Additive Fertigung von Spannmitteln

1.1. Projekttitel: Ressourceneffiziente additive Fertigung von Spannmitteln für das Fräsen von Einzelteilen und Kleinserien

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1.2. Ideengeber*in:

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1.3. Potenzielle Projektpartner*innen

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• Lukas Boenig, Konstruktionsbüro Lukas Boenig
• Prof. Dr. Matthias Hackert-Oschätzchen, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Lehrstuhl für Fertigungstechnik mit Schwerpunkt Trennen
• Dr. Gunnar Meichsner, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Lehrstuhl für Fertigungstechnik mit Schwerpunkt Trennen
• Unternehmen, die Fräsbearbeitungen von Einzelteilen und Kleinserien durchführen

1.4. Abstract

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Die PiCMa-Solutions GmbH & Co. KG wurde im August 2016 durch Manuel Cabrita Pinto gegründet. Das Start-up ist spezialisiert auf die Bearbeitung komplexer Einzelteile sowie Kleinserien im Bereich CNC-Zerspanung unter Anwendung von mehreren aktuellen Werkzeugmaschinen.

Für Fräsbearbeitungen von Einzelteilen und Kleinserien werden insbesondere beim Umspannen von bereits gefrästen Bauteilen Spannmittel benötigt, welche an die gefertigte Bauteilgeometrie angepasst sind. Dies ist notwendig um einerseits das Fixieren und die Lagezuordnung des Bauteils für die folgende Fräsbearbeitung zu gewährleisten und andererseits um sichtbaren Spuren des Spannmittels auf der Bauteiloberfläche s. g. Spannmarken vorzubeugen. Diese Spannmarken beeinträchtigen die Oberflächengüte und das Oberflächenerscheinungsbild des Bauteils. Spannmarken entstehen infolge der lokal auf die Oberfläche wirkenden Spannkraft des Spannmittels. Dadurch werden lokale Druckspannungen auf die Oberfläche eingetragen, welche zur Beeinträchtigung der Oberfläche führen. Um einen lokalen Druckspannungseintrag auf der Oberfläche vorzubeugen, ist die Spannkraft gleichmäßig über die Oberfläche des Bauteils zu verteilen. Dies kann durch eine Anpassung der Spannmittelgeometrie an die komplexe Bauteilgeometrie erfolgen. Hierzu wird anhand der zu spannenden Bauteilgeometrie ein Spannmittel gefertigt. Konventionell erfolgt die Fertigung des angepassten Spannmittels durch spanende Bearbeitung, wodurch erhebliche Ressourcen verbraucht werden. Deutlich ressourceneffizienter kann diese Fertigung des angepassten Spannmittels durch additive Fertigung erfolgen.

Im Rahmen von DIN-Connect 2024 soll die ressourceneffiziente additive Fertigung von Spannmitteln für das Fräsen von Einzelteilen und Kleinserien standardisiert werden.

1.5. Innovationsgrad

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Welche Situation liegt aktuell wie vor?

In der maschinellen Fertigung sowie im Werkzeug- und Vorrichtungsbau sind Verbindungs- und Spannelemente in einer Vielzahl im Einsatz. Dabei haben diese Spannmittel großen Einfluss auf den reibungslosen Ablauf einer Produktion. Die DIN 6300 zählt Vorrichtungen für die Fixierung der Lage von Werkstücken während formändernder Fertigungsverfahren zu den Fertigungsmitteln, welche in Betriebsmitteln eingesetzt werden. Die Aufgabe von Spannmitteln liegt in der Positionierung des Werkstücks und in der Fixierung dieser Position während des Bearbeitungsvorgangs [1], sodass die bei der spanenden Fertigung wirkende Zerspankraft zwischen Werkzeuge und Werkstück durch das Spannmittel in die Maschine abgeleitet wird. Abbildung 1 zeigt das Spannen eines Vierkantwerkstücks in einem Schraubstock. Vergleichend hierzu zeigt Abbildung 2 das Spannen eines runden Bauteils.

