Bürstwerkzeuge als Schlüsseltechnologie für automatisierte Entgratprozesse CNC-Entgratbürsten perfektioniert vollautomatisierten Fertigungsprozess

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Die Herzog Systems AG fertigt in Flawil Düsensysteme aus hochlegierten Chromstählen für die Kunststoffindustrie. Im Rahmen einer Investition in ein autonomes und flexibles Fertigungssystem (FFS) inklusive automatisierten QS-Messprozess, setzten die Fertigungsspezialisten der Herzog Systems AG auf einen integrierten Entgrat- und Veredelungsprozess mit Bürst-Werkzeugen des Schweizer Herstellers Zeintra AG. Dank dieser Bürsttechnologie war es erstmalig möglich die Düsen-Komponenten ab Stange bis zum 3D-Messprozess voll automatisiert zu fertigen.

Die Düsensysteme der Herzog Systems AG kommen im Bereich der Thermoplast- und Silikonverarbeitung zum Einsatz. Die Herzog Systems AG hat sich in diesem anspruchsvollen Technologiebereich international zum Marktführer entwickelt. Seit Ende 2024 wird das bisher manuell durchgeführte Entgraten der Bauteile mit Entgrat-Bürstsystemen von Zeintra direkt in die CNC-Bearbeitungszentren integriert. Um den stetig wachsenden Ansprüchen gerecht zu werden weist die Fertigung eine hohe Fertigungstiefe auf und ist mit einem modernen sowie hochautomatisierten Maschinenpark ausgestattet. In engster Kooperation mit der Zeintra AG, einem auf technische Bürsten spezialisierten Unternehmen, konnten die Entgrat- und Veredelungsprozesse stark verbessert werden. Vor allem in Bezug auf das neue flexible Fertigungssystem, kann man einen enormen Mehrwert feststellen.

Zarko Milic (Leiter Serienteilefertigung der Herzog Systems AG): «Mit der Investition in unser neues FFS, auf der Basis eines Okuma-Dreh-Fräszentrums, konnten wir viele wertschöpfungsrelevante Prozesse in eine Anlage integrieren. Zielsetzung ist es bis zu 72 Stunden mannlos zu produzieren. Besonders die «inline» Integration zwischen Automation und Koordinatenmessgerät sticht dabei heraus. Denn wir wollen die Komponenten nicht nur effizient produzieren sondern auch deren Qualität autonom prüfen.»

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Gerade der integrierte Messprozess erfordert es, dass die Bauteile grat- und fremdkörperfrei von der Bearbeitungsmaschine auf das Koordinatenmessgerät (KMG) kommen. Dahingehend hat der Entgrat- und Veredelungsprozess eine besondere Aufmerksamkeit in diesem Projekt erhalten.

Entgraten per Bürsttechnologie hat Automationspozess ermöglicht

Zarko Milic’ Fazit vorweg: «Die kundenspezifisch entwickelten Bürsttechnologien und das Prozess-Knowhow der Zeintra-Spezialisten, waren ein bedeutendes fertigungstechnisches Element das diese Art der Automation – ab Stange bis zum vermessenen Fertigteil – ermöglicht hat.» Doch der Reihe nach.

Z. Milic: «Im Rahmen der Investition in das FFS haben wir nicht nur die eigentlichen Fertigungsprozesse automatisiert. Die gefertigten Komponenten kommen zudem per Roboter direkt auf die Messmaschine, werden automatisch gespannt und kontrolliert. Das heisst, der gesamte Fertigungsprozess inklusive Qualitätssicherung läuft seit einem Jahr bis zu 72 Stunden autonom.»

