Agathon sichert Qualität im Mikrostanzprozess

Eine Mittenbundsäule von Agathon: mit Einbaubuchsen oben und unten sowie einem Kugelkäfig oben sowie einem Rollenkäfig unten.

Regelmäßig durchgeführte Messungen an Produkten verschiedener regionaler Normalien Lieferanten zeigen immer wieder, dass die Qualität der am Markt angebotenen Führungen weltweit abnimmt. Angesichts sinkender Abmessungen der damit zu erzeugenden Bauteile ist dies besonders kritisch, da die Anforderungen an die Präzision in der Stanzfertigung deutlich steigen. Ein herausragendes Bei- spiel hierfür ist die zunehmende Verdrängung des USB-A-Steckers durch den um rund 30 bis 40 % kleineren und anspruchsvoller herzustellenden USB-C-Stecker. Die hier präsentierten Zahlen und Fakten verdeutlichen, wie essenziell die Präzision der Führungen für die Gewährleistung einer sicher beherrschten Fertigung ist. In Zukunft wird dies sogar eine noch zentralere Rolle spielen.

Seit Jahrzehnten werden Elektronikprodukte inklusive der hierfür benötigten Stanzbauteile immer weiter miniaturisiert – ein Trend, der sich eindrucksvoll an der Entwicklung der bekannten USB-Steckergenerationen zeigt. Der in den 1990er Jahren eingeführt USB-A-Stecker war bis etwa Mitte der 2010er Jahre Standard und ist auch heute noch weit verbreitet. Mittlerweile hat sich der Markt jedoch zunehmend der kompakteren USB-C-Ausführung zugewandt. Dieser setzt sich heute vor allem bei tragbaren Systemen wie Laptops, Kameras oder Smartphones immer weiter durch.

Der durch die Miniaturisierung bedingte Anstieg der Anforderungen an die Präzision lässt sich anhand des USB-Beispiels leicht verdeutlichen: Bei einer Verkleinerung des USB-Steckers um rund 30 % muss auch die Blechdicke proportional reduziert werden. Um vergleichbare Stanzverhältnisse und Qualitätsstandards zu gewährleisten, muss bei einem angenommenen Schnittspalt von 5 µm bei der USB-A-Ausführung (ausgehend von einer Blechstärke von t = 0,4 mm) der Spalt bei der C-Version auf etwa 3,25 µm verringert werden.

Diese Einengung der Toleranzen lässt sich nur durch eine erhebliche Steigerung der Präzision im Stanzwerkzeug sicher erreichen. Dies gilt insbesondere für die Führungen, die entsprechend präziser arbeiten müssen, um diese Miniaturisierung produktionstechnisch gewährleisten zu können.

Rückgang der Qualität von Führungs-Normalien

Langzeit-Untersuchungen der Qualität marktgängiger Führungen zeigten jedoch erstaunlicherweise eine entgegengesetzte Tendenz: Bei dieser Erhebung wurden Form- und Lagetoleranzen – beispielsweise der Schlag am Bund sowie die Konzentrizitäten (bei Wälz-Laufflächen, Innen- und Außendurchmessern an der Buchse) – gemessen. Hierfür wurde das arithmetische Mittel aus den einzelnen Messungen ermittelt. Analysiert wurden verschiedene regionale Marken. Die Auswahl umfasste gängige, vorgespannt arbeitende Führungselemente wie Bundsäulen, zylindrische Säulen und Buchsen.

Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Ist-Abweichungen in Bezug auf Form- und Lagetoleranzen in den letzten Jahren bei europäischen Herstellern um rund 13,5 % verschlechtert haben, während sie bei asiatischen Herstellern sogar im Mittel um etwa 78,8 % zurückgingen. Die beigefügte Grafik illustriert die Ist-Form-/Lagetoleranzabweichung im Verhältnis zum potenziellen Schnittspalt. Eigentlich sollte die durchschnittliche Form-/Lage-Abweichung aufgrund der gestiegenen Genauigkeitsanforderungen um ein Vielfaches kleiner sein als der zu gewährleistende Schnittspalt. Wird dieses Maß unterschritten, so ist die erforderliche Stanzqualität kaum noch prozesssicher erreichbar. Die Folge sind schwankende Schnittqualität, erhöhte Gratbildung sowie eine verkürzte Standzeit der Werkzeuge.