Abbildung 1: Spannen eines Werkstücks mit einem vierkantigen Querschnitt in einem Schraubstock [2]

Abbildung 2: Spannen eines Werkstücks mit rundem Querschnitt in einem Schraubstock mit Universal-Pendelbacken [3]

In der Regel werden zum Spannen ebene Flächen des Halbzeugs oder bei runden Bauteilen drei Punkte des Umfangs verwendet. Die notwendige Spannkraft wird entweder über Flächenkontakte oder über Punktkontakte übertragen.

Konventionelle Spannmittel für das Fräsen von Einzelteilen und Kleinserien haben einen erheblichen Nachteil beim Spannen von Bauteilen mit Freiformflächen, da es durch die Spannkraftverteilung zu Spannmarken, wie beispielsweise Abdrücken von Spannbacken und Spannriefen am Bauteil kommt.

Zur Vermeidung von Spannmarken ist eine Verteilung der Spannkraft auf der Bauteiloberfläche notwendig. Hierzu ist das Spannmittel an die vorliegende Bauteiloberfläche anzupassen. Eine Anpassung an die Bauteilgeometrie kann beispielsweise durch spanende Bearbeitung der Spannbacken des Spannmittels oder von Druckstücken s. g. Beilageleisten erfolgen. Diese spanende Bearbeitung kann in derselben Werkzeugmaschine erfolgen, in der später das Bauteil weiterbearbeitet wird.

Insbesondere bei stark wechselnden Fertigungsaufgaben ist eine schnelle und flexible Anpassung der Spannmittel an die Bauteilgeometrie notwendig. Zudem sind bei Lohnfertigungen zusätzliche Fertigungsschritte auf der Produktionsmaschine aus wirtschaftlichen Gründen zu vermeiden. Darüber hinaus gibt es keine standardisierte Herangehensweise für das spannmarkenfreie Spannen von Bauteilen mit Freiformflächen.

Welche Bedarfe und Lösungen (aktueller Stand der Wissenschaft und Technik) liegen bei welchen Marktteilnehmern*innen vor?

Eine Vielzahl an Marktteilnehmerinnen und Marktteilnehmern aus Industrie und Technik bieten Spannmittel zum Spannen von Halbzeugen wie z. B. Rohren, Blechen, Bänder oder Stangen an. Halbzeuge weisen eine grundlegende einfache geometrische Form auf. Die verfügbaren Spannmittel eignen sich zudem zum Spannen von Werkstücken, die bereits in einem vorbereitenden Fertigungsschritt eine individuelle Form erhalten haben, aber noch weitere Fertigungsschritte durchlaufen. Allerdings werden zum Spannen vorzugsweise ebene Flächen oder zylindrische Mantelflächen an Werkstücken verwendet. Eine individuelle Form des Werkstücks im Sinne einer Freiformfläche, welche spannmarkenfrei gespannt werden soll, unterstützen die verfügbaren Spannmittel nicht. Der wesentliche Bedarf für Marktteilnehmerinnen und Marktteilnehmer aus dem Bereich spanender Lohnfertigung leitet sich aus der mangelnden Verfügbarkeit von Spannmitteln sowie aus dem Fehlen einer standardisierten Herangehensweise für das spannmarkenfreie Spannen von Bauteilen mit Freiformflächen ab. Deshalb wurde in Eigenleistung durch das Start-up PiCMa-Solutions GmbH & Co. KG ein innovativer Lösungsansatz erarbeitet, der ein spannmarkenfreies Spannen von Bauteilen mit Freiformflächen durch additive Spannmittel ermöglicht.

Weshalb sind diese vorhandenen Lösungen nicht hinreichend genug?