Das Bauteilspektrum der Herzog Systems AG

Doch zunächst ein Blick auf das Fertigungsspektrum der Herzog Systems AG. Das Unternehmen stellt Verschlussdüsen für die Kunststoffindustrie her. Typische Kunden sind OEMs und Firmen aus der Automobil, Medizinal und Haushaltswarenindustrie. Bei den Verschluss-Düsen handelt es sich um komplexere mechanische Systeme, die mit engsten Toleranzfeldern (bis zu +/- 0.3 µm) hergestellt werden. Aufgrund der hohen Temperaturen bis zu 450 °C und Drücken bis zu 3000 bar muss zum Teil auf hochfeste Materialien zurückgegriffen werden. Das Bauteilspektrum liegt von kleinen Werkstücken ab D = 3 mm und l = 6 mm bis zu grösser dimensionierten Dreh-Fräskomponenten von D = 315 mm bei einer Länge von 300 mm. Insbesondere die unterschiedlichen Düsenkörper werden zukünftig autonom auf dem neuen FFS gefertigt.

Lösung für integriertes und prozesssicheres Entgraten gesucht … und gefunden

Z. Milic: «Anspruchsvoll an diesem Automationsprozess war, dass auch das Vermessen des Bauteils auf einer 3D-Zeiss-Messmaschine voll automatisiert in den Prozess integriert wurde. Und hierfür mussten die Bauteile vor dem Messprozess zwingend entgratet werden.»

Rückblick: Während des bisherigen Produktionsprozesses wurden die Bauteile nach der spanenden Dreh-Fräs-Bearbeitung händisch entgratet. Danach ging es manuell in die Qualitätskontrolle zum Vermessen.

Z. Milic: «Ganz anders unser heutiger Prozess. Vom Rohteil bis zum fertig vermessenen Gutteil ist kein Eingriff vom Bediener mehr notwendig. Dadurch reduzieren sich die Produktionskosten. Mitentscheidend war, den Entgratprozess in den Fertigungsprozess zu verlagern. Und das war tatsächlich ein Knackpunkt. Denn Prozesse wie automatisches Vermessen sind Stand der Technik, aber prozesssicheres Entgraten in CNC-Bearbeitungszentren ist maximal anspruchsvoll.»

Erste technische Fachgespräche mit Zeintra

Z. Milic: «In diesem Zusammenhang sind wir 2024 mit Zeintra, respektive mit Dominik Rothenberger in Kontakt gekommen. Ich kannte das Bürstverfahren zum Entgraten bisher nur vom Hörensagen. Um es kurz zu machen: Das Entgraten per Bürstverfahren ist neu eine unserer Schlüsselkompetenzen, das uns in die Lage versetzt hat, einen autonomen Prozess zu gewährleisten, vom Rohteil bis zum fertig vermessenen Fertigteil.»

Zeintra: Entwicklung technischer Bürsten

D. Rothenberger: «Es ist ein anspruchsvoller Prozess, weil die Gratbildung sich während der Fertigung kontinuierlich verändert. Generell können wir kundenspezifische Bürstenformen entwickeln, konstruieren und produzieren. Doch eine unserer besonderen Stärken liegt in der Entwicklung und Produktion der Bürsten-Fasern (Fachbegriff: Filamente), deren Durchmesser, Länge, Zusammensetzung und viele weitere Parameter (Substrat, Schleifmittel) perfekt auf die jeweilige Kundenanwendung und das zu bearbeitenende Material ausgelegt werden können. Dieses Kompetenzgefüge macht Zeintra aus meiner Sicht unverwechselbar.»

Diamant-, Hartmetall- oder Keramik-Pulver in den Filamenten

Im Gespräch mit dem SMM wird deutlich, welches technologische Know-how in diesen Bürsten steckt, was man ihnen definitiv von aussen nicht ansieht.

D. Rothenberger: «Das spezielle unseres Bereichs ‹Smart Filament› ist, dass wir die Bürstenfilamente zum grossen Teil selbst herstellen. Wir arbeiten bei der Herstellung dieser Spezial-Filamente mit einem deutschen Kunststoffinstitut zusammen, nutzen dessen Produktionsanlagen und können die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials der Filamente komplett eigenständig und auf die Anwendung hin spezifisch abstimmen. Als Kunststoffbasis (Substrat) der Filamente setzen wir hier auf Cellulose oder Peek. Zusatzstoffe sind abrasive Medien, wie Diamant-, Hartmetall- und Keramik-Pulver. Sowohl die Menge als auch die Korngrössen und -arten können variiert werden. Damit erhalten wir Filamente, die exakt auf die Anwendung zugeschnitten sind.»

