Der Sharp-E Newsletter Januar 2021

Als sich ANCA 2011 mit Precorp (jetzt Teil der Sandvik-Coromant-Gruppe) zusammenschloss, um die ANCA EDG (Electro Discharge Grinding)-Maschine zu entwickeln, war die Mission klar. Beide Unternehmen wollten eine Hochleistungsplattform für die rotierende Elektroerosion (EDM) schaffen, die nicht nur in der Lage ist, klassenbeste Werkzeuggeometrien zu fertigen, sondern die auch marktführende Zykluszeiten aufweist.
 
Es war Pat Boland, der Gründer und Geschäftsführer von ANCA, der schnell erkannte, dass man mehr Köpfchen als Muskeln braucht, um die etablierte Konkurrenz zu übertreffen. „Der Erosionsprozess ist in seiner Komplexität doch sehr einfach. Das Verfahren basiert auf positiven und negativen Elektroden mit einem Elektrolyt, um Funken entlang eines Materials zu erzeugen. ANCA kann auf eine 45-jährige Geschichte in der Herstellung der weltbesten Hartmetall- und HSS-Werkzeuge zurückblicken, und wir wollten diese Fähigkeiten für PKD-Werkzeuge nutzen“, so Pat.
 
Die Hauptkriterien für die ANCA EDG-Maschinen waren, dass sie einfach genug sein mussten, um alle Arten von gelöteten, schergenuteten Werkzeugen leicht erstellen zu können, aber auch komplex genug, um die Erstellung einer unendlichen Vielfalt von schraubenförmigen, vollbestückten, geäderten und Chevron-Werkzeugen zu ermöglichen. Pat fügt hinzu: „Wir haben früh erkannt, dass bei der Komplexität der Werkzeuggeometrie, die wir unseren Kunden ermöglichen wollten, die 5-Achsen-Interpolation unter Beibehaltung des präzisen Erodierspaltabstands eine Herausforderung sein würde.“    
                                                                                                                                                  
Zu diesem Zweck klopfte Boland, selbst ein Master of Electrical Engineering von der University of Melbourne, bei der RMIT University Melbourne an und wurde dem damaligen Doktoranden der Elektrotechnik, jetzt Dr. Kotler Tee, vorgestellt. Dr. Tee brachte beste Empfehlungen mit und wurde schnell von ANCA eingestellt, um die Entwicklung und den Einsatz des EDG-Erosionsprozesses zu leiten. Gemeinsam formulierten Boland und Tee ihre Ideen und machten sich an die Arbeit, um das wohl technisch fortschrittlichste Erosionsverfahren zu entwickeln, das heute auf dem Markt erhältlich ist.

Schritt 1: Aufrechterhaltung der optimalen Funkenerosionsstrecke mit IAC

Die erste Aufgabe, die sie in Angriff nahmen, war die Aufrechterhaltung des optimalen Funkenerosionsspalts sowohl für einfache 2D- als auch für komplexe 3D-Bahninterpolationen. „Während des Erodiervorgangs ist die Einhaltung des optimalen Funkenerosionsspalts von fundamentaler Bedeutung, damit der Prozess mit hoher Effektivität arbeitet. Bei der rotierenden 2D-Bahninterpolation ist dies sehr einfach. Wenn die 3D-Bahninterpolation jedoch 4 oder 5 Achsen umfasst, die sich gleichzeitig bewegen, werden Oberflächen-, Volumen- und Bahnänderungen zu einer Herausforderung“, so Dr. Tee. „Aus unseren Tests wussten wir, dass der Standard darin bestand, den Maschinenvorschub einfach auf den niedrigsten zulässigen Wert einzustellen, um einen brauchbaren Funkenspaltabstand beizubehalten; dies führt jedoch zu einer Menge Leerlaufzeit und senkt den Vorschub drastisch.“  Um den Vorschub hoch zu halten und den optimalen Funkenerosionsabstand beizubehalten, wurde die Idee der Intelligent Adaptative Control (IAC) geboren.
 
Die Intelligent Adaptive Control (IAC) ist eine in-time, servo-gesteuerte Funktion, die den Erodierspaltabstand während des Prozesses automatisch überwacht und steuert. Durch die Nutzung der EtherCAT-Funktionalität des ANCA Motion AMD5x-Steuerungssystems synchronisiert IAC die Maschinenbewegungen mit der Generatorleistung. IAC passt den optimalen Funkenspaltabstand an und hält ihn aufrecht, was beim Erodieren von 3D-Geometrien, wie z. B. PKD-Nuten und Kehlen an Bohrern und Schaftfräsern, sehr wichtig ist. Da sich die Geometrie in bis zu 5 Achsen gleichzeitig ändert, passt IAC automatisch den Spaltabstand und den Maschinenvorschub an, um die Erodiergeschwindigkeit und die Oberflächengüte zu optimieren. Dabei werden nicht nur die Vorschübe beschleunigt, wenn die Erosion entlang linearer Bahnen erfolgt, sondern auch die Vorschübe verlangsamt, wenn Bahnänderungen auftreten.
 