Diese Ergebnisse unterstreichen eine zunehmende Fähigkeitslücke zwischen Qualitätsverlust bei den Werkzeugen einerseits und den wachsenden Herausforderungen bei der Produktion präziser Komponenten andererseits.

Größenvergleich von USB-A und USB-C: Die Details im Bereich der Schwalbenschwanz-Verbindung der Blechenden lassen erkennen, welche umformtechnischen Herausforderungen bei der C-Version zu bewältigen sind. (Bild: Klaus Vollrath)

Die Schlüsselrolle von Mittenbundsäulen in modularen Werkzeugen

In der modernen Stanztechnik, insbesondere bei modular aufgebauten Werkzeugen, sind höchste Präzisionsanforderungen unerlässlich. Nicht nur beim Hochleistungsstanzen hängt die zuverlässige Gewährleistung des angestrebten Schnittspalts entscheidend von der Präzision der Innenversäulung innerhalb der Module ab.

Deshalb kommt hier den Mittenbundsäulen eine zentrale Rolle zu. Durch ihre Ausführung ermöglichen sie eine besonders exakte und steife Führung und Zentrierung von Führungsplatte, Stempel und Matrize. Grund hierfür ist der Mittenbund, der nicht nur eine exakt vertikale Ausrichtung der Säule zur Oberfläche der Führungsplatte sicherstellt. Zudem verleiht er der Säule auch eine besonders hohe Steifigkeit. Durch die Fixierung am Mittenbund entspricht die Säulenkonstruktion nicht mehr einem beidseitig aufgestützten und mittig belasteten Biegebalken, sondern vielmehr zwei nur halb so langen, in der mittleren Platte fest verankerten und außen belasteten Säulenstummeln. Die so erhöhte Steifigkeit ist besonders wichtig, um einen minimalen, nahezu null gehenden Schnittspalt sicherzustellen. Letzteres ist entscheidend für die Produktion von qualitativ einwandfreien, gratarmen Stanzteilen.

Zu den wesentlichen Lagetoleranzen bei Mittenbundsäulen-Einheiten gehören:

• Die Konzentrizität zwischen Innen- und Außendurchmesser der Buchsen – besonders wichtig ist dieser Punkt an der Wälzbuchse, da er die Koaxialität als Voraussetzung für eine gleichmäßige Führung sicherstellt.

• Die Rechtwinkligkeit des Bundes zur Führungsplatte, um eine präzise vertikale Ausrichtung zu gewährleisten.

• Die Konzentrizitäten der Wälz-Laufflächen mit dem Säulen-Einbaudurchmesser: dieses Merkmal führt den Stempel deckungsgleich zur Matrize.

Die Einhaltung dieser Toleranzen ist entscheidend, um eine hohe Präzision und Langlebigkeit von Stanzwerkzeugen sicherzustellen. Agathon als Normalienhersteller bietet Mittenbundsäulen an, die speziell für diese Anforderungen entwickelt wurden und durch ihre Konstruktion eine hohe Steifigkeit sowie einfache Montage und Wartung ermöglichen. Diese Säuleneinheiten sind in verschiedenen Normreihen erhältlich und können in der Länge individuell angepasst werden, um den Anwendern die Konstruktion massgeschneiderter Stanzwerkzeuge zu ermöglichen.

Im Vergleich zu europäischen Wettbewerbern zeigt sich, dass die Produkte von Agathon in allen drei Qualitätsmerkmalen überlegen sind. Die Qualitätslücke wird noch deutlicher, wenn asiatische Hersteller in die Betrachtung einbezogen werden, deren Produkte in der Regel größere Abweichungen in den genannten Toleranzen aufweisen:

Essenziell für die Ausführung hochpräziser Stanzarbeiten

Die Resultate zeigen, dass bei einem engen Schnittspalt von 3,5 µm Normalien mit Lagefehlern unter 1 µm, wie sie von Agathon geliefert werden, essenziell für die Ausführung hochpräziser und nachhaltiger Stanzarbeiten sind. Diese vergleichende Analyse unterstreicht die Bedeutung der Auswahl hochwertiger Mittenbundsäulen mit vorgespannten Kugel- oder auch Rollenkäfigen für die Präzision und Effizienz im Hochleistungsstanzen.