SMM-Exklusivinterview mit Stefan Senn (Fraisa) über die Zukunft der Fräserentwicklung Stefan Senn: «Neuer Horizont in der Aluminiumzerspanung»

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Angehrn AG - Umformtechnik

Fraisa gehört zu den bedeutendsten Schweizer VHM-Werkzeugherstellern. Stefan Senn (F&E, Leiter Frässysteme) spricht im SMM-Interview über die jüngsten und zukünftigen Entwicklungen im Fräsbereich. Am Swissmem-Zerspanungsseminar im Januar wird er auf zukunftsfähige Frässysteme und -prozesse eingehen, die über ein hohes Innovationspotential verfügen.

Wenn man einen Fräser in der Hand hält, sieht jeder Fräser fast gleich aus. Wenn man Sie als Entwickler fragt, was alles in einen Fräser einfliesst, wenn er zum Beispiel für eine Titanlegierung der Güteklasse 5 oder eine hochfeste siliziumhaltige Aluminiumlegierung entwickelt wird, was antworten Sie?

Stefan Senn: Natürlich haben alle Fräser einen Schaft, Spannuten und Schneiden und sehen ähnlich aus. Aber die Details dahinter machen den gros­sen Unterschied. Die Fraisa SA hat bald 90 Jahre Erfahrung in der Werkzeugentwicklung und Werkzeugproduktion. In diesen Jahren hat sich die Fraisa viel Know-how angeeignet, wie die Werkzeuge für die spezifischen Anwendungsfälle zu entwickeln sind. Bei High-Temp-Alloys wie z.B. Titan oder Ni/Co-Legierungen muss das Thermomanagement perfekt verstanden werden, da bei der Zerspanung sehr hohe Temperaturen entstehen. Die Lamellenspanbildung bei Titanlegierungen und die Wärmekonzentration an der Schneide erzeugen dort extreme Belastungen, die durch ein angepasstes Design abgefedert werden müssen.

Bei der Auslegung von Werkzeugen für die Aluminiumzerspanung muss sichergestellt werden, dass die riesigen Mengen an Spänen möglichst schnell und reibungsfrei durch die Spannuten entsorgt werden müssen. Für Aluminiumlegierungen mit erhöhten Si-Gehalten > 12% sind hoch verschleissfeste Beschichtungen und Substrate zu entwickeln. Das Thermomanagement spielt dagegen bei der Aluminiumzerspanung nur eine untergeordnete Rolle.

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Es gibt Anwender, die suchen bei Werkzeugen nach universell einsetzbaren Lösungen, weil sie ständig wechselnde Teile haben und Kunden, die hochspezifisch ausgelegte Werkzeuge für eine spezielle Legierung suchen. Wie geht man mit solch unterschiedlichen Anforderungsprofilen in der Werkzeugentwicklung um?

Eine der ersten Fragen, die bei der Werkzeugentwick­lung gestellt werden muss, ist die nach dem Marktsegment und dem Kundenklientel in diesem Segment. Die Fraisa ist bei KMUs zu Hause, die häufig wechselnde Bauteile bearbeiten müssen. Für diese Kunden wurden z.B. die MFC-Baureihen entwickelt, die ein sehr breites Applikationsspektrum bei gleichzeitig hohem Leistungspotential abdecken. Das Ganze wird noch durch perfekt auf die Anwendung abgestimmte Schnittwerte begleitet, die aus dem «ToolExpert», einer öffentlich zugänglichen Fraisa-Software, entnommen werden können. Somit können Kunden mit wenigen Werkzeugen sofort eine effiziente Bauteilbearbeitung starten. Wenn sich die Fraisa auf eine Werkzeugentwicklung für spezielle Werkstofflegierungen konzentrieren würde, könnten schnell Abhängigkeitsverhältnisse entstehen. Das wollen wir nicht. Aber wir entwickeln für spezifische Werkstoffgruppen wie z.B. Aluminium Höchstleistungsprodukte, die gerne von Herstellern in der Avionik Anwendung finden.