„Drehungen und Wendungen entlang der Erodierbahn können dazu führen, dass das Elektrodenrad in engen Kontakt mit dem Werkzeug kommt oder sich vom Werkzeug löst. Dies kann zu optimalen, schlechten und fehlenden Funken entlang der Bahn führen“, ergänzt Dr. Tee. IAC berücksichtigt dies automatisch und hält die schnellstmögliche Vorschubgeschwindigkeit entlang der Länge jeder veränderlichen Bahn aufrecht. Dies führt automatisch zu einer Gesamterhöhung der Vorschübe, minimaler thermischer Beschädigung, hervorragender Oberflächengüte, erhöhter MRR und verringerter Zykluszeit.“
 
Ein zusätzlicher Vorteil von IAC ist die einfache Herstellung von PKD- und Hartmetall-Mikrowerkzeugen. Da IAC den optimalen Abstand beibehält, ist die Wahrscheinlichkeit von Scheibenkollisionen und damit von Werkzeugbrüchen sehr gering. Dies ist entscheidend beim Erodieren von Werkzeugen unter 0,5 mm.

Schritt 2: Optimieren des Erodierprozesses mit ASC

Die nächste Herausforderung war die Schaffung einer optimalen Funkenbildung, um den Erosionsprozess zu erleichtern. Der Strom, die Spannung, die Dauer, die Abschaltzeit und damit die Intensität der Funken ändert sich je nach dem Material, welches erodiert wird. Das heißt, PKD erfordert bestimmte Parameter im Gegensatz zu Hartmetall (HM) und Hochleistungsschnittstahl (HSS). Die Herausforderung besteht darin, dass PKD-Wafer im Allgemeinen 0,6 mm PKD mit einer 1 mm starken Hartmetallunterlage sind. Gesintertes PKD, wie beim Precorp-Sandvik „geäderten“ Prozess, Chevron-Werkzeuge und Vollhartmetall-Werkzeuge, werden ebenfalls auf Hartmetallunterlage geformt. Beim aggressiven Erodieren, z. B. bei Schruppbearbeitungen, erodiert das Kupferelektrodenrad entlang der PKD-Hartmetall-Grenze. Erodierparameter, die für PKD optimiert sind, können ungewollt den Hartmetallrücken übererodieren. Dies wiederum führt zu einer Übererosion an der PKD-Karbid-Grenze, die als „Unterschnitt“ bezeichnet wird, da sie gezielt das Karbid unter dem PKD erodiert. Außerdem kann es zu Kobaltauslaugung führen, was bedeutet, dass das PKD-Bindemittel, Kobalt, bevorzugt abgetragen wird und freiliegende PKD-Bereiche zurückbleiben.
 
Dies ist vergleichbar mit dem Hindurchgraben unter einem gepflasterten Weg. Wenn Sie zu viel Material unter dem Weg weggraben, bricht der Weg irgendwann ein. Maschinentests zeigten, dass der Unterschnitt und die Kobaltauslaugung beim starken Schruppen zu einem spröden Rand entlang der Schneidkante und zu vorzeitigem Werkzeugverschleiß führen. Um dies zu vermeiden und den Erosionsprozess zu optimieren, wurde die Adaptive Spark Control (ASC) entwickelt.

 
ASC verwendet das ultraschnelle EtherCAT-Servosystem zusammen mit DSP (Digitale Signalprozessoren) und FPGA (Field Programmable Gate Arrays) auf dem Generator selbst. Der EDG-Erosionsgenerator ist in der Lage, jeden Funken in Echtzeit zu überwachen und zu berechnen. Die Wellenform jedes Funkens wird automatisch überwacht und kategorisiert, basierend auf dem zu erodierenden Material, dem Erosionsspaltabstand und anderen Faktoren, die für einen optimalen Erosionsprozess wichtig sind. Der Generator kann dann das Energieniveau jedes einzelnen Funkens (Strom, Spannung, Dauer und Abschaltzeit) dynamisch an das zu erodierende Material anpassen.
 
ASC optimiert den Erosionsprozess, was zu einer geringeren Kobaltauslaugung und einer Reduzierung des Unterschnitts an der PKD-Karbid-Grenze führt.  Dies führt zu einer stärkeren Schneidkante und einem fertigen Werkzeug, das weniger anfällig für Ausbrüche ist. Dies trägt zu einer längeren Standzeit, geringerem Werkzeugverschleiß und niedrigeren Werkzeugkosten bei. Tests mit Werkzeugen, die für die Bearbeitung von CFK (kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff) geeignet sind, zeigten eine Standzeiterhöhung von bis zu 60 %.
 
