Fertigungsmesstechnik von Blum bei Zecha – Mikrometerwerkzeuge prozesssicher vermessen

Das Lasermesssystem LC50-Digilog vermisst bei Zecha Fräswerkzeuge hochpräzise mit einem Durchmesser von 10 µm. (Alle Bilder: Blum-Novotest außer a. a.)

Zecha-Werkzeuge kommen in vielen Branchen zum Einsatz, was das Unternehmen recht krisenfest macht: Vom Formen- und Werkzeugbau über Dental- und Elektrotechnik bis hin zu Pharma-, Textil-, Möbelindustrie sowie Schmuck, Automotive und Aerospace reicht das Portfolio der Kunden. Das Unternehmen hat sich auf Werkzeuge von Durchmesser 12 mm bis hin zu sehr kleinen Mikrowerkzeugen mit Durchmesser 0,01 mm in höchster Präzision spezialisiert. Sie herzustellen verlangt ein Höchstmaß an Kompetenz, denn Geometrien normal großer Werkzeuge können nicht einfach in den Mikrobereich herunterskaliert werden. Beim Einsatz von Fräsern mit wenigen Zehntel Millimetern im Durchmesser herrschen völlig andere Zerspanungsbedingungen als bei herkömmlichen Dimensionen.

Die Werkzeuge sind derart klein, dass die eigentlichen Schneiden nur unter einem Rasterelektronenmikroskop erkennbar sind.

Marcus Becker
Anwendungstechniker Fräsapplikation bei Zecha

„Mit dem LC50-Digilog schaffen wir es, Prozesssicherheit µ-genau sicherzustellen. Auf der Ebene der Prozessentwicklung haben wir inzwischen ständigen Kontakt mit Blum und bieten unseren Kunden dadurch bestmögliche Lösungen.“

Mikrobearbeitungsprozesse reproduzierbar machen

Wer mit der Lupe das Schaftende der Zecha-Werkzeuge betrachtet, erkennt, wie ernst man diese Themen nimmt: Auf der Schaft-Endfläche ist in winziger Schrift die Seriennummer sowie Durchmesser und Radius des Fräsers gelasert – bewusst nicht auf der Schaftfläche, wo die Beschriftung für eine Beeinträchtigung des Rundlaufs sorgen könnte. Bei speziellen Werkzeugserien werden die Schneiden der Mikrowerkzeuge mittels Lasertechnologie final bearbeitet, was eine extreme Schärfe erlaubt, wie bei der Iguana-Serie zu sehen ist. Darüber hinaus ist eine freiere Gestaltung der Schneidengeometrie möglich als bei dem sonst üblichen Schleifverfahren, was sich bei den Werkzeugen der Marlin-3D-Serie widerspiegelt. Die Kante einer solchen laserbearbeiteten Schneide ist dann gerade einmal noch ein Tausendstelmillimeter breit und kann nur noch mit einem Rasterelektronenmikroskop angeschaut werden. „Unser Angebot geht allerdings weit über Werkzeuge hinaus“, unterstreicht Produktmanager Stephen Rapp. „Wir liefern Komplettlösungen für Bearbeitungsaufgaben, dabei arbeiten wir intensiv mit Maschinen- und Zubehörherstellern zusammen. Denn von uns bekommt der Kunde nicht nur Werkzeuge, sondern – sofern erforderlich – einen auf die Maschine abgestimmten Fertigungsprozess.“

Im Jahr 2020 hatten die Zecha-Spezialisten gemeinsam mit dem Werkzeugmaschinenhersteller Kern Microtechnik GmbH aus Eschenlohe die Idee, das Know-how beider Firmen in der Mikrobearbeitung plakativ unter Beweis zu stellen, indem auf einer Kern MicroHD mit einem Zweischneider-Schaftfräser mit 10 µ im Durchmesser ein Schriftzug in ein menschliches Haar gefräst wurde. Dabei handelte es sich im ersten Schritt um eine reine Werbeaktion, die aber sehr erfolgreich war und den Unternehmen einige Anfragen im Bereich extrem kleiner Werkzeuge und Mikrobearbeitungsaufgaben einbrachte.

