachbearbeitung von Teilen reduziert oder eliminiert wird.

Ein weiteres sind Hartmetall-Schaftfräser mit amorpher Diamantbeschichtung für Verbundwerkstoffe von Harvey Tool. Diese gelten als gut geeignet zum Schruppen und Halbschlichten von Verbundwerkstoffen mit hoher Faser- oder Füllkonzentration, wie G10 und FR4, aufgrund der optimierten Geometrie mit Spanbrechern, die Fasern effizient scheren und Späne für eine verbesserte Spanabfuhr kürzen.

Darüber hinaus verwendet K&E jetzt Einlippenbohrer von Sterling, wenn dies erforderlich ist, um wiederholt genaue, tiefe Löcher mit hochwertigen Oberflächengüten herzustellen.

Die Werkstatt beginnt außerdem mit der Standardisierung auf das Werkzeughaltesystem PowRgrip von Rego-Fix für ihre Bearbeitungszentren. Der Grund dafür ist, dass herkömmliche Werkzeughaltersysteme zu Rundlauffehlern von bis zu 0,002 Zoll führten, was für Teilemerkmale mit sehr engen Toleranzen nicht akzeptabel war. „Jetzt haben wir einen Rundlauffehler von 4 Zehntel“, sagt Broderson, „was uns bessere Oberflächengüten und weniger Werkzeugverschleiß gibt und gleichzeitig die erforderlichen Bearbeitungstoleranzen erreicht.“

Der Shop hat mit der Standardisierung von Werkzeughaltesystemen begonnen die eine hydraulische Presse Spannzangen in die Halter einsetzt oder aus diesen entfernt. Jede Spannzange hat einen flachen, selbsthemmenden Kegel und wird mit 9 Tonnen Kraft in den Werkzeughalter gepresst. Laut Broderson bieten diese Halter im Vergleich zu herkömmlichen Modellen einen besseren Rundlauf und eine bessere Steifigkeit.

Dieses System besteht aus Präzisions-Werkzeughaltern im Spannzangenstil und einer hydraulischen Tischpresse, die zum Einsetzen oder Entfernen von Spannzangen aus den Haltern verwendet wird. Die Spannzange hat einen flachen, selbsthemmenden Kegel und wird mit 9 Tonnen Kraft in den Werkzeughalter gepresst. Es hat auch eine quadratische Schulter, die den Werkzeughalter berührt, wenn es hineingedrückt wird. Dieses Design mit positivem Anschlag ermöglicht die Verwendung einer eingebauten Sicherungsschraube, um die Werkzeuglänge genau einzustellen. Diese Werkzeughalter zeichnen sich durch hohe Spannkräfte und Vibrationsdämpfung sowie einen Rundlauffehler (TIR) ​​der Gesamtanzeige von ≤ 3 Mikron bei einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von 3:1 aus. Laut Rego-Fix ermöglicht dieses Werkzeughaltesystem auch einen schnelleren und sichereren Werkzeugwechsel als Schrumpfsysteme. Die Montage eines neuen Werkzeugs soll weniger als 10 Sekunden dauern. „Unser Geschäft hat derzeit etwa 800 dieser Werkzeughalter, aber wir fügen ständig weitere hinzu“, sagt Broderson.

Für die Werkstückspannung verwenden einige Maschinen Vakuumspannfutter, um den Wechsel zu beschleunigen und den Werkzeugen den Zugriff auf fünf Seiten eines Teils zu ermöglichen. In ähnlicher Weise hat K&E damit begonnen, gemeinsame Fundamentplatten mit Chick-Schraubstöcken zu verwenden. Broderson sagt, dass, weil die Chick-Schraubstöcke eine bessere Positionierwiederholbarkeit bieten und die Platten an einer gemeinsamen Stelle installiert werden, das Messen während der Einrichtung nicht erforderlich ist, im Gegensatz zu dem Fall, in dem die Werkstatt die Schraubstöcke einfach auf Maschinentische schraubt. Der Shop speichert und speichert auch Schraubstockbacken für den Einsatz bei wiederkehrenden Aufträgen.

