etampa AG: Stanzen substituiert zerspanende Verfahren

Besser umformen als zerspanen

| Autor / Redakteur: Ute Zimmermann / Konrad Mücke

Speziell bei grossen Serien und Leichtbauteilen erweist sich Stanzen und Feinschneiden oft als besonders profitables und wirtschaftliches Herstellverfahren.
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Speziell bei grossen Serien und Leichtbauteilen erweist sich Stanzen und Feinschneiden oft als besonders profitables und wirtschaftliches Herstellverfahren. (Bild: etampa AG)

Wirtschaftlicher, nachhaltiger und effizienter lassen sich zahlreiche Bauteile für den Fahrzeug- und den Maschinenbau stanzen und feinschneiden, statt sie zu drehen und zu fräsen. Dies beweist die etampa AG in Grenchen. Sie produziert ein breites Spektrum an Werkstücken aus Blech vom Band.

Häufig bevorzugen Konstrukteure zum Herstellen metallischer Bauteile zunächst spanende Fertigungsverfahren, zum Beispiel Drehen und Fräsen. Weniger präsent sind dagegen umformende Verfahren, wie Stanzen und Feinschneiden. Allerdings verursacht das häufig unnötige Kosten und Verzögerungen. Insbesondere in grossen Serien herzustellende Bauteile lassen sich durch Stanzen und Feinschneiden meist sehr viel produktiver, wirtschaftlicher und effizienter herstellen. Experten der etampa AG in Grenchen zeigen die Kriterien, die für eine Entscheidung zugunsten der Umformverfahren sprechen.

Werkstoffe passend wählen

Um Werkstücke durch Stanzen und Feinschneiden in grossen Serien aus Blech zu fertigen, benötigt man den Werkstoff als Band auf Wickelhaspeln. Das ist aktuell für nahezu jeden Werkstoff gegeben. Zudem muss sich der Werkstoff ausreichend umformen lassen, also ein passendes Fliessverhalten aufweisen. Das lässt sich beispielsweise durch Glühen verwirklichen. Somit wird der Werkstoff in weichgeglühtem Zustand umgeformt. Die gestanzten und feingeschnittenen Bauteile werden anschliessend bei Bedarf noch gehärtet. Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass gewalzte Bleche anisotrope Werkstoffeigenschaften haben. Ihre mechanischen Eigenschaften unterscheiden sich in Längs- und Querrichtung. Diese Richtungsabhängigkeit ist beim Konstruieren und Herstellen der Werkstücke zu berücksichtigen. Allerdings können die Eigenschaften auch wieder ausgeglichen werden, indem man die Bauteile glüht.

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Geometrieverhältnisse beachten

Beim Stanzen und Feinschneiden sind nur bedingt sämtliche denkbaren Werkstückgeometrien herzustellen. Das betrifft beispielsweise die Durchmesser zu stanzender Löcher. Abhängig von den Blech­dicken gibt es kleinste Lochdurchmesser, die sich mit einem Stanzstempel prozesssicher einbringen lassen. Ebenso sind weitere spezifische Verfahrensmerkmale zu kalkulieren. Das betrifft unter anderem den Stanzeinzug, den sich bildenden Grat und die Ausbildung der Schnittfläche. Kompetente Fachkräfte bei der Grenchener etampa AG kennen diese Merkmale, jeweils in Kombination mit der Dicke des Blechs, und parametrieren entsprechend die umformenden Verfahren.

Dazu erläutert Marco Costa, Leiter Konstruktion und Neuwerkzeugbau: «Beim Stanzen können wir von 0,1 bis 4 mm, beim Feinschneiden von 0,5 bis 7 mm dicke Bleche problemlos verarbeiten. Soll beispielsweise ein zerspanendes Verfahren wie Fräsen durch Feinschneiden ersetzt werden, gelingt dies umso besser, je dünner das Blech gewählt werden kann.» Zum einen lassen sich diese Bleche problemlos feinstanzen, zum anderen können sie beim Fräsen durch Schnittkräfte eher beschädigt werden.

Werkstoff effizienter nutzen

Über die Effizienz der jeweiligen Herstellverfahren entscheidet oft die Geometrie der Bauteile. Dazu berichtet Costa: «Fertige ich ein rotationssymmetrisches Bauteil aus einem 3 mm dicken Blech auf einem einfach fallenden Werkzeug, zum Beispiel eine Scheibe mit einem grossen Loch, also einen schmalen Ring, nutze ich den Werkstoff nur ungenügend beim Feinstanzen.» Das spanende Verfahren Drehen hat zunächst deutliche Vorteile. Ein Rohr wird innen und aussen bearbeitet. Dabei fällt wesentlich weniger an Spänen beziehungsweise für das Werkstück nicht benötigtem Werkstoff ab.

Wesentlich anders dagegen verhält es sich bei dreidimensional aufgebauten Werkstücken. «Produziere ich beispielsweise eine Hülse oder eine Büchse durch Umformen aus einem ebenen Blech anstatt aus dem Vollen gedreht aus einer Stange, fallen die Effizienz und die Ausnutzung des Werkstoffs eindeutig zugunsten des Umformverfahrens aus», sagt Costa.

