Witte Bleckede, Hersteller unterschiedlicher Werkstückspannsysteme, ist insbesondere im Bereich der Vakuumspanntechnik auf schwierige Anwendungsfälle (Sonderlösungen) spezialisiert. Für die Luftund Raumfahrtindustrie wurden bereits zahlreiche Speziallösungen entwickelt, bei denen es um die Bearbeitung großflächiger Werkstücke ging. Dabei steht vor allem eine Gewichtsreduzierung aller Werkstücke im Vordergrund. Da in nahezu allen Bereichen die Einsparpotenziale weitgehend ausgereizt sind, gilt es bei der Bearbeitung von Leichtmetallbauteilen weitere Gewichtsreduzierungen bei gleichzeitiger Qualitätssteigerung zu erreichen. Gleichzeitig lehnen immer mehr Luftfahrtunternehmen das chemische Fräsen aus Zeit- und Umweltgründen ab. Aufgrund der teilweise sehr großen Werkstückdimensionen im Flugzeugbau (z.B. für Hautfelder bis 3x12 Meter.) müssen zur Fixierung der Werkstücke auf den Bearbeitungszentren spezielle Spannvorrichtungen entwickelt werden, die aber gleichzeitig hinsichtlich des zu bearbeitenden Teilespektrums eine hohe Flexibilität aufweisen.
Da in der Luft- und Raumfahrtindustrie vorzugsweise dünnwandige Leichtmetalllegierungen verwendet werden und somit herkömmliche Spannmethoden von vornherein ausscheiden, stellt die Vakuumspanntechnik eine geeignete Alternative dar.
Standardmäßig wird eine große Vielfalt unterschiedlicher Vakuum-Systeme angeboten, mit der viele Anwendungsbereiche abgedeckt werden. Diese sind allerdings überwiegend für kleine bis mittlere Werkstückgrößen geeignet. Für Werkstückdimensionen von mehreren Quadratmetern sind Speziallösungen erforderlich.
Die Aufgabe
Witte hat bereits mehrere großformatige Vakuum-Spann-Systeme konzipiert und gefertigt, auf denen selbst unebene Flugzeug-Komponenten präzise gehalten und CNC-technisch bearbeitet werden können. Dem Hersteller kommt dabei sowohl die Jahrzehnte lange Erfahrung als Lohnfertiger von Aluminium-Flugzeugteilen als auch das umfangreiche Know-how in der Vakuumspanntechnik zugute. Die Synergien dieser beiden Erfahrungswerte fließen jetzt in die maßgeschneiderten Spannvorrichtungen für große Aircraftteile ein.
Dabei bestehen die besonderen Anforderungen zumeist darin, eine Spannvorrichtung in eine vorhandene CNC-Maschine einzuarbeiten und in den Steuerungsablauf zu integrieren.
Im vorliegenden Fall wurde eine komplexe Spannanlage konzipiert, auf der großflächige, unebene Rohbleche aus Aluminium gehalten und bearbeitet werden sollen. Die Spannanlage sollte in eine Gantry-Maschine integriert werden.
Die Spannanlage
Bei den Werkstücken handelt es sich um mehrere Meter lange, rohe und teils unebene Aluminiumplatten mit einer Dicke von ca. 9 - 50 Millimetern. Diese schweren Platten müssen beidseitig bearbeitet werden um die erforderliche Gewichtsreduzierung zu erreichen. Die Schwierigkeit besteht darin, diese relativ dickwandigen massigen Bauteile aus der zylindrischen Form zur Bearbeitung in eine plane Position zu bringen und überhaupt erst spannen zu können. Aufgrund des erforderlichen Kraftaufwandes wurde eine Vakuum-Spannanlage mit einem Hydraulikstempelsystem entwickelt. Die Anlage besteht im Wesentlichen aus Vakuumspannplatte, montiert auf einem Unterbau mit Lineareinheiten, Portal mit Hydraulikstempel und der Steuerung.
Da es sich um relativ schwere Fräsarbeiten mit einem hohen Zerspanungsgrad handelt, wurde für den Spanntisch die Vakuum-Rasterplatten-Technik gewählt. Dieses System gilt als Klassiker in der Vakuum-Spanntechnik und ist für einfach geformte Werkstückgeometrien mit rauen Oberflächen prädestiniert. Rasterplatten bieten maximale Haltekräfte auch von unbearbeiteten Werkstückflächen. Die Platten sind in unterschiedlichen Formen und Größen einsetzbar wobei der Rasterabstand entsprechend der Werkstückanforderungen ausgelegt werden kann.
Als Besonderheit bei dieser Vakuumplatte sind die 32 Spannbereiche und eine spezielle Dichtschnurnutkonfiguration zu nennen.
Der 2000x7500 Millimeter große Vakuumtisch ist in acht Segmente unterteilt. Jedes Segment besteht aus vier separat schaltbaren und automatisch überwachten Spannbereichen mit fünfzig Saugbohrungen. Die Spannbereiche werden über eine NC-Steuerung und die elektrischen Vakuumventile über ein Bus-System aktiviert. Rasternuten in der Vakuum-Spannplatte ermöglichen das Einlegen einer Dichtschnur, um das Werkstück auch bei großen Oberflächenunebenheiten mit der Spannplatte abzudichten. Um das Eindringen von Spanabfall während der Fräsbearbeitung zu verringern, wurden die Saugbohrungen mit eingelegten Sieben versehen.
Zusätzliche Gewindebohrungen ermöglichen den Einsatz von mechanischen Spannmitteln und Anschlägen. Mehrere kleinere Werkstücke können gleichzeitig gespannt werden und erhöhen die Effektivität des Spannsystems.
Die Arbeitsweise
Die Bestückung der Spannplatte mit dem zu bearbeitenden Aluminiumblech erfolgt per Kran mit Sauggreifern.
Um die unebenen Werkstücke auf dem Spanntisch in eine plane Lage zu bringen, kommt der Hydraulikstempel der Gantry-Anlage zum Einsatz. Die Brücke fährt an verschiedene Positionen des Aluminium-Walzbleches und drückt dieses mit dem Hydraulikstempel segmentweise auf die Vakuumspannplatte. Dabei hat das Portal mit dem Hydraulikstempel eine maximale Verfahrgeschwindigkeit von 15 Metern per Minute. Insbesondere bei produktionsbedingten Unebenheiten innerhalb des Werkstückes (Wellen) hilft der verfahrbare Hydraulikstempel das Blech an die Vakuumspannplatte zu drücken, so dass ein ganzflächiges Spannen möglich ist. Eine maximale Presskraft von zwei Tonnen wird auf die Vakuumplatte durch den Stempel erzeugt. