"Faszination Blech": Stanzen, Nibbeln, Umformen (Kapitel 5)

Die Tücken des Verfahrens meistern
IMMER SCHÖN FLACH HALTEN
Während der Bearbeitung wird die Blechtafel enorm bean-
sprucht: Je nach Teil prasseln tausende von Hüben auf sie
ein. Dabei wirken Stanzkräfte von bis zu 220 Kilonewton (das
entspricht der Gewichtskraft von 22 Tonnen), mit denen große
Durchbrüche ausgestanzt werden. Umformungen werden in
Teile eingebracht und das Restgitter wird immer filigraner.
Zwischen den Hüben wird die Blechtafel mit hoher Geschwindigkeit
auf dem Maschinentisch hin und her gezogen. Da scheint
es leicht nachvollziehbar und unausweichlich, dass sich die
Blechtafel verformt. Oder?
Stichwort Ebenheit | Maschinen-, Werkzeug- und Stahlhersteller
arbeiten zusammen daran, dass die Blechtafel und
damit auch die fertigen Teile während der Bearbeitung so
eben wie möglich bleiben. Denn nur so lassen sich hohe
Genauigkeiten erzielen und aufwendige Nacharbeiten entfallen.
Verwundene Teile müssen vor dem nächsten Fertigungsschritt
gerichtet, das heißt geebnet werden.
1
Dass sich Blechtafeln und Teile verformen, liegt an den Spannungen
im Material. Sie entstehen schon beim Herstellen der
Bleche. Deshalb empfiehlt es sich, Bleche zu verwenden, die
als spannungsarm gekennzeichnet sind.
Während der Bearbeitung erzeugen Stempel und Matrize bei
jedem Hub Spannungen im Blech. Diese gilt es zu reduzieren.
Maschinen- und Werkzeughersteller tun das mit speziellen
Werkzeug- und Maschinenfunktionen. Beim normalen, passiven
Stanzhub bleibt zwischen Abstreifer und Blech ein kleiner
Zwischenraum von etwa 1 bis 1,5 Millimetern. Um die Verformung
zu reduzieren, setzt man den Abstreifer aktiv ein. Das
bedeutet, der Abstreifer hält das Blech während des Stanzhubes
nieder. Daneben helfen weitere Strategien:
• Vor- und Nachstanzen | Bei großen Stanzungen
empfiehlt es sich, zunächst mit einem kleineren Werkzeug
vorzustanzen.
• Werkzeugpflege | Eine stumpfe Stempelschneide
vergrößert die Spannung im Material. Deshalb sollte
der Stempel regelmäßig nachgeschliffen werden.
• Optimaler Schnittspalt | Zu große oder zu kleine
Schnittspalte zwischen Stempel und Matrize vergrößern
die Spannung ebenfalls. Der optimale Wert liegt bei
etwa 10 Prozent der Blechdicke.
GANZ GENAU UND MÖGLICHST SPURLOS
Die wichtigsten Qualitätskriterien für Stanzteile sind Genauigkeit
und Kratzerfreiheit.
Genauigkeit | Je genauer die Maschine das Werkstück
unter dem Stanzkopf platziert, desto genauer lassen sich die
Abmessungen des Stanzteils fertigen. Je schneller sich dabei
Maschinenkomponenten bewegen, desto schwieriger ist es,
1 Das Blech bleibt eben, trotz vieler Stanzungen.
2 Stanzmaschinen fertigen exakte Passungen.
das Werkstück genau zu positionieren. Maschinenhersteller
meistern diese Herausforderung. In den letzten Jahren hat
sich die Maschinendynamik stark erhöht, bei gleich bleibenden
oder besseren Positioniergenauigkeiten. Gute Werte liegen bei
einem Zehntelmillimeter.