Die vorhandenen Lösungen sind nicht hinreichend, da entweder bei Freiformflächen eine Dreipunktaufspannung verwendet wird, welche zu Spannmarken am Bauteil führt oder, weil die spanende Fertigung angepasster Spannmittel die Verfügbarkeit der Produktionsmaschine einschränkt. Zudem ist der Materialeinsatz für die Fertigung der Spannmittel ineffizient, da in der Regel auf verfügbare Normleisten oder Halbzeuggeometrien zurückgegriffen wird.

Was ist der Fortschritt Ihrer Idee gegenüber dem Stand von Wissenschaft und Technik?

Ein wesentlicher Aspekt der Innovation besteht in der ressourceneffizienten additiven Fertigung von Spannmitteln für das Fräsen von Einzelteilen und Kleinserien. Hierbei erfolgt die Fertigung der an die Geometrie des Bauteils angepassten Spannmittel durch additive Fertigung, worauf das spannmarkenfreie Spannen des Werkstücks basiert. Abbildung 3 zeigt hierzu beispielhaft eingespannte Bauteile mit Freiformflächen in angepasste Spannleisten in CAD-Darstellung. Abbildung 4 zeigt die durch Fused Deposition Modeling (FDM) gefertigten Spannleisten.

Abbildung 3: CAD Darstellung von gespannten Bauteilen mit Freiformfläche in angepassten Spannleisten

Abbildung 4: Gefertigte Spannleisten durch FDM aus Polylactide (PLA)

Darüber hinaus kann für verschiedene Fertigungsschritte am Bauteil durch die CAD-Daten des Bauteils flexibel auf die Anpassung der Spannmittel reagiert werden. Des Weiteren erfolgt die Spannmittelanpassung parallel zur Lohnfertigung und kann z. B. parallel zu den ersten Fertigungsschritten am Bauteil erfolgen, sodass keine Einschränkung der Maschinenzeit der Produktionsmaschine notwendig wird. Weiterhin ist der Energieverbrauch eines FDM-Druckers gegenüber eines Fräszentrums deutlich geringer. Nicht zuletzt kann durch die additive Fertigung die Materialdichte belastungsbezogen eingestellt werden, so dass in mechanisch gering beanspruchten Bereichen des Spannmittels die Materialdichte kleiner gewählt werden kann als in mechanisch stark beanspruchten Bereichen, was zu einer erheblichen Reduzierung des Materialeinsatzes führt. Daher kann durch additive Fertigung eine ressourceneffiziente Fertigung von Spannmitteln für das Fräsen in Aussicht gestellt werden.

Welche themenverwandten Standards, technische Regeln, Normenausschüsse, Gremien, Foren und Konsortien sind Ihnen bekannt bzw. existieren bereits?

Themenverwandte Standards, technische Regeln, Normenausschüsse, Gremien, Foren und Konsortien sind uns nicht bekannt.

Beschreibung der Vorarbeiten: Welche Vorarbeiten sind vor einer möglichen Standardisierung Ihrer Idee noch zu leisten und mit welchem zeitlichen Faktor rechnen Sie hierbei?

Vor einer möglichen Standardisierung sind keine Vorarbeiten zu leisten.

Welchen Zusammenhang gibt es zwischen Ihrer Idee und dem DIN-Connect Themenschwerpunkt?

Die zu standardisierende ressourceneffiziente additive Fertigung von Spannmitteln für das Fräsen von Einzelteilen und Kleinserien ermöglicht Einsparungen der Ressourcen Material und elektrische Energie. Deshalb besteht ein Zusammenhang des beantragten Standardisierungsvorhabens zum Themenschwerpunkt Grün.

Des Weiteren ist die adressierte Innovation insbesondere durch das Verwenden von computergestützten Programmen für die Aufbereitung und das Exportieren von CAD-Daten des Bauteils und des Spannmittels, durch das Einlesen in die Slicer Software des Druckers sowie durch die Anpassung der Druckoptionen bis hin zur Generierung des G-Codes des 3D-Drucks gekennzeichnet. Deshalb besteht ein weiterer Zusammenhang des beantragten Standardisierungsvorhabens zum Themenschwerpunkt digital.

