Uitdagingen voor de wisselplaat
Nieuwe verspaningstechnieken en e-mobility sturen innovatie
Een aantal globale trends zal de komende jaren vat krijgen op de markt voor wisselplaten. De ontwikkelingen zullen nieuwe eisen stellen aan het snijgereedschap. De fabrikanten bereiden zich daar al volop op voor.
EVOluties in automobielindustrie ...
Van alle werktuigmachines die de Duitse fabrikanten elk jaar produceren, komt 43% terecht in de automobielindustrie. Op Europees vlak zal dat niet veel anders zijn. Deze sector, met al zijn toeleveranciers, is een van de grootste afnemers van CNC-machines en gereedschappen, samen met de machinebouwers zelf en hun aanvoerketens. Een belangrijk deel daarvan wordt gebruikt voor de productie van onderdelen voor de verbrandingsmotor en het bewerken van het motorblok zelf.
De strenge CO2-eisen dwingen de fabrikanten nu op andere aandrijfconcepten over te stappen. Op korte termijn is dat met name de EV-batterij, de elektrische wagen die de energie uit z’n batterijen haalt, en de hybridemodellen. Zo’n elektrische aandrijflijn telt echter aanzienlijk minder frees- en draaicomponenten dan een verbrandingsmotor. Dit heeft in economische zin een flinke impact op de sector. Verspaningstechnisch brengt deze transitie ook veranderingen met zich mee.
... leiden tot veranderingen bij wisselplaten
Andere materiaalsoorten
Gewichtsbesparing is bij een elektrisch aangedreven auto nog belangrijker dan bij die met een verbrandingsmotor. Een middelgrote personenwagen bevat daarom al gauw zo’n 160 kilogram aan aluminium onderdelen. Aluminium als lichtgewichtmateriaal is al langer aan een opmars bezig. Hoewel de batterijbehuizingen vaak ook van aluminium zijn, kiezen de fabrikanten van elektrische sport- en premiummodellen dikwijls voor materialen zoals koolstofvezelversterkte kunststoffen. Zij willen nog meer gewicht besparen en tegelijkertijd de stijfheid verhogen.
Hogere voedingen
Daarnaast is er nog de verschuiving van productietechnologieën. Precisiegieten wint marktaandeel, net als precisiesmeden en 3D-printen. Hierdoor neemt de hoeveelheid materiaal toe die verspaand moet worden. Bij gietstukken en 3D-geprinte onderdelen is de overmaat die nog verspaand moet worden, relatief gering. Deze kleine overmaat vraagt om gereedschappen die hoge voedingen en snijsnelheden toelaten.
Meer snijkanten
Bovendien nemen de seriegroottes af, zodat vaker van werkstuk gewisseld zal worden. Wisselplaten met meer snijkanten zijn een deel van de oplossing, omdat deze langer meegaan. Nu duurzaamheid nadrukkelijk een thema wordt in de metaalindustrie, proberen de grote fabrikanten ook op die manier minder materiaal te verspillen. Méér snijkanten betekent langer gebruikmaken van het hardmetaal, dat daarna bij steeds meer fabrikanten terug wordt ingenomen in recyclageprogramma’s om het hardmetaal terug te winnen voor een nieuw gereedschap. Verbeteringen komen eveneens uit zowel nieuwe snijgeometrieën, die trillingen tegengaan en de snijcapaciteit verhogen.
Keramische wisselplaten
Een spectaculaire verbetering van de snijsnelheid en dus de productiviteit kan men realiseren met het gebruik van keramische wisselplaten, al dan niet op basis van siliciumnitride zoals bij de SiAlON-platen of keramische wisselplaten die versterkt zijn met een whisker (SiCw), waardoor het taaier wordt. De SiAlON-keramieken combineren de voordelen van het versterkte netwerk van een whisker met een hogere chemische stabiliteit. Hierdoor lenen deze keramische snijsoorten zich heel goed voor het bewerken van hittebestendige superlegeringen.
De inzet van deze keramische snijmaterialen leiden tot een heel andere kijk op de factor snijsnelheid. Die kan tot wel een factor 50 worden verhoogd bij het verspanen van bijvoorbeeld superlegeringen. Snijsnelheden tot 1.000 m/min zijn realistisch. Deze snijmaterialen zijn zeer slijtvast, wat zich uit in een lange standtijd. Een nadeel is wel dat de slijtage zich eigenlijk niet manifesteert zoals bij een klassieke wisselplaat, maar pas zichtbaar wordt in de opeens fors afnemende oppervlaktekwaliteit van het werkstuk. Daaraan ziet men of de plaat versleten is.