Ein anderer Aspekt ist die Genauigkeit von Innengeometrien,
zum Beispiel des Durchmessers. Passungen sind ein
Extrembeispiel. In sie werden Verbindungsstifte oder Bauteile
formschlüssig eingesteckt. Ihr Durchmesser muss bis auf
wenige Hundertstelmillimeter genau stimmen und ihre Kantenoberfläche
sehr glatt sein. Früher ließen sich Passungen nur
durch Bohren und Reiben fertigen. Mit der Stanzmaschine
fertigt man sie, indem man ein etwas kleineres Loch vorstanzt
und mit einem zweiten Stempel auf den endgültigen Durchmesser
nachstanzt. Beim Nachstanzen wird nur noch wenig
Material entfernt (Schabeschnitt). So erzielt man die hohe
Genauigkeit und einen Schnittanteil von nahezu 100 Prozent.
Kratzerfrei | Dass ein Blechteil auf einer Stanzmaschine
gefertigt wurde, sieht man häufig an Kratzern auf der Unterseite.
Sie entstehen, wenn die Blechtafel am Grat an der
Matrizenkante oder an anderen Bauteilen der Maschine reibt.
An der Matrizenkante bildet sich ein Mikrograt. Klebepads verhindern, dass die Blechunterseite daran reibt.
2
An der Matrizenkante kann sich Material ablagern und einen
kleinen Grat bilden. Damit das Blech nicht daran reibt, werden
Pads auf die Matrize geklebt. Sie bestehen aus selbstklebender
Folie mit einer Dicke von 0,3 Millimetern. Das Blech liegt
nun höher als der Grat und berührt ihn nicht mehr. Bürsteneinsätze
in der Matrize erfüllen die gleiche Funktion.
114 | Stanzen, Nibbeln, Umformen 115

1 Bürstentische verhindern Laufspuren auf der Blechunterseite.
Während der Bearbeitung wird das Blech auf dem Maschinen-
tisch bewegt. In empfindlichen Materialien können die Metall-
kugeln der Kugelrolltische deutliche Laufspuren erzeugen.
Bürstentische schaffen Abhilfe. Auf den Kunststoffbürsten
gleitet die Blechtafel leichter. Allerdings verschleißen die
Kunststoffbürsten und müssen regelmäßig gereinigt werden,
weil sich Öl und Späne festsetzen können.
Manchmal kommt es vor, dass ein Stanzbutzen nicht nach
unten durch die Matrize fällt, sondern nach oben gezogen
wird und schräg darin hängen bleibt. Er ragt dann über die
Matrize hinaus und kann das Blech verkratzen. Um dies zu
verhindern, gibt es zwei Wege. Der eine: die Stanzbutzen-
absaugung, die den Butzen nach unten wegsaugt. Der zweite:
Butzenrückhaltematrizen, die kleine Nuten in den Schnitt-
flächen enthalten. Beim Stanzen fließt etwas Material in die
Nuten. Bleibt der Stanzbutzen am Stempel hängen, klemmt
er in den Nuten fest und wird nicht mit nach oben gezogen.
1
Gratfrei | Der Grat ist ein typisches Merkmal beim Stanzen
und Nibbeln. An der unteren Kante der Stanzung bleibt etwas
Material stehen und bildet einen fühlbaren Rand, den so
genannten Grat. Er kann unterschiedlich groß ausgebildet
sein und ist meist so scharf, dass Verletzungsgefahr besteht.
Außerdem stört er beim Verbinden zweier Kanten oder beim
Lackieren. Deshalb werden Stanzteile häufig entgratet, bevor
sie weiterverarbeitet werden.
Wer den Grat reduzieren will, kann den Schnittspalt zwi-
schen Stempel und Matrize verkleinern. Dies ist allerdings
verbunden mit höheren Stanzkräften und einer kürzeren
Standzeit der Werkzeuge.
Maschinen- und Werkzeughersteller arbeiten an Lösungen,
die möglichst gratfreie Teile versprechen. Eine Lösung besteht
darin, den Grat mit speziellen Werkzeugen umzuformen. Eine
andere Möglichkeit sind Entgrateinrichtungen in der Maschine.