(Bild: Zecha)

Vermessung von Mikrowerkzeugen

Dabei stellte sich die Frage, wie man solch kleine Werkzeuge, die eine um ein Vielfaches geringere Größe haben als ein menschliches Haar, vermessen kann bzw. wie man sicherstellt, dass der Bearbeitungsprozess reproduzierbar ist. „Besonders wichtig ist hierbei, dass die Messung in der Maschine erfolgt, weil nur so sämtliche Einflussfaktoren erfasst und kompensiert werden können. Da der Maschinenhersteller Kern bereits seit vielen Jahren standardmäßig Lasermesssysteme von Blum in die Präzisionsmaschinen integriert und Zecha solch eine High-End-Maschine sein Eigen nennt, war die Lösung in Form des LC50-Digilog schnell gefunden“, blickt Marcus Becker, Anwendungstechniker Fräsapplikation bei Zecha, zurück. „Nach ersten Tests des Systems war uns sofort klar, dass das Blum-Produkt perfekt für die Vermessung von Mikrowerkzeugen geeignet ist. Auch wenn diese gerade einmal 10 Mikrometer im Durchmesser messen.“

Blum hatte 2017 mit dem LC50-Digilog eine neue Generation Lasermesssysteme vorgestellt, die erstmals mit der revolutionären Digilog-Technologie ausgestattet war und in Sachen Präzision, Messgeschwindigkeit und Prozesssicherheit alles Dagewesene in den Schatten stellte. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lasersystemen, die einen einzelnen Messwert generieren, wenn der Laserstrahl zu einem bestimmten Grad abgeschattet ist, ermittelt das Lasermesssystem LC50-Digilog den tatsächlichen Messwert auf Basis von tausenden Einzelwerten pro Sekunde. „Zudem erkennt das intelligente System – aufgrund der Vielzahl an Messwerten pro Schneide – Schmutz- und Kühlschmiermittelanhaftungen am Werkzeug und rechnet sie aus dem Ergebnis heraus, was die Messergebnisse nochmals zuverlässiger macht“, erklärt Kai Fundel, Vertriebstechniker bei Blum-Novotest. „In Kombination mit vielen weiteren Verbesserungen wie der perfektionierten Laseroptik, einer optimierten Strahlform und des um 30 Prozent reduzierten Fokusdurchmessers, ermöglichen wir eine Absolutgenauigkeit jenseits aller vergleichbaren Messsysteme.“

Der LC50-Digilog ermittelt den tatsächlichen Messwert auf Basis von tausenden Einzelwerten pro Sekunde.

Mit Werkzeugbruchüberwachung prozesssicher

Wenig überraschend ist, dass beim Einsatz von Mikrowerkzeugen neben der Werkzeugvermessung auch die Werkzeugbruchüberwachung ein wichtiges Thema und im Fall eines 10 µ-Werkzeugs sogar entscheidend für die Prozesssicherheit ist. Die Wahrscheinlichkeit eines Werkzeugbruchs ist hier naturgemäß deutlich höher als bei Standardwerkzeugen und ein Bruch könnte ohne das Lasermesssystem nur anhand der nicht stattfindenden Bearbeitung entdeckt werden. Hier bietet die berührungslose Messung bei Bearbeitungsdrehzahl, wie sie mit dem Digilog-System von Blum möglich ist, große Vorteile, denn sie erfolgt sekundenschnell und absolut zuverlässig, ohne die Gefahr, das Werkzeug zu beschädigen.

Aber auch bei der Prozessentwicklung für Kunden spielt der LC50-Digilog eine wichtige Rolle: „Mit Hilfe des LC50-Digilogs sind wir in der Lage, in neuen Prozessen oder bei neuentwickelten Werkzeugen die Standzeit und den Verschleiß genau zu erfassen. Schließlich wollen unsere Kunden bereits vor dem Kauf wissen, welche Standzeit sie erwarten können“, berichtet Marcus Becker. „Von Vorteil ist dabei, dass das Lasermesssystem nicht auf die Mikrowerkzeugtechnik beschränkt ist, sondern alle unsere Werkzeugdurchmesser abdeckt. So können wir mit einem Messsystem alle Prozesse entwickeln.“ Auch unterschiedliche Beschichtungsfarben beeinflussen die Messergebnisse nicht. Gemeinsam haben die Spezialisten von Zecha und Blum zum Test das gesamte Werkzeugportfolio durchgemessen und ausnahmslos beste Messwerte erzielt.