Sie müssen bei der Werkzeugentwicklung immer auch die Märkte im Blick haben. Welche Zerspanungsaufgaben werden zukünftig für Fraisa die wichtigste Rolle spielen?

Der Fachkräftemangel wird die grösste Herausforderung für unsere Branche in den nächsten Jahren. Unsere Kunden müssen ihre Prozesse mehr und mehr automatisieren und autonom laufen lassen. Hierzu brauchen die Kunden Partner, die absolut zuverlässige Werkzeuge zur Verfügung stellen und den nötigen Support liefern, um Applikationen mit einer maximalen Prozesssicherheit auszustatten. Die hohe Qualität unserer Werkzeuge, die geprüften Schnittdaten des «ToolExpert» und die Leistungsgarantie nach der Wiederaufbereitung der Werkzeuge sind wesentliche Elemente für diesen Support.

Wegen der Elektromobilität, aber auch Luftfahrt wird voraussichtlich die Aluminiumzerspanung zunehmen. Ist hier noch Entwicklungspotential im Fräsbereich, oder ist das ausgeschöpft?

Im April 2024 werden wir die MFC-Alu-Produktfamilie lancieren. Diese Werkzeuge werden einen komplett neuen Horizont in der Aluminiumzerspanung aufzeigen. Bei diesen Werkzeugen ist es der Fraisa gelungen, ein Dilemma zu lösen, das bisher unlösbar schien. Wird ein Werkzeug für die Aluminiumbearbeitung zu schnittig ausgelegt, um die Kräfte niedrig zu halten, beginnt es, leicht zu schwingen und erzeugt schlechte Oberflächen. Wird das Werkzeug zu stumpf ausgelegt, schwingt es weniger, aber die Kräfte und Auslenkungen steigen. Beides kann zu schlechten Oberflächen führen. Durch eine patentierte Stützfasentechnologie konnte dieses Dilemma gelöst werden. Darüber hinaus konnte in enger Kooperation mit der Produktion eine Schleiftechnik entwickelt werden, die es ermöglicht, spiegelglatte Oberflächen an der Schneide herzustellen. Somit kann einerseits ein fast reibungsfreier Spanablauf gewährleistet werden und andererseits eine nahezu geometrisch perfekte Schneidkante erzeugt werden. Das ist ideal für die Aluminiumbearbeitung. Ein weiterer Hattrick ist die komplett neu gedachte Auslegung der Spanteiler. Mit dem neuen Spanteilersystem werden die Schneiden hinter den Spanteilern nicht höher belastet und gleichzeitig können superglatte Oberflächen beim Schlichten erzeugt werden. Wir freuen uns schon auf die Marktresonanz.

Sie verfügen über eines der modernsten und grössten Anwendungs- und Entwicklungszentren in Europa. Was testen Sie konkret und wie viele Kundenprojekte bearbeiten Sie jährlich?

Der Schwerpunkt der Entwicklung bei der Fraisa liegt auf der Entwicklung von Standardwerkzeugen. Hierbei wird in unserem Entwicklungszentrum das komplexe Zusammenspiel zwischen Substrat, Beschichtung, Makro- und Mikrogeometrie untersucht. Kräfte, Schwingungen, Oberflächen, Brauenbildung, aber auch das Standzeitverhalten werden akribisch analysiert und dokumentiert. Das Ergebnis sind dann neue Produkte. Das ist aber erst die erste Hälfte des Produktenwicklungszyklusses.

Die zweite Hälfte ist die Generierung von Applikationsdaten für eine Vielzahl von Anwendungen. Hierzu werden die Werkzeuge in vielen Werkstoffen bei unterschiedlichsten Einsatzbedingungen auf Herz und Nieren getestet. Es ist das oberste Gebot der Fraisa, nur Werkzeuge auf den Markt zu bringen, die mit geprüften Schnittdaten ausgestattet sind. Diese Anwendungs- und Softwareentwicklung verschlingt nochmal den gleichen Betrag wie die primäre Werkzeugentwicklung. Da unser Hauptaugenmerk auf die Entwicklung von Standardwerkzeugen gerichtet ist, versuchen wir, die Anzahl an Kundenprojekten klein zu halten. Es sind vielleicht ein Dutzend im Jahr.