Sie erzeugen allerdings Späne.
Butzenrückhaltematrize: Nuten verhindern, dass der Stanzbutzen am
Stempel haften bleibt und mit nach oben gezogen wird.
GEHT’S AUCH ETWAS LEISER?
Zur Geräuschkulisse in der Fertigungshalle trägt die Stanz-
maschine einen wesentlichen Anteil bei. Um die Bediener zu
entlasten und die Stanzmaschine leiser zu machen, gibt es
zwei Möglichkeiten. Entweder man durchstanzt das Material
langsamer mit der Softpunch-Funktion oder man verwendet
so genannte Whispertools (zu Deutsch: Flüsterwerkzeuge).
Sanft stanzen – Softpunch | Wenn der Stempel das
Werkstück mit voller Geschwindigkeit durchstanzt, bricht das
Metall mit einem lauten Knall. Abhängig vom Material lässt
sich die Lautstärke um bis zu 80 Prozent reduzieren, wenn
der Stempel langsamer durch das Blech bricht. Deshalb wird
die Geschwindigkeit während des Stanzhubes geregelt. Sensoren
im Stanzkopf erkennen am Öldruck, wann der Stempel
die Blechoberfläche berührt. Ab da fährt er mit reduzierter
Geschwindigkeit weiter, bis er das Blech durchtrennt hat.
���������
���������
Normaler Stanzhub mit voller Geschwindigkeit (links) und sanfter
Stanzhub mit geregelter Geschwindigkeit (rechts)
���������
���������
Dezibel versus Höreindruck Whispertools und geringere Durchstanzgeschwindigkeiten
reduzieren den Geräuschpegel von Stanzmaschinen
erheblich, zum Beispiel von 90 auf 80 Dezibel (A). Das klingt zunächst
nicht sehr beeindruckend. Die Messskala ist jedoch logarithmisch eingeteilt
– wie die von Erdbebenstärken. Für den Höreindruck eines Menschen
bedeuten deshalb 10 Dezibel weniger eine Verringerung der Lautstärke
um circa 50 Prozent.
Flüsternde Werkzeuge | Whispertools haben eine angeschrägte
Fläche, im Gegensatz zu anderen Stempeln, die
gerade Flächen haben. Die angeschrägten Stempelflächen
vermindern das Stanzgeräusch um bis zu 50 Prozent durch
den so genannten ziehenden Schnitt: Der Stanzbutzen wird
von einer Seite her kontinuierlich herausgetrennt. Stempel
mit gerader Fläche treffen hingegen flächig auf das Blech
und trennen ihn von allen Seiten gleichzeitig heraus.
Ein weiterer Vorteil: Whispertools benötigen weniger Schneidkraft
bei gleichen Stempelabmessungen. Das macht sie auch
für die Bearbeitung dicker, hochfester und zäher Werkstoffe
attraktiv. Andererseits erhöht die schräge Stempelfläche die
Hublänge. Dadurch verlängert sich der Arbeitsprozess geringfügig.
Außerdem ist die Nachschleiflänge etwas kürzer als
bei Stempeln mit gerader Fläche. Der Stempel kann deshalb
nicht so oft nachgeschliffen werden.
Dank der angeschrägten Flächen stanzen Whispertools deutlich leiser.
116 | Stanzen, Nibbeln, Umformen 117

Stanzen oder Laser? Oder beides?
VERFAHREN IM WETTSTREIT
Welches Verfahren eignet sich besser für die Flachbearbeitung?
Laserschneiden oder Stanzen? Diese Frage wird oft gestellt,
lässt sich aber selten eindeutig beantworten.
Klar ist die Antwort nur dann, wenn sich das Blechteil,
das gefertigt werden soll, nur auf der einen Maschine ferti-
gen lässt. Bei Teilen, die Umformungen wie Gewinde oder
Durchzüge enthalten, fällt die Wahl auf die Stanzmaschine.
