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

Ideengeber*in:

Potenzielle Projektpartner*innen

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

Abstract

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.

Innovationsgrad

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.

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

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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?

Weshalb sind diese vorhandenen Lösungen nicht hinreichend genug?

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