Diese intelligenten Erosionsschutzmaßnahmen sind jetzt durch Patente geschützt, die ANCA erteilt wurden.

 

Schritt 3: Verstärken der Leistungselektronik mit dem ANCA Motion SparX Erosionsgenerator

Das letzte Puzzleteil war die Optimierung der Elektronik, um eine noch höhere und aggressivere Erosion zu ermöglichen und gleichzeitig eine sehr hohe Oberflächengüte zu erzielen. Hierfür griff ANCA auf das Know-how der Schwesterfirma ANCA Motion zurück. Richard Colin, Senior Electrical Engineer, wurde mit der Aufgabe betraut, den branchenführenden Erosionsgenerator auf Basis der AMD5x Servo-Plattform zu entwickeln. Richard war versiert in Hochfrequenz- und Hochleistungselektronik, da er vor seiner Tätigkeit bei ANCA Motion bereits Ground Power Units (GPUs) für die Luftfahrtindustrie konstruiert hatte (bis heute sieht man Richard in seiner Pratt and Whitney-Lederjacke). „Ich habe die Chance sofort ergriffen. Ich hatte geradezu auf die Gelegenheit gewartet, mit der neuesten Best-in-Class-Halbleiter-Leistungselektronik für Breitband-Schaltgeschwindigkeiten zu arbeiten.“

Im Vergleich zu äquivalenten Komponenten ermöglicht die Mega-Ampere-pro-Puls-Technologie den Kunden von ANCA eine Erweiterung des Leistungsbereichs, auf den sie zugreifen und den sie nutzen können. Der ANCA Motion SparX Erosionsgenerator zeigt eine überragende Leistung im Bereich des extra schweren Schruppens bis hin zum ultrafeinen Schlichten und nutzt die Pico-Impuls-Technologie für eine Abtragung mit hoher Energiedichte. Dies ermöglicht eine weitaus bessere Kontrollierbarkeit und bietet dem Kunden optimierte Vorschubraten, eine hervorragende Oberflächenqualität und drastisch reduzierte Zykluszeiten. Diese Impulspräzision ermöglicht einen Abtrag, der von ultraniedrigen Energieimpulsen für außergewöhnliche Feinstbearbeitung bis hin zu Hochenergieimpulsen für schnellen Materialabtrag reicht.
 
Im PKD-Erodierprozess steht die Zykluszeit in direktem Zusammenhang mit der Materialabtragsrate (MRR). Der ANCA Motion SparX Erosionsgenerator liefert eine unerreichte Steigerung der MRR durch die neuen Operationen Extra-Schweres Schruppen, Super-Feines Schlichten und Ultra-Feines Schlichten. Dies bedeutet eine unübertroffene Steigerung der MRR und eine Reduzierung der Zykluszeit um 50 % im Vergleich zu Wettbewerbsmaschinen - die wohl schnellsten Zykluszeiten auf dem Markt. Auch die Qualität der Erodieroberflächen wird über alle Leistungsmodi hinweg verbessert. Polierte Oberflächengüten von Ra < 0,1µm und Rz < 0,5µm können mit dem neu entwickelten „Ultra-Fine Finishing“-Prozess mit Pico-Puls-Technologie leicht erreicht werden. Diese Verfahren ermöglichen die Herstellung hervorragender Schneidkanten, die für die anspruchsvollsten Anwendungen von Schneidwerkzeugen erforderlich sind.
Die Bündelung von Intelligenz in einem Bereich, der früher von Brute-Force-Elektronik dominiert wurde, verschafft ANCA-Kunden nicht nur einen Vorteil gegenüber der Konkurrenz, sondern ermöglicht auch einen intelligenteren Ansatz für die Werkzeugherstellung. „Der Unterschied zwischen unserem Ansatz und dem unserer Wettbewerber besteht darin, dass ANCA sich darauf konzentriert, was unsere Kunden mit ihrem Erodierprozess erreichen wollen. Diese sagten uns sehr deutlich, dass sie einen Prozess wollten, der für schraubenförmige und runde PKD-Werkzeuge optimiert ist. Wir haben eng mit ANCA Motion zusammengearbeitet, um unseren Erosionsgenerator so zu gestalten, dass er nicht nur für Scherwerkzeuge, sondern auch für unendlich viele hochkomplexe Geometrien geeignet ist, anstatt die Generatortechnologie wiederzuverwenden, die ursprünglich für die Drahterosionsbearbeitung (Wire-EDM) entwickelt wurde. Unser Ansatz stellt die Branche auf den Kopf. Wir lassen die Geometrien den Prozess diktieren, nicht den Prozess die verfügbaren Geometrien.“
 
„Wir haben Intelligenz genutzt, um rohe Gewalt zu übertreffen, so wie der Fuchs, der den Hase ausgetrickst hat“, scherzte Dr. Tee.

15 Januar 2021