Um die Spindelbetriebszeit für diese VMC zu erhöhen, hat K&E ein Palettenwechselsystem hinzugefügt, sodass Jobs offline eingerichtet werden können, während ein anderer noch in der Maschine fertig gestellt wird. Dasselbe hat es für zwei andere VMCs getan.

Um die Spindelverfügbarkeit für drei seiner VMCs zu maximieren, fügte K&E jedem einen Palettenwechsler von Midaco hinzu. Dadurch kann jede Maschine einen Auftrag weiter ausführen, während außerhalb der Maschine neues Material auf der Palette befestigt wird. Sobald ein Job abgeschlossen ist, fährt seine Palette heraus und eine neue mit dem nächsten Job befestigten Shuttles hinein.

Warum einen Schweizer-Typ hinzufügen?

Broderson sagt, dass K&E vor der Einführung des S205 vor ein paar Jahren Aufträge für ausgewählte Aufträge an Schraubenwerkstätten vergeben hatte. Im Laufe der Zeit nahm die Menge dieser ausgelagerten Arbeit weiter zu. Darüber hinaus waren die Ausschussquoten oder der Ausschuss für Arbeiten mit engen Toleranzen, die auf einigen seiner Mehrfachwerkzeug-Drehmaschinen liefen, manchmal höher als gewünscht. Die Werkstatt stellte fest, dass ein Schweizer Typ mit charakteristischem Führungsbuchsendesign und Multifunktionsfähigkeit die erforderlichen Genauigkeiten liefern und es der Werkstatt ermöglichen würde, diese Arbeit im Haus zu behalten.

Der Tsugami S205 mit einer Kapazität von 20 mm Stangendurchmesser und einem Minuteman 320 SE-Stangenlader von Edge Technologies wurde über den Tsugami/REM-Vertriebshändler The Robert E. Morris Company gekauft. John Ricardi, Kundenbetreuer des Unternehmens, sagt, dass die Maschine ein 1.000-psi-Kühlmittelzufuhrsystem (hauptsächlich zur Spänekontrolle) sowie eine Nebelabscheideeinheit, einen Späneförderer, eine spezielle Rutsche zum Empfangen langer Teile aus der Gegenspindel und eine Umrüst-/Futterumwandlung umfasste Fähigkeit.

Der Stangenlader für 10 Fuß Länge ermöglicht es dem ersten Schweizer Typ der Werkstatt, längere Zeit unbeaufsichtigt zu laufen als die Stangenlader auf den Mehrfach-Drehmaschinen, die 4 Fuß lange Stangen laufen lassen.

Das vielleicht größte Verkaufsargument für diese Maschine ist, dass sie für den Betrieb mit Kühlmittel auf Wasserbasis ausgelegt ist, um die Kunststoffwerkstücke nicht zu beschädigen, wie dies bei Kühlmittel auf Ölbasis der Fall wäre. Ricardi sagt, dass positiver Luftdruck für Werkzeugaufsätze und Spindeln verhindert, dass Kühlmittel in die Lager eindringt und deren Schmieröl auswäscht. Darüber hinaus wird auch in den Stangenlader-Kanalsätzen eine Schmierung auf Wasserbasis verwendet.

Der Schweizer Typ wird für Teile verwendet, die sehr enge Toleranzen erfordern. Broderson sagt, dass der Werkzeugdruck dazu führen kann, dass sich Verjüngungen bilden, wenn Kunststoffteile auf herkömmlichen Drehmaschinen laufen. Die charakteristische Führungsbuchse des Swiss-Typs bietet die Unterstützung am Schnitt, um dieses Problem zu beseitigen. Außerdem repetiere die Maschine sehr gut, sagt er. Sobald ein Prozess angewählt ist, gibt es keinen Prozess mehr zu schneiden, zu messen und zu wiederholen. Außerdem hat der Stangenlader die Kapazität, 12 Fuß lange Stangen zu verarbeiten. K&E verarbeitet normalerweise 10 Fuß lange Stangen, was im Vergleich zu herkömmlichen Drehmaschinen mit 4-Fuß-Stangenladern längere unbeaufsichtigte Bearbeitungen ermöglicht. Für Materialien wie PEEK bestellt es normalerweise Stangenmaterial, das auf +0,002" / -0" geschliffen wird.

