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Klappe auf für einen unbekannten Filmstar – der Stanzprozess

Das junge Unternehmen Stanova Stanztechnik ist dem idealen Schneidspalt für das Stanzen von Kunststoffen auf der Spur. Eine Hochleistungskamera liefert neue Einblicke in den Stanzprozess.

Von Sebastian Noller und Katrin Lechler

Stanova untersucht seit Längerem die Bedingungen für rückstandsfreies Stanzen von Kunststoffen. Grat und Flusen verursachen nicht nur Kosten, da sie in einem zusätzlichen Prozessschritt entfernt werden müssen. Sie stellen auch eine Gefahr für Werker*innen dar und gefährden die Betriebssicherheit. Dabei hat sich vor allem der Kunststoff PC-ABS als divenhaft erwiesen. Während PVC durch eine hohe Stanzgeschwindigkeit und einen relativ kleinen Schneidspalt qualitativ hochwertig getrennt werden kann, helfen diese Parameter bei der Bearbeitung von PC-ABS nicht. Doch genau dieser ist der attraktivere Werkstoff: PC-ABS ersetzt zunehmend PVC als Standardkunststoff, der bei Temperaturen über 210 °C Salzsäureverbindungen entwickelt und freisetzt. Außerdem muss bei einigen Anwendungen wie im Schienenfahrzeugbau die internationale Norm UL94 für die Entflammbarkeit von Kunststoffen eingehalten werden. PC-ABS kann diese Anforderung ohne den Zusatz von umweltgefährlichen und gesundheitsschädlichen Halogenen erfüllen.

In bisherigen Studien wurde meist versucht, das Materialverhalten durch die Variation des Mischungsverhältnisses von PC zu ABS, des Butadien-Gehalts im ABS, der Prozessparameter beim Extrudieren und Mischen und der optional verwendeten Additive zu beherrschen.

Stanova hat zusammen mit ihrer Kooperationspartnerin Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) einen neuen Ansatz gefunden, um das Stanzergebnisse bei PC-ABS zu optimieren: Es wurde eine gläserne Matrize gefertigt, die Einblick in den Stanzprozess gewährt. Dieser wird mit Hilfe einer Hochleistungskamera gefilmt (s. Abbildung 1). Es entstanden 73 Aufnahmen, dabei hatte PC-ABS eine Materialstärke von 1,4 mm, PVC 1,2 mm.

Mit dieser unkonventionellen Untersuchungsmethode kann das Materialverhalten von PVC und PC-ABS mikroskopisch genau beobachtet und verglichen werden. Das junge Unternehmen Stanova wird damit seinem Anspruch gerecht, Neues zu wagen, um eingefahrene Abläufe in der Kunststoffbranche dynamischer und energieeffizienter zu gestalten. Das sind die vorläufigen Ergebnisse:

PVC weist eine geringe Bruchdehnung auf. Nach leichter Deformation zeigt das Material schon Anzeichen eines Weißbruchs, also eine Weißfärbung während der Verstreckung. Zum Ende des Vorgangs erfolgt ein Scherbruch mit geringfügiger duktiler Deformation. Der Versagensmechanismus des Materials gleicht einem spontanen, spröden Bruch.

PC-ABS hingegen scheint sich wie Kaugummi zu dehnen und sich mit jeder Faser dem Trennvorgang zu widersetzen. Oder anders ausgedrückt: PC-ABS wird so lange plastisch verformt, bis die Scherfestigkeit des Materials lokal überschritten wird. Wahrscheinlich findet bei der Bearbeitung von PC-ABS kein klassischer Stanzprozess statt, sondern das Material muss über seine gesamte Materialstärke geschnitten werden.

Weitere Versuche ergaben, dass ein relativ zur Materialstärke kleiner Schneidspalt zu einer vermehrten Flusenbildung führt. Flusen sind unerwünscht, da sie zur Verstopfung der Matrize führen können, aber auch Mikroplastikpartikel darstellen, die in die Umgebung gelangen. Bei PVC dagegen ist es genau anders herum: ein kleiner Schneidspalt verringert Grat und Flusen am Werkstück. In dieser verwirrenden Situation liefern die Nahaufnahmen des Stanzprozesses wichtige Erkenntnisse: Offenbar entstehen Flusen beim Werkstoff PC-ABS, wenn der Stanzabfall, auch Butzen genannt, nicht komplett vom Werkstück getrennt wurde. Diese letzte Materialverbindung zwischen Butzen und Werkstück längt sich während des Stanzprozesses im Schneidspalt, während der Schneidstempel den Butzen nach unten abführt. Die Flusen gelangen also nicht in den Schneidspalt, sondern entstehen dort.