Peek oder Cellulose: Hochleistungssubstrate der Filamente

Wie bereits erwähnt, kommen im High-Endbereich Peek- oder Cellulose-Filamente zum Einsatz. Peek ist ein Hochleistungskunststoff und entsprechend hervorragend geeignet für abrasive Bürstanwendungen, wie das Entgraten.

D. Rothenberger: «Peek-Filamente werden mehrheitlich in Bereichen mit Kühlschmierstoffen eingesetzt. Aber eine unserer besonderen Stärken sind unsere selbst entwickelten Cellulose-Filamente. Die Cellulose-Filamente bringen eine deutliche höhere Abtragsleistung und generieren so schnelleren Prozesszeiten. Der Hintergrund ist, Cellulose schmilzt oder schmiert nicht. Das Cellulosefilament ist äusserst prozessstabil, da die Reibungswärme keine Veränderung der Steifigkeit bewirkt. Es kann darüber hinaus auf Polierpaste verzichtet werden, infolgedessen die Bauteile nicht aufwendig gereinigt werden müssen. Eine unserer besonderen Stärken ist es, dass wir kunden- oder prozessspezifische Filamente herstellen können.

Die Cellulose-Filamente eignen sich insbesondere im Sektor der Uhrenproduktion und der medizintechnischen Fertigung, sowie in Décolletagebetrieben, die konsequent mit Öl als Kühlschmiermittel arbeiten. Auch im Bereich der Trockenbearbeitung kann Cellulose verwendet werden. Unsere Bürsttechnologie geht vom Polierschleifen in der Uhrenindustrie bis hin zu hoch abrasiven Schleifaufgaben mit maximalen Zeitspanvolumen.»

Technische Bürsten: Vom Prototyp bis hin zur Serienfertigung

Im Segment der technischen Bürsten bei Zeintra handelt es sich meist um Einzelanfertigungen und es geht bis zur Serienfertigung. In vielen Projekten kann Zeintra mittels 3D-Druckern und Handeinzug Prototypen fertigen.

D. Rothenberger: «So bieten wir unseren Kunden eine schnelle Reaktionsgeschwindigkeit, welche im besten Fall in die Serienfertigung übernommen werden kann. Wir stellen alle unsere Bürstentypen inhouse her. Pinsel-, Walzen-, Teller-, Schaft-Bürsten, die Bürstenform kann dem zu bürstenden Werkstück individuell angepasst werden. Tatsächlich sind die Möglichkeiten nahezu unbegrenzt. Darüber hinaus haben wir etwa 600 Standardprodukte im Sortiment. Diese Standardbürsten können immer auch mit anderen Filamenten auf die jeweilige Anwendung angepasst werden. Und da sind wir wieder am Beispiel der Herzog System AG. Denn hier war der verwendete Werkstoff vereinzelter Komponenten eine echte Herausforderung im Rahmen des prozesssicheren Entgratens.»

Wenn traumhafte Konstruktionswerkstoffe zum Alptraum der Fertigungstechniker werden