Von der Visualisierung der Fertigungsprozesse bis zur Auswertung

Zusammen mit den Lasermesssystemen setzt Zecha auch die Software LC-Vision von Blum-Novotest ein. Dabei handelt es sich um eine Mess- und Visualisierungssoftware, mit der am Steuerungsbildschirm eine Vielzahl von Messaufgaben schnell und einfach generiert, visualisiert und ausgewertet werden können. „Die ‚Stability Funktion‘ in LC-Vision beispielsweise ermöglicht uns – vereinfacht gesagt – das Verhalten der Maschine kennenzulernen. So kann man beispielsweise relativ schnell herausfinden, wann die Maschine einen stabilen thermischen Zustand erreicht hat und mit der Bearbeitung gestartet werden kann“, erläutert Marcus Becker. „Hervorzuheben ist aber auch die Bedienerfreundlichkeit der Messsoftware LC-Vision, die mehr Möglichkeiten und Komfort bietet, als wenn die Messvorgänge per NC-Zyklus aufgerufen und ausgeführt werden. So bietet die Software-Auswertungen über viele Messreihen hinweg, ein Dashboard, das unter anderem Verschleißtrends abbildet sowie eine intuitive Erstellung von Messprogrammen für eine Vielzahl von Werkzeugen.“

Ob Visualisierungen der gemessenen Werkzeugkontur, um Ausbrüche zu beurteilen, oder Statistiken für Langzeittests, LC-Vision eröffnet auch im Zuge der Werkzeugentwicklung viele nützliche Informationen. „Für die Beurteilung unserer eigenen Fertigungsprozesse nutzen wir beispielsweise die Einzelschneidenvermessung, bei der alle Schneiden eines Werkzeugs gemessen und miteinander verglichen werden können. Und das eben auch bei Werkzeugen mit nur 10 µm im Durchmesser,“ betont Thilo Hutmacher aus der Forschung und Entwicklung bei Zecha. „Gerade bei sehr kleinen Werkzeugen ist der Rundlauf von besonderer Bedeutung, im schlimmsten Fall reicht eine Unwucht aus, das Werkzeug bei Nenndrehzahl abzureißen. So sind Messungen in der Maschine, mit laufender Spindel und im Werkzeughalter extrem wichtig für uns, weil eben das gesamte System gemessen wird und nicht nur einzelne Komponenten.“

Auf der Suche nach dem letzten µ

Zecha präsentiert seinen Kunden heute Komplettpakete aus Werkzeug, Prozess und Digilog-System, die eine hohe Bearbeitungsqualität sicherstellen und bestmögliche Produktivität gewährleisten. Die Bruchkontrolle nach jedem Bearbeitungsschritt schützt Maschine und Folgewerkzeuge – sie ist eine Voraussetzung für einen störungsfreien mannlosen Betrieb. Außerdem lassen sich die hochwertigen Werkzeuge bis an die individuelle Verschleißgrenze nutzen, statt nach einer vorgegebenen, mit Sicherheitsfaktoren beaufschlagten Lebenszeit getauscht zu werden. „Zudem schaffen wir es mit dem LC50-Digilog, Prozesssicherheit µ-genau sicherzustellen. Auf der Ebene der Prozessentwicklung haben wir inzwischen ständigen Kontakt und bieten unseren Kunden dadurch bestmögliche Lösungen“, fasst Marcus Becker zusammen. „Auch in der Messgeschwindigkeit ist das Digilog-System sehr gut, denn eine normale Messung dauert nur wenige Sekunden, während andere Technologien bei einer geringeren Genauigkeit ein Vielfaches dieser Zeit benötigten. Schließlich sind wir immer auf der Suche nach dem letzten ‚µ‘ – mit Blum haben wir einen Partner gefunden, der genauso tickt wie wir.“