Additive Fertigung von Spannmitteln

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

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Ideengeber*in:

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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

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.

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?

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

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

Nutzen und Ziele

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Welches Ziel verfolgen Sie mit Ihrer Idee?

Welchen Nutzen generiert Ihre Innovation für welche Zielgruppen?

Wer profitiert von Ihrer Idee und dem daraus entwickeltem Standard?

Wie werden die Ergebnisse nach Projektabschluss verwertet?

Skizzieren Sie bitte die europäische/internationale Bedeutung

Skizzieren Sie bitte die Markt- und gesellschaftliche Relevanz

Kompetenzen und Ressourcen

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Standardisierungsscope/Anwendungsbereich

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