Z. Milic: «Unsere Kunden erwarten hochpräzise und zuverlässige Düsensysteme, welche auch höchsten Beanspruchungen standhalten. Entsprechend bestehen die Komponenten unter anderem aus exotischen Werkstoffen, wie zum Beispiel pulvermetallurgisch hergestellten rostfreien Stählen mit einem sehr hohen Chromanteil. Doch ein Traumwerkstoff für Konstrukteure (hochfest und -zäh) kann schnell zum Alptraum für uns Fertigungstechniker werden. Aber das ist das Schöne an der Fertigungstechnik, wir stellen uns diesen Aufgaben und lösen sie. Gleichwohl: Bei solchen Werkstoffen und geforderten Toleranzen wird unsere gesamte fertigungstechnische Kompetenz beansprucht. Und als Dominik in unseren ersten Gesprächen mir eine Auswahl an Bürstsystemen und Filamenten vorstellte, habe ich relativ schnell begriffen, dass Zeintra genau die Spezialisten sind, die wir gebraucht haben. Als ich ihm sagte, mit welchen Werkstoffen wir es zu tun haben, agierte Dominik sehr lösungsorientiert: Er wusste zu faktisch allen Problemstellungen bei den zu entgratenden Bereichen und Superlegierungen eine Bürsten-Lösung.»

Erste Bürst- und Entgratversuche am Bauteil

D. Rothenberger: «Wir haben eines der komplexesten Teile erhalten, damit wir für die zu entgratenden Stellen entsprechende Bürstsysteme entwickeln können und erste Vorschläge für Prototypen machen können. Sehr anspruchsvoll sind die inneren Bereiche, wo infolge verschiedener Querbohrungen Gratbildungen unterschiedlichster Art entstehen. Wir verfügen über bis zu 25 Parameter und Stellschrauben, welche wir bei einer Bürste verändern können, um die optimale Lösung für Kundenanwendung zu entwickeln. Wirklich auffällig war das Material. Es ist, wie oben bereits gesagt, eine zerspanungstechnische Herausforderung. Das war definitiv ein Knackpunkt bei der Auswahl der Filament-Entwicklung. Beim Entgraten selbst spielen viele Faktoren (Wahl des Filaments, die Drehzahl und das Abstützen des Filaments) eine Rolle. Nur ein Beispiel: Man muss während des Bürstvorgangs beispielsweise darauf achten, dass der Grat nicht wegklappt.»

Schlussbetrachtung: Erfahrung spielt eine enorme Rolle

Z. Milic: «Unsere Anforderungen sind sehr hochgesteckt. Wir haben konstruktive Vorgaben, wie stark die Kanten verrundet werden dürfen, die zwingend eingehalten werden müssen. Bürsten ist anders als z. B. Drehen, Fräsen und Schleifen, ein nicht eindeutig definierter abrasiver Prozess. Erfahrung spielt eine wichtige Rolle. Die Zusammenarbeit mit den Zeintra-Entwicklungsspezialisten war in diesem Zusammenhang wirklich hervorragend. Wenn der Prozess beispielsweise zu langsam ist, werden andere Filamente mit anderen Korngrössen eingesetzt, sie stellen Prototyp-Bürsten in kürzester Zeit her, mit denen wir wieder Versuche fahren. Das läuft wirklich perfekt. Dominik und sein Team verstehen definitiv etwas vom technischen Bürsten und Entgraten. Wir wollten heute auf die Bürstwerkzeuge nicht mehr verzichten.»

Dokumentation der Bürsten und Resümee

D. Rothenberger: «Von den Bürstwerkzeugen haben wir CAD-Daten als auch die Fertigungspläne. Die gesamten Materialien sind hier hinterlegt: Korngrösse, Dichte der abrasiven Materialien, Trägermaterialien usw. Wenn der Kunde eine Bürste nachbestellt, erhält er eine Bürste mit absolut denselben Kennwerten.»

Z. Milic: «Zeintra agiert äusserst professionell. Aufgrund unserer jüngsten und ausgezeichneten Erfahrungen mit den Zeintra-Spezialisten setzen wir die Bürsttechnologie neu auch im Bereich der Oberflächenbehandlung unserer Komponenten ein. Durch die enge technologische Zusammenarbeit haben sich weitere Möglichkeiten im Rahmen unserer Produktion aufgetan, die uns die Bürsttechnologie bietet. Das hatten wir bisher definitiv nicht auf dem Radar. Wenn der Prozess sitzt, und das tut er, bringt uns das einen echten Mehrwert.»

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