Bevorzugt für grosse Serien und Leichtbau

Zur grundsätzlichen Entscheidung zugunsten der spanenden oder der umformenden Verfahren erläutert Hans Rudolf Haefeli, Inhaber und CEO bei etampa in Grenchen: «Stanzen und Feinschneiden sind allgemein als Alternativen zu spanenden Verfahren immer dann interessant, wenn es entweder um grosse Serien oder um das Gewicht der zu fertigenden Bauteile geht. Speziell für den Leichtbau, beispielsweise im Fahrzeugbau, ist Umformen meist besonders vorteilhaft.» Hinzu komme, so Hae­feli, dass man je nach zu fertigendem Werkstück einen oder mehrere Bearbeitungsschritte einsparen könne. Als Beispiel nennt er einen Ventilsitz. «Damit die Kugel dicht schliesst, muss der Ventilsitz kalibriert werden. Beim Umformen lässt sich dieser Arbeitsschritt in das Stanzwerkzeug integrieren, beim spanenden Fertigen muss jedes Bauteil einzeln aufgenommen und in das Kalibrierwerkzeug eingelegt werden», führt Haefeli aus.

Hoch produktiv

Hinsichtlich der zu produzierenden Mengen an Bauteilen erweisen sich Stanzen und Feinschneiden einzig bei grossen Serien als profitabel. Denn zunächst ist zum Stanzen und Feinschneiden ein doch eher kostenintensives Werkzeug zu konstruieren, zu fertigen, zu montieren und zu justieren. Allerdings, so Haefeli, arbeite das umformende Verfahren sehr viel produktiver und somit wirtschaftlicher als die Zerspanung. «Werkzeuge mit acht oder mehr Kavitäten fertigen bei einem Pressenhub die entsprechende Anzahl an Bauteilen. Berücksichtigt man zu dieser hohen Produktivität die lange Lebensdauer hochwertiger Stanzwerkzeuge, ergeben sich für jedes einzelne Bauteil minimale Kosten, und somit erweist sich das umformende Verfahren als sehr effizient und wirtschaftlich», fährt Haefeli fort. Je nach Bauteilgeometrie und Produktion amortisiere sich selbst ein aufwendiges Stanzwerkzeug innerhalb weniger Monate.

Allerdings müssen die Werkstoffe zum Stanzen sorgfältig auf das Verfahren abgestimmt sein. Sie müssen andere Eigenschaften als die zum Drehen oder Fräsen genutzten Werkstoffe aufweisen. Das ist gemeinsam mit den Konstrukteuren der Bauteile zunächst festzulegen.

Komponenten ganzheitlich betrachten

Wie Costa erläutert, wird eine Substitution zerspanender durch umformende Herstellverfahren auch durch die Integration der gefertigten Bauteile in Baugruppen bestimmt. Dabei sei die Funktion der einzelnen Bauteile zu berücksichtigen. So können sich die Schnittstellen zu den umliegenden Bauteilen verändern. Allerdings, so berichtet Costa, liege darin eine Chance für effizientere Herstellverfahren: «Soll eine bestehende Produktion grundsätzlich optimiert werden, kann man die Montage einzelner Bauteile bereits in das Konzept und das Design der Werkstücke aufnehmen. Daraus ergeben sich häufig Chancen, in umgeformten Bauteilen mehrere Funktionen zu integrieren und den Zusammenbau deutlich zu vereinfachen oder den Montageaufwand zu minimieren», betont Costa.

Dabei unterstützen die Spezialisten bei etampa die jeweiligen Designer und Konstrukteure bereits in der Konzeptphase. Basierend auf ihrem in vielen Jahren erarbeiteten Know-how beraten sie kompetent hinsichtlich der Bauteileigenschaften und der mit Stanzen und Feinschneiden realisierbaren Bauteilgeometrien. So können frühzeitig profitable Lösun­gen für komplette Baugruppen erarbeitet werden.

Abfallender Werkstoff wirtschaftlich nutzbar

Zu den wirtschaftlichen Vorteilen der umformenden Verfahren sagt Haefeli: «In die Betrachtungen zur Substitution und damit zur Produktivität muss der Umgang mit dem sogenannten Schrott, der bei der Produktion entsteht, mit einfliessen. Bewusst bezeichne ich das als Schrott und nicht als Ausschuss. Denn beim Stanzen und Feinschneiden fallen die Stanzgitter und Stanzbutzen als verwertbarer Schrott an. Dieser wird sorgfältig nach Werkstoffen getrennt und wieder dem Werkstoffkreislauf zugeführt. Demgegenüber sind Späne aus spanenden Verfahren häufig aufwendig nachzubehandeln oder gar als Sondermüll aufwendig zu entsorgen.» Besonderheit beim Stanzen und Feinschneiden ist, dass die Schrottmenge von Beginn an als Bestandteil bei den Kosten für die hergestellten Bauteile kalkuliert und den Auftraggebern gutgeschrieben wird. Das gilt speziell für hochwertige, kostenintensive Werkstoffe, zum Beispiel Kupfer, Kupferlegierungen und Titan. Wie Haefeli sagt, wird das bereits im Angebot klar ausgewiesen. Diese Transparenz gehört selbstverständlich zur Auftragsvergabe.

Haefeli ist überzeugt, dass meist beide Seiten, Auftraggeber und Stanzerei, von einer Verfahrenssubstitution profitieren. Seiner Ansicht nach können bis zu 20 Prozent bisher noch spanend gefertigter Bauteile besser umformend hergestellt werden. Dabei könnten die Kosten um 30 Prozent und mehr gesenkt werden. Das beschere beiden Seiten wirtschaftliche Vorteile.

Ute Zimmermann ist freie Fachautorin in Wiesbaden, Deutschland. SMM

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