Die Aufnahmen mit dem unbekannten Filmstar „Stanzprozess“ haben sich gelohnt: Zum einen konnte das Materialverhalten von PC-ABS und PVC visualisiert werden. Zum anderen ist nun die ambivalente Rolle des Schneidspalts deutlich geworden. Außerdem ist sich ein dritter, wichtiger Faktor hervorgetreten, der für die Stanzqualität von Bedeutung ist: Der Niederhalter ist beim Stanzen von PC-ABS teilweise ohne Funktion, da er nach dem Aufsetzen auf das Material schwingt. Dies scheint keinen oder nur geringfügig negativen Effekt auf das Stanzen von PVC zu haben. Bei PC-ABS hingegen ist der Niederhalter unverzichtbar für grat- und flusenfreie Ergebnisse. Möglicherweise liegt das an der höheren Bruchdehnung von PC-ABS gegenüber Werkstoffen aus PVC. Diese Situation kann leicht behoben werden, in dem die Niederhalterkraft bzw. die Federsteifigkeit erhöht und die Masse des Niederhalters minimiert wird. Beide Maßnahmen erhöhen die Eigenfrequenz des Niederhaltersystems bzw. der bewegten Teile wodurch die Schwingung mit einer höheren Frequenz und einer kleineren Amplitude abläuft.

Stanova und die HTW werden Folge-Versuche durchführen, bei denen weitere Kunststoffe in verschiedenen Materialstärken betrachtet werden. Ziel ist es, eine je nach Material und Stärke ideale Schneidspaltgröße zu finden, die glatte Schneidkanten garantiert.

Schnelles Stanzen mit innovativer Technologie

Komplette Gratfreiheit – ein alter Stanzer-Traum. Die Firma Stanova ist diesem Ziel  näher gekommen. Drei Einheiten sorgen in ihrer intelligenten Verknüpfung für einen Takt von 960 Hüben pro Minute. Erstens treibt eine besonders schnelle Exzenterpresse das Stanzwerkzeug an. Sie bietet eine gleichmäßige Bewegung und hat einen höheren Wirkungsgrad als hydraulische oder pneumatische Antriebe. Zweitens kommt ein hochbeschleunigender Walzenvorschub zum Einsatz, der von einem Sensor überwacht wird. Das dritte beschleunigende Element in der Konstruktion ist das Werkzeug. Stanzmaschinen für Kabelkanäle sind nach dem Stand der Technik mit Mehrfachwerkzeugen ausgestattet – optisch vergleichbar mit einem Kamm: So werden mehrere Stanzvorgänge gleichzeitig ausgeführt. Dies erscheint zwar effektiv, hat aber Nachteile: Die Werkzeugeinheit hat eine relativ große Masse, so dass der Stanztakt aufgrund der Trägheit und hoher Beschleunigungskräfte kaum zu steigern ist. Zudem sind die Anschaffungskosten relativ hoch, schließlich müssen Stempel und Schneidplatten mehrfach ausgeführt werden. Durch die starre Anordnung der Mehrfachwerkzeuge sind die Stanzabstände nicht flexibel einstellbar.

Einfachwerkzeuge contra Mehrfachwerkzeuge

Schneller und flexibler sind dagegen die von Stanova eingesetzten Einfachwerkzeuge. Sie führen eine Stanzung pro Hub aus, - es wird also quasi nur mit einem Zinken des Kamms gestanzt – die Stanzleistung ist aber wegen des Hochleistungsantriebs der Exzenterpresse um knapp das Doppelte höher als die der Stanzmaschine mit Mehrfachwerkzeugen.

Justieren auf verschiedene Kabelkanalgrößen

Die Stanzmaschine PowerSpee kann variabel auf verschiedene Materialeigenschaften eingestellt werden: So können Kabelkanäle zwischen 25-150mm Breite, einer Höhe von 37-125 mm und einer Länge von 500 und den herkömmlichen 2000 mm gestanzt werden. Die Exzentrizität ist zwischen 6,9,12  und 15 mm wählbar. Durch die Modulbauweise des Werkzeugs ist es je nach gewünschter Profilabmessung möglich, nur die Schneideinheit zu wechseln. Durch dieses Kassettensystem kann der Bediener  innerhalb weniger Minuten die Stanze auf ein neues Kabelkanal-Format umstellen.