Sie sind besonders stark im Fräsen mit ihrem VHM-Werkzeug­spektrum. Was sind die besonderen aktuellen Herausforderungen in der Werkzeugentwicklung bei Fräswerkzeugen?

Vollhartmetall-Schaftfräser werden immer länger ausgelegt. Wir sind hier führend auf dem Markt. Je länger das Werkzeug wird, desto umfassender wird das Schwingungsverhalten der Werkzeuge. Das komplexe Zusammenspiel zwischen der Schnittigkeit der Werkzeuge auf der einen Seite und der Dämpfung auf der anderen Seite ist eine der zahlreichen Herausforderungen, mit denen wir uns in der Entwicklungsabteilung intensiv auseinandersetzen.

In den letzten Jahren wurde vermehrt der Kühlung der Schneiden eine grössere Aufmerksamkeit geschenkt. Gleichwohl wird in der Fräs-Schruppbearbeitung oft die Trockenzerspanung empfohlen. Warum ist das so und gibt es hier ggf. einen Wandel?

Rein physikalisch mag Hartmetall keinen Thermoschock, der bei der Kühlung passiert. Durch die starke Aufheizung im Prozess und die anschliessende Abkühlung gibt es Kammrisse und die führen zu einem verstärkten Verschleiss des Werkzeugs. Soweit die Theorie. Auf der anderen Seite müssen aber auch die Späne schnell abtransportiert werden und das Bauteil soll nicht übermässig warm werden, da es sonst massgebliche Probleme geben kann. Ich würde heute den Standpunkt vertreten, dass die oberste Priorität beim Kunden die Prozesssicherheit ist. Vor diesem Hintergrund werden die Werkzeuge so ausgelegt, dass sie mit Öl oder Emulsion einwandfrei funktionieren. Aber natürlich können viele Werkzeuge auch mit MMS oder trocken eingesetzt werden. Die nötigen Einsatzempfehlungen können im «ToolExpert» nachgesehen werden.

Ein Fräswerkzeug besteht im Grunde aus dem HM-Substrat, der Beschichtung und dann den Makro- und Mikrogeometrien. Welche dieser vier Einflussgrössen bietet am meisten Optimierungs-Potential?

Diese Frage ist ähnlich schwer zu beantworten wie die Frage, welche Taste am Klavier die wichtigste ist. Das Zusammenspiel von Substrat, Beschichtung, Makro- und Mikrogeometrie ist essenziell. Aber auch das ist nur die Spitze des Eisbergs. Die Prozessführung bei der Schleifbearbeitung der Kantenverrundung oder der Beschichtung hat einen riesigen Einfluss auf die Oberflächenstruktur und Spannungszustände unterhalb der Oberfläche. Stimmt das nicht, funktioniert das Werkzeug nicht (lange). Das Klavier muss gut gestimmt sein und ein guter Pianist muss vor dem Klavier sitzen, dann klingt es gut. Und so ist es auch bei der Werkzeug­entwicklung.

Was kann man am Swissmem-Zerspanungsseminar noch erfahren, was bisher nicht behandelt wurde?

Ich habe nun viel über die Komplexität und das perfekte Zusammenspiel des Werkzeuges und der Applikationsteilnehmer gesprochen. In meinem Vortrag möchte ich aufzeigen, wie wir bei der Fraisa mit der Herausforderung umgehen, schlüssige Frässysteme zu entwickeln, um daraus wirkliche Innovationen zu erschaffen. Demnach möchte ich den Fraisa-Entwicklungs- und Innovationsprozess erklären und erläutern, welche wichtigen Tätigkeiten es erfordert, um heute in einer industriellen Schweizer Produktion erfolgreich Produkte und Prozesse zu entwickeln. Ziel ist es, den Teilnehmern Inspiration und Motivation zu geben, sich mit ihren Innovationsprozessen auseinanderzusetzen, sodass wir dadurch gemeinsam den Schweizer Innovationsplatz stärken können. SMM

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