Invloed CAM-software
De veranderingen aan de machinekant dwingen gereedschapsfabrikanten eveneens tot aanpassingen, zoals betere mogelijkheden van Y-as draaien. Hierbij worden de krachten beter afgeleid naar de gereedschapshouder, waardoor op een stabiele manier hogere snijcondities mogelijk worden. Daar zullen de wisselplaten beter op afgestemd worden. De kleinere series en kostendruk leiden tot een toename van het aantal multitaskingmachines om onderdelen compleet af te werken in één bewerkingsstap. CAM-programmeren is hiervoor onmisbaar en biedt de mogelijkheid om intelligente bewerkingsstrategieën toe te passen. Een voorbeeld van dit laatste is High Dynamic Turning op multitaskingmachines. Hierbij vervangt één wisselplaat meerdere platen die voorheen nodig waren voor uiteenlopende bewerkingen.
De nieuwe generatie wisselplaten is zowel geschikt voor voor- als nabewerken als contourdraaien en langdraaien. Dat zorgt voor een hogere efficiency. De nieuwe CAM-software geeft CNC-operatoren de tools in handen om bewerkingen te programmeren die tot voor kort ondenkbaar waren. Op de multitaskingmachine wordt er gedraaid met de B-as, de eigenlijke freesspindel. Hierdoor kan de aanvalshoek waarmee de indexplaat het materiaal ingaat dynamisch worden aangepast, in tegenstelling tot bij het klassieke CNC-draaien. De machinebesturing bewaakt de werkstukcontour en maakt tegelijkertijd aanpassingen om de wisselplaatprestaties te maximaliseren.
Eenmaal geprogrammeerd, worden de gereedschapsbaan en aanvalshoeken automatisch gecompenseerd om een maximaal verspanend volume en efficiëntie te garanderen. Praktijktesten laten zien dat de bewegingen in de machine tot 90% verminderd worden en dat de voedingen tot zo’n 40% hoger kunnen zijn. De variabele aanvalshoek zorgt eveneens voor een betere oppervlaktekwaliteit. De naadloze wisselplaatrotatie leidt tot een perfecte oppervlakte-afwerking tussen overgangen van parallel draaien naar contourdraaien. Deze draaistrategie heeft een positief effect op de standtijd van de wisselplaten omdat men méér van de snijkant gebruikt dan normaal.
Nieuwe coatingtechnieken
Ook de coatingtechnologie evolueert nog steeds. Niet alleen de deklagen zelf, maar ook de technologie om deze aan te brengen. De coating op de wisselplaat is zowel van invloed op de snijprestaties van een gereedschap als de standtijd. In plaats van bij het PVD-proces (verdampen bij lage temperatuur, waarna een metaal reageert met bijvoorbeeld stikstof) of CVD-coatings (chemische reactie bij temperaturen van 700-1.050 °C), gebeurt dit bij High-Power Impuls Magnetron Sputtering via een fijne nevelregen. Kathodisch vernevelen zorgt ervoor dat de deklaag veel dunner en gladder wordt aangebracht op het hardmetaalsubstraat. Een logisch gevolg hiervan is dat de snijkanten scherper blijven.
Daarnaast blijkt dat High-PIMS leidt tot coatings die beter bestand zijn tegen hogere temperaturen die optreden bij het bewerken van onder andere superlegeringen, zoals titanium. Daarmee wordt voorkomen dat er zich een snijkant opbouwt, wat niet alleen resulteert in een kortere standtijd, maar ook in een lagere productiviteit. De traditionele PVD-coating kan leiden tot fouten in het oppervlak; die kans is kleiner bij High-PIMS. De via de nieuwe sputtertechnologie aangebrachte coating kan door de voordelen van de techniek de standtijd van de wisselplaat met een factor 2 tot 3 verlengen. Bij het bewerken van superlegeringen levert dat een wezenlijk verschil op in zowel de productiviteit – vaak kan men met hogere voedingen werken – als in de standtijd.
Volledig geïntegreerde bedrijven en 3D printen
Een meer bedrijfsmatige trend in de markt voor wisselplaten, is dat enkele fabrikanten ervoor kiezen om dieper in de keten te integreren. Het gaat dan onder andere om de hardmetaalproductie. Aan de ene kant kunnen de producenten dan sneller op de veranderende vraag in de markt reageren; aan de andere kant kunnen ze hierdoor de kennis uit de verschillende fases van gereedschapontwikkeling en -productie beter benutten door het hele bedrijf.
Een tweede ontwikkeling is dat na het 3D-printen van schachtfrezen en gereedschaphouders, de gereedschapsproducenten tegenwoordig ook de eerste 3D-geprinte wisselplaten hebben gemaakt. Zij experimenteren hiermee vooral als klanten om heel specifieke geometrieën vragen of oplossingen om de koelvloeistof beter te sturen. Dan kan 3D-printen soms de enige uitkomst zijn. Een van de struikelblokken is nog de materiaaldichtheid en het vermijden van microscheuren in het geprinte hardmetaal. Daar doen de producenten nog het nodige onderzoek naar. Vooralsnog vindt men 3D-printen interessant voor de productie van prototypes van nieuwe wisselplaten en kleine series.