Feststehendes Werkzeug garantiert zuverlässige Positionierung

Es ist weiterhin vorteilhaft, dass der Steuerungs- bzw. Synchronisierungsprozess des Kabelkanalvorschubs beim Stanzen mit den Einfachwerkzeugen einfacher und prozesssicherer als mit Mehrfachwerkzeugen ist. Bei der Stanzmaschine von Stanova wird nur der relativ leichte Kabelkanal im Abstand einer Fingerbreite des Verdrahtungskanals vorgeschoben und zum fest stehenden Werkzeug positioniert. Bei der herkömmlichen Technologie dagegen bewegt sich ein Mehrfachwerkzeug und wird immer von neuem zum gestanzten Kabelkanalende ausgerichtet. Das kann zu Positionierungsfehlern führen und somit zu fehlerhaften Fingerabständen im Stanzergebnis. Der hergestellte Verdrahtungskanal ist dann Ausschuss.

Zusätzliche Entgratung entfällt

Auch erhöhter Grat kann ein Reklamationsgrund beim Kunden sein. Bisher wird der Grat bei vielen Herstellern in einem zusätzlichen Schritt entfernt. Das verteuert die Produktion und verlängert die Fertigungslinie. Stanova tritt mit einem anderen Ansatz an: Durch eine optimale Abstimmung von Werkzeuggeometrie, Schneidspalt,  Stanzgeschwindigkeit und Materialzusammensetzung wird schon beim Stanzen fast komplette Gratfreiheit erzielt. Grat ist unerwünscht, weil scharfe Kanten zu Verletzungen von Monteur und Monteurin führen können. Auch kann er Kabelisolierungen beschädigen, kleine Flusen können bei höheren Spannungen sogar zu Kurzschlüssen führen.

Gegenwärtig bereitet den Verdrahtungskanalherstellern das gratarme Stanzen von halogenfreiem Kunststoff PC-ABS noch Schwierigkeiten. Hier bedeutet der Einsatz der PowerSpee einen technologischen Fortschritt, da auf eine Nacharbeit des Verdrahtungskanals verzichtet werden kann.

Höhere Produktivität beim Stanzen von PVC

PVC dagegen lässt sich schon jetzt relativ gratfrei stanzen. Hier ist aus Sicht der Verdrahtungskanalhersteller eine höhere Produktivität attraktiv. Sie sollte mindestens mit der Produktivität der Extruder Schritt halten. Das schaffen die auf bisherigen Stanzmaschinen nicht. Die Stanzmaschine ist bisher also ein Nadelöhr – oder musikalisch gesprochen: es besteht eine Disharmonie zwischen dem schnellen Extruder und der langsameren Stanze, die die Firma Stanova Stanztechnik wieder miteinander „versöhnen“ will. Die Harmonisierung verspricht eine deutlich höhere Energieeffizienz: Der Extruder kann besser ausgelastet werden, weniger Energie verpufft.

Zudem hat der elektromechanische Exzenterantrieb mit 90% einen besseren Wirkungsgrad gegenüber 82% bei der herkömmlichen Hydraulik-Technik.

Klein aber oho

Schnell und  individuell – die Kombination dieser beiden Eigenschaften macht die Sondermaschine PowerSpee so interessant: Stanova will sich nicht mit Branchengrößen messen, sondern eine Maschineneinheit mit den erforderlichen Parametern zur Verfügung stellen und zugleich auf die besonderen Bedürfnisse der Kunden eingehen: So kann die PowerSpee offline oder online eingesetzt  werden: damit ist eine schnelle Produktion gängiger Verdrahtungskanal-Größen möglich oder auch die Herstellung bestimmter Losgrößen auf Vorrat. Bei einer Maschinenstörung kann der Extruder weiterlaufen, die extrudierten Profile werden in einer Pufferzone gelagert.

Ausgründung des etablierten Servopressen-Herstellers Promess

Die Firma Stanova Stanztechnik GmbH wurde im Juli 2015 gegründet. Das Unternehmen entwickelt und vertreibt eine hochproduktive Stanztechnologie. Damit soll es den Herstellern deutschland-, europa-, und weltweit ermöglicht werden, Verdrahtungskanäle wirtschaftlich und gleichzeitig mit hoher Qualität herstellen zu können und sich somit einen Wettbewerbsvorteil auf dem Anbietermarkt zu verschaffen.

Stanova Stanztechnik ist eine Ausgründung der Berliner Promess Montage- und Prüfsysteme GmbH, einer der bekanntesten Servopressenhersteller der Welt. Das patentrechtlich angemeldete Verfahren wurde aus der Mutterfirma ausgegliedert, um eine eigenständige und schwerpunktmäßige Weiterentwicklung des Produkts zu ermöglichen.