Bei filigranen und komplexen Konturen und Blechdicken über
8 Millimeter kommt nur die Laserschneidmaschine in Frage.
In allen anderen Fällen müssen mehrere Faktoren berücksichtigt
und gegeneinander abgewogen werden:
• Material und Materialdicke
• Verfügbarkeit von Maschine und Werkzeugen
• Qualität der Schnittkanten
• Termin, Kosten, Losgröße
• Automatisierung
• Bearbeitungszeit
Laserschneiden | Der Laserstrahl ist ein flexibles Werkzeug,
das vor keiner noch so komplexen Kontur Halt macht.
Auch hochfeste Werkstoffe, die sich nicht mehr stanzen lassen,
weil sie die Werkzeuge zu stark beanspruchen, trennt der
Laser problemlos. Lasergeschnittene Kanten zeichnen sich
durch ihre hohe Qualität und ihre geringe Rautiefe aus.
Besondere Bedeutung hat der Laser bei der Bearbeitung
von Stählen: Baustahlbleche mit Dicken von über 30 Millimetern
und Edelstahlbleche bis zu einer Dicke von 25 Millimetern
schneidet der Laser anstandslos. Aber auch stark reflektierende
Metalle wie Kupfer oder Messing und Metalle mit hoher Wärmeleitfähigkeit
wie Aluminium können in mittleren Blechdicken
bearbeitet werden. Buntmetalle werden meist mit Festkörperlasern
geschnitten. Ein weiteres Unterscheidungskriterium ist
die Automatisierbarkeit. An der Stanzmaschine können die
gefertigten Teile einfacher entladen und sortiert werden als
an der Laserschneidmaschine. Denn beim Laserschneiden
beträgt der Schnittspalt zwischen Teil und Restgitter nur
einige Zehntelmillimeter. In höheren Blechdicken können sich
daher Teile verhaken.
1
2
1 Typische Laserteile mit komplexen und filigranen Konturen
2 Typisches Stanzteil mit Umformungen
Werkstoffe und Dicken
Stanzen, Nibbeln, Umformen Laserschneiden
Baustahl bis circa 8 Millimeter bis circa 30 Millimeter (abhängig von der Laserleistung)
Edelstahl bis circa 8 Millimeter bis circa 25 Millimeter (abhängig von der Laserleistung)
Aluminium bis circa 8 Millimeter bis circa 15 Millimeter (abhängig von der Laserleistung)
Kunststoffe bedingt, falls nicht zu spröde oder zu labil im Prinzip ja, wegen der Entstehung toxischer Gase
allerdings problematisch
Kanten
Einzugradius vorhanden, abhängig vom Werkzeug und vom Material keiner
Rautiefe gering gering; kleiner 100 Mikrometer
Winkligkeit ergibt sich aus dem Schnitt- und Bruchanteil,
ist abhängig von der Schnittspaltbreite
annähernd senkrecht; kleiner 0,1 Millimeter bei einer
Materialdicke von 10 Millimetern
Wärmebeeinflussung keine ja, Einhärttiefe: 0,1 bis 0,2 Millimeter; Oxidschicht
beim Schneiden mit Sauerstoff
Gratbildung vorhanden, abhängig von Werkzeug, Material und
Schmiermittel
in der Regel kein Grat
Nacharbeiten in der Regel nicht notwendig, vom Einsatz des Teils abhängig in der Regel nicht notwendig
Lackierbarkeit problemlos Nach dem Schneiden mit Sauerstoff muss die Oxidschicht
an der Kante mechanisch entfernt werden.