Nicht zuletzt sieht man sich bei der spanenden Lohnfertigung gerade im Bereich Einzelteil- und Kleinserienfertigung einem sich ständig ändernden Teile- und Geometriespektrum gegenüber, sodass eine kontinuierliche Anpassung des Zerspanprozesses und der Fertigungsschrittfolge notwendig ist. Ein Teilaspekt der ständigen Anpassung ist das Spannen von Bauteilen, welches die vorliegende Ideenskizze zum Inhalt hat. Deshalb besteht ein weiterer Zusammenhang des beantragten Standardisierungsvorhabens zum Themenschwerpunkt resilient.

1.6. Nutzen und Ziele

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Welches Ziel verfolgen Sie mit Ihrer Idee?

Das Ziel der Idee ist es, die entwickelte ressourceneffiziente additive Fertigung von Spannmitteln für das Fräsen von Einzelteilen und Kleinserien in einen Standard zu überführen und dadurch eine möglichst große Akzeptanz am Markt für die Innovation zu erreichen. Die Akzeptanz am Markt resultiert aus der Verbindung von Expertenwissen mit der hohen Reputation der Marke DIN. Zu diesem Zweck soll eine Methode zur ressourceneffizienten additiven Fertigung von Spannmitteln für das Fräsen von Einzelteilen und Kleinserien standardisiert werden.

Welchen Nutzen generiert Ihre Innovation für welche Zielgruppen?

Durch die Standardisierung der Methode zur ressourceneffizienten additiven Fertigung von Spannmitteln für das Fräsen von Einzelteilen und Kleinserien profitieren insbesondere spanende Lohnfertiger der Metallindustrie, welche sich mit der Fräsbearbeitung von Einzelteilen und Kleinserien beschäftigen, sowie Lohnfertiger, welche diese Methode für Ihr Fertigungsverfahren adaptieren können. Des Weiteren wird die Nutzung des Standards insbesondere in den Branchen Maschinenbau und Automobilindustrie erwartet, in denen bereits unterschiedliche additive Fertigungsverfahren eingesetzt werden [4]. Darüber hinaus wird durch die Akzeptanz am Markt sowie durch die Anwendung bei der spanenden Lohnfertigung eine gesteigerte Nachfrage im Bereich additiver Fertigung für die 3D-Druckindustrie erwartet.

Wer profitiert von Ihrer Idee und dem daraus entwickeltem Standard?

Die im Vorhaben adressierte Innovation und der Standard sollen sich an KMU und Industrieunternehmen richten, welche Fräsbearbeitungen für Einzelteile und Kleinserien anbieten und einsetzen. Für diese ergibt sich durch den Standard die Möglichkeit, schnell und flexibel auf Anfragen mit individuellen Bauteilgeometrien zu reagieren.

Wie werden die Ergebnisse nach Projektabschluss verwertet?

Im Ergebnis des Vorhabens soll nach Projektabschluss eine DIN SPEC vorliegen, welche eine ressourceneffiziente additive Fertigung von Spannmitteln für das Fräsen von Einzelteilen und Kleinserien zum Inhalt hat. Diese DIN SPEC soll durch den DIN e.V. verwertet werden.

Skizzieren Sie bitte die europäische/internationale Bedeutung

Die additive Fertigung ist ein in Europa etabliertes Fertigungsverfahren, welche in den letzten Jahren im europäischen und im internationalen Bereich, insbesondere auf den Märkten USA und Asien an Bedeutung gewonnen hat. Die angestrebte DIN SPEC soll einen wesentlichen Beitrag im Bereich der Anwendung additiver Fertigungsverfahren für die Fertigung von Spannmitteln für die spanende Lohnfertigung von Einzelteilen und Kleinserien leisten.