Die Schweizer Drehmaschine, die mit läuft Kühlmittel auf Wasserbasis, soll engere Toleranzen und eine verbesserte Produktion für thermoplastische Teile erreichen, die zuvor auf herkömmlichen CNC-Drehmaschinen mit mehreren Werkzeugen liefen. Die Maschine ermöglichte es dem Geschäft auch, zuvor ausgelagerte Arbeiten wieder ins Haus zu holen.

Die Werkstatt kann jedoch die Führungsbuchse entfernen und die Maschine als herkömmliche Spannfutter-Drehmaschine betreiben und einen Job mit dem gleichen Bearbeitungsansatz wie eine Standard-Drehmaschine ausführen.

Laut Broderson bestand eine der größten Lernkurven darin, zu bestimmen, wie viel Druck auf die großvolumige Kühlmittelpumpe anzuwenden ist, um Späne zu entfernen und das Teil zu fluten, ohne die Abmessungen des zu bearbeitenden Teils zu ändern. Bei zu hohem Druck kann der Kühlmittelstrahl die Dimension von Kunststoffteilen verändern. In der Werkstatt kam es auch zu Verdrehungen einiger Stangenmaterialien, weil die Spindel der Maschine so schnell hochgefahren war. Die Lösung dafür war, langsamer zu beschleunigen. Eine weitere Herausforderung bestand darin, zu lernen, welche Features auf dem Teil bearbeitet werden können und wann diese sequenziert werden sollten.

Wesentliche Probleme

Eine allgemeine Herausforderung, der laut Broderson sein Geschäft in letzter Zeit gegenüberstand, ist die Variabilität des Kunststoffmaterials. Obwohl er versucht, von in den USA ansässigen Lieferanten einzukaufen, verkaufen sogar einige von ihnen im Ausland produziertes Material. „Wir müssen bei der Bestellung sehr genau sein“, sagt er.

In einem Beispiel bestellte die Werkstatt FR4-Material für einen Auftrag und wählte ihren Bearbeitungsprozess für diese Materialcharge ein. Es bestellte dann eine weitere Charge, als der Auftrag zurückkehrte. Obwohl diese zweite Charge die gleiche NEMA-Klassifizierung für elektrische Gehäuse erfüllte, war die Variation mit dem Harz- und Glasfüller ausreichend genug, dass die Schnittdaten und Werkzeuge, die in der vorherigen FR4-Charge verwendet wurden, nicht mit der neuen Charge kompatibel waren. „Zwei Tausend in einem Material wie diesem zu halten ist schwer genug, aber Abweichungen zwischen Chargen machen es noch schwieriger.“

Grundlagen Duroplaste, Thermoplaste

K&E verfügt über 54 Jahre Erfahrung in der Arbeit mit technischen Kunststoffen. Der Shop sagt, Duroplaste eignen sich gut für Anwendungen, die eine hohe Hitzebeständigkeit und elektrische Isolierung erfordern. Die vernetzenden Polymere in Duroplasten bilden irreversible Bindungen, wodurch das Risiko des Schmelzens des Produkts bei erneuter Wärmezufuhr eliminiert wird. Sie bieten auch hervorragende Verschleiß- und Dimensionsstabilitätseigenschaften und sind gleichzeitig leichter als Metalle.

Da thermoplastische Pellets beim Erhitzen erweichen und sich bei zusätzlicher Wärmezufuhr verflüssigen, ist der Aushärtungsprozess vollständig reversibel, da keine chemische Bindung stattfindet. Dadurch können Thermoplaste umgeformt und recycelt werden, ohne die physikalischen Eigenschaften der Materialien zu beeinträchtigen. Thermoplaste bieten Vorteile, einschließlich chemischer Beständigkeit, Schlagfestigkeit, elektrischer Isolierung, geringer Feuchtigkeitsaufnahme, niedrigem Reibungskoeffizienten, reduziertem Verschleiß an Passteilen und Eliminierung der Schmierung während des Produktbetriebs.