Konturen und Formen
minimale Stegbreite etwa Materialdicke etwa die 0,5- bis 1-fache Materialdicke
kleinste Kontur etwa Materialdicke etwa die 0,4- bis 1-fache Materialdicke
Breite der Trennfuge mindestens Materialdicke, abhängig von der Werkzeugbreite,
typisch 3 bis 5 Millimeter
Materialverzug Verzug möglich bei hohem Zerstanzungsgrad gering
etwa 0,2 bis 0,3 Millimeter
Umformungen möglich nicht möglich
Kennzeichnen ja, durch Prägen und Signieren; lackierfest ja, durch thermisches Abtragen oder Anlassen;
nicht lackierfest
Auf einen Blick: Stanzen und Laserschneiden im Vergleich
134 | Stanzen, Nibbeln, Umformen 135

1 Das Verfahren bestimmt die Konstruktion: viele Löcher (links)
beim Stanzen oder freie Konturen (rechts) beim Laserschneiden.
2 Links der Laserschneidkopf, rechts der Stanzkopf:
eine Kombimaschine in Aktion
Stanzen, Nibbeln, Umformen | Die Stanzmaschine ist ein
Multitalent, das mehrere Fertigungsverfahren bündelt. Die
komplette Bearbeitung mit Umformungen, Gewindeformen
oder Abkantungen lässt sich nur auf der Stanzmaschine reali-
sieren. Mit ihr lassen sich Blechtafeln aus Bau- oder Edelstahl,
Aluminium, Kupfer oder Messing bis zu einer Dicke von etwa
8 Millimetern bearbeiten.
Vor sehr spröden oder harten Materialien hingegen kapituliert
die Stanzmaschine. Bei filigranen und komplexen Konturen
steigen die Zahl der benötigten Werkzeuge und die Bearbei-
tungszeit. Dafür hat die Stanzmaschine als automatisierte
Bearbeitungszelle die Nase vorn. Durch die Teileklappe, den
durchgängigen Maschinentisch und die größeren Freiräume
zwischen den Teilen lassen sich die fertigen Teile besser ent-
nehmen und sortieren.
Konsequenzen für die Konstruktion | Egal ob Stanzen
oder Laserschneiden – wenn der Konstrukteur mit der Arbeit
beginnt, sollte das Fertigungsverfahren schon feststehen.
Nur so kann er die Gestaltung des Teils optimieren.
Ein Beispiel: Ein Sieb soll fertigungsgerecht konstruiert
werden. Als funktionale Anforderungen sind der Durchmesser
und die Durchflussmenge gegeben. Für die Fertigung an der
Stanzmaschine wird der Konstrukteur viele gleiche Löcher
verwenden, damit kein Werkzeugwechsel nötig ist. Die Zahl
der Löcher spielt dabei fast keine Rolle.
Soll das Sieb dagegen an der Laserschneidmaschine ge-
fertigt werden, wird der Konstrukteur versuchen, mit wenigen
Durchbrüchen auszukommen. Denn für jeden Durchbruch ist
ein Einstechvorgang notwendig. Dafür kann er die Durchbrüche
unterschiedlich gestalten. Die Bearbeitungszeit an der Laser-
schneidanlage hängt von der Länge der Schnittkontur aller
Formen und von der Zahl der Einstechvorgänge ab.
NIMM ZWEI: LASER UND STANZEN KOMBINIERT
Laserschneiden oder Stanzen? Beide Verfahren haben ihre Stär-
ken, die das andere Verfahren jeweils nicht aufweisen kann.
Warum also nicht beide in einer Maschine integrieren? Aus
dieser Überlegung entstand die Stanz-Laser-Maschine, die
häufig auch als Kombimaschine bezeichnet wird. Mit ihr lassen
sich beliebig komplexe Konturen mit dem Laser schneiden
und im gleichen Teil Umformungen, Gewinde, Abkantungen
und Ähnliches einbringen.
Die Maschine | Die Stanz-Laser-Maschine ist nach dem glei-
chen Prinzip aufgebaut wie die Stanzmaschine. Der C- oder
O-Rahmen ist jedoch so verbreitert, dass zwei Bearbeitungs-
stationen darin Platz finden: die Stanzbearbeitungsstation
und die Laserbearbeitungsstation.