Skizzieren Sie bitte die Markt- und gesellschaftliche Relevanz

Als Anwendungsbranchen für die geplanten Ergebnisse sind die Metallindustrie, Maschinenbau und Automobilbau hervorzuheben. Die deutsche Metallindustrie im Sektor sonstige Bearbeitung von Eisen und Stahl erzielte im Jahre 2022 einen Umsatz von 9,9 Mrd. Euro [5], der deutsche Maschinenbau von rund 244 Mrd. Euro [6] und die deutsche Automobilindustrie hat für 2023 eine prognostizierte Umsatzentwicklung von 594,3 Mrd. Euro [7]. Hieraus lässt sich das Markpotenzial für den angestrebten Standard ableiten. Darüber hinaus ist ein wachsender Marktanteil der 3D-Druck-Verfahren in unterschiedlichen Branchen zu erkennen. Beispielsweise wird eine Steigerung des globalen Marktvolumens von 3D-Druck-Verfahren in der Automobilbranche von 0,34 Mrd. Euro im Jahre 2015 auf 2,61 Mrd. Euro im Jahre 2030 und in der Industriebranche von 0,44 Mrd. Euro im Jahre 2015 auf 2,98 Mrd. Euro im Jahre 2030 prognostiziert [8]. Zudem reduzieren sich die Produktionskosten bei der additiven Fertigung von 1,6 Euro pro hergestellten Kubikzentimeter im Jahre 2018 auf 1,1 Euro pro hergestellten Kubikzentimeter im Jahre 2023 [9].

Quellen

[1]°Perovic, B.: Vorrichtungen im Werkzeugmaschinenbau – Grundlagen, Berechnung und Konstruktion. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2013.

[2] Schlitzer. T.: Maschinenschraubstockbacken. URL: https://thorst-metall.de/

Maschinenschraubstockbacken, zuletzt geprüft am 17.07.2023

[3] N.N.: Bohrmaschinen-Schraubstock P-115 mit Universal-Pendelbacken. URL: https://www.otelo-werkzeug.de/bohrmaschinenschraubstock-p115-mit-universalpendelbacken/otmt-63311115/SF-ID-00114404/ref-29883.html, zuletzt geprüft am 17.07.2023

[4]°N.N.: Wissenswertes zum 3D Druck. URL: https://www.3dbavaria.com/wissenswertes-zum-3d-druck/, zuletzt geprüft 19.07.2023.

[5] N.N.: Umsatz der deutschen Metallindustrie* nach Sektoren im Jahr 2022, https://de.statista.com/statistik/daten/studie/237243/umfrage/umsatz-der-metallindustrie-in-deutschland-nach-sektoren/, zuletzt geprüft 19.07.2023

[6] N.N.: Umsatzentwicklung im deutschen Maschinenbau in den Jahren 1991 bis 2022, https://de.statista.com/statistik/daten/studie/3777/umfrage/umsatz-im-deutschen-maschinenbau-seit-1991/, zuletzt geprüft 19.07.2023

[7] N.N.: Umsatzentwicklung in der Automobilindustrie in Deutschland von 2013 bis 2019 und Prognose bis 2025, https://de.statista.com/statistik/daten/studie/248362/

umfrage/prognose-zum-umsatz-in-der-automobilindustrie-in-deutschland/, zuletzt geprüft 19.07.2023

[8] N.N.: Globales Marktvolumen von 3D-Druck-Verfahren in ausgewählten Branchen im Jahr 2015 und eine Prognose für 2030 https://de.statista.com/statistik/daten/

studie/802439/umfrage/globales-marktvolumen-von-3d-druck-verfahren-in-ausgewaehlten-branchen/, zuletzt geprüft 19.07.2023

[9] N.N.: Prognose zur Kostenentwicklung in der additiven Metallfertigung weltweit bis zum Jahr 2023 https://de.statista.com/statistik/daten/studie/445058/umfrage/

prognose-zur-kostenentwicklung-additiver-fertigung-weltweit/, zuletzt geprüft 19.07.2023