Die Werkzeuge für die Stanzbearbeitung werden in ein
Linearmagazin gerüstet. Der Laser und die Strahlführung
sind in die Maschine integriert. Im Maschinentisch befinden
sich Teileklappen wie bei der reinen Stanzmaschine. An der
Stanz-Laser-Maschine sind es zwei: je eine pro Arbeitsstation.
Denn fertige Teile können sowohl mit dem Laserstrahl als
auch mit einem Stanzhub aus der Tafel getrennt werden und
müssen dann ausgeschleust werden.
1
Laserstation | An der Laserstation steht ein Laserstrahl als
Werkzeug zur Verfügung. Im Gegensatz zu anderen Laser-
flachbettmaschinen wird hier nicht der Laserstrahl bewegt,
sondern die Blechtafel. Direkt unter der Laserstation befindet
sich eine Öffnung. Durch sie kann die Absaugeinheit Schla-
ckereste und Schneidrauch absaugen. Ein Bürstenfeld, der
so genannte Laserniederhalter, umgibt das untere Ende der
Schneidoptik und den Laserstrahl. Er erfüllt zwei Aufgaben.
Zum einen sorgt er dafür, dass das Blech während der Be-
arbeitung eben liegen bleibt und nicht flattert. Zum anderen
fängt er Schlackespritzer auf und schirmt die reflektierte oder
gestreute Laserstrahlung ab wie eine kleine Schutzkabine.
In Aktion | In der Fertigung zeigen sich die Stärken der Kombi-
maschine. Komplexe Innen- und Außenkonturen schneidet
der Laser. Er ist sogar in der Lage, über Umformungen hinweg-
zuschneiden, da der Abstandssensor für einen gleich bleiben-
den Abstand zwischen Schneidkopf und Werkstück sorgt. Der
Laserschneidkopf folgt der Kontur und weicht nach oben aus,
wenn er über eine Erhöhung fährt. Die Stanzbearbeitungs-
station tritt immer dann in Aktion, wenn Standardkonturen
schnell bearbeitet werden sollen. Dazu gehören beispielsweise
stanzbare runde Löcher. Außerdem erledigt sie alle Umfor-
mungen, Gewinde, Abkantungen und Ähnliches. Was in
welcher Reihenfolge und auf welche Weise bearbeitet wird,
lässt sich mit Hilfe des Programmiersystems festlegen. Das
Programmiersystem berechnet die optimale Bearbeitung auf
Basis der Bearbeitungsstrategien, Technologiewerte und Regeln,
die der Programmierer ausgewählt hat.
Pro und Contra | Was die Stanz-Laser-Maschine attraktiv
macht, bringt gleichzeitig auch Herausforderungen mit sich.
Um beide Technologien voll ausschöpfen zu können, braucht
2
es die passende Bearbeitungsreihenfolge und optimale Para-
meter. Die Leistungsfähigkeit des Programmiersystems spielt
dabei eine entscheidende Rolle.
Einige Blechfertiger führen an, dass die Kombimaschine im
Prinzip nie optimal ausgelastet ist, weil immer eine Arbeits-
station vorübergehend stillsteht, und daher zu teuer sei. Außer-
dem sind die Maschinenstundensätze von Kombimaschinen
höher als die von reinen Stanz- oder reinen Lasermaschinen.
Die Kombimaschine ist jedoch immer dann günstiger,
wenn Teile an ihr komplett bearbeitet werden können, die
sonst in zwei Arbeitsgängen gefertigt werden müssten. Wenn
Teile an zwei Maschinen bearbeitet werden, müssen sie trans-
portiert, zwischengelagert und wieder neu positioniert werden.
Das alles verursacht Kosten, die allerdings nur selten in die
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung mit einbezogen werden.
Für die Kombimaschine spricht auch die Teilequalität. Da
alle Bearbeitungsschritte in einer Aufspannung ausgeführt
werden, ist die Genauigkeit höher, als wenn die Teile an zwei
Maschinen bearbeitet werden.
136 | Stanzen, Nibbeln, Umformen 137