1.7. Kompetenzen und Ressourcen

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Die PiCMa-Solutions GmbH & Co. KG wurde im August 2016 durch Manuel Cabrita Pinto gegründet. Das Start-up hat sich auf die Bearbeitung komplexer Einzelteile sowie Kleinserien im Bereich CNC-Zerspanung spezialisiert. PiCMa-Solutions programmiert ausschließlich mit CAM und kann dadurch eine sehr hohe Maschinenauslastung generieren. Durch eine enge Zusammenarbeit mit mehreren Firmen aus der Region kann PiCMa-Solutions fast alles aus den Bereichen Fräsen, Drehen, Laserschneiden, Blechbearbeitung, Erodieren, Schweißarbeiten und Rapid Prototyping sowie Konstruktion und Projektbetreuung aus einer Hand anbieten. Durch dieses Netzwerk bietet PiCMa-Solutions einen Rundumservice im Bereich der Metallbearbeitung. Nach einiger Vorlaufzeit mit Bank- und Behördenterminen wurde im September 2016 die erste Maschine DMU 60evo in Nister in Empfang genommen. Nach weiteren notwendigen Installationsarbeiten in der Halle wurde die Maschine im Oktober 2016 in Betrieb genommen, sodass am 4. Oktober 2016 die ersten Teile ausgeliefert wurden. Seitdem konnte sich PiCMa-Solutions einen umfangreichen Kundenstamm aufbauen, so dass im September 2017 bereits eine zweite Maschine CMX 1100V in Empfang genommen wurde. Mittlerweile hat PiCMa-Solutions den Maschinenpark mit einer DMU 50 mit PH150 (Automation), einer Flachschleifmaschine Stöckel FX 60/40, einem Bandsägeautomaten Metallkraft HMBS 400 CNC und weiteren konventionellen Maschinen erweitert.

In das Standardisierungsteam werden Partner eingebunden, deren Kompetenzen in den Bereichen Konstruktion und Fertigungstechnik liegen. Zudem werden in das Standardisierungsteam mit Prof. Dr. Matthias Hackert-Oschätzchen und Dr. Gunnar Meichsner zwei Personen eingebunden, die bereits als erfahrene Experten für den DIN e.V. tätig sind. Prof. Hackert-Oschätzchen und Dr. Meichsner haben erfolgreich die Erarbeitung der DIN SPEC 91399 und der DIN SPEC 17028 begleitet und sind Gründungsmitglieder im Netzwerk DIN Young Professionals. Das Standardisierungsprojekt „DIN SPEC 17028 Additive Fertigung – Methode zur zerstörungsfreien Ermittlung von mechanischen Eigenschaften von additiv gefertigten Kunststoffteilen“ wurde 2021 mit dem DIN-Innovatorenpreis ausgezeichnet. Aktuell sind Prof. Hackert-Oschätzchen und Dr. Meichsner in die Erarbeitungen der DIN SPEC 91481 und der VDE SPEC 90028 V1.0 (de) eingebunden.

1.8. Standardisierungsscope/Anwendungsbereich

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Aus jetziger Sicht ist nach erfolgreicher Umsetzung des Vorhabens zunächst eine Standardisierung auf nationaler Ebene in Aussicht zu stellen, welche in einem weiteren Schritt insbesondere vor dem Hintergrund der internationalen Bedeutung und Notwendigkeit auf europäischer Ebene erfolgen soll. Das skizzierte Vorhaben entspricht dem Gedanken einer Anschubförderung zur Erstellung einer DIN SPEC.

Das Ziel des Vorhabens ist die Standardisierung einer ressourceneffizienten additiven Fertigung von Spannmitteln für das Fräsen von Einzelteilen und Kleinserien. Hierzu erfolgt die Standardisierung einer Methode zur Konstruktion der Spannmittel auf Basis der Produktdaten sowie zur Auswahl der Prozessparameter für die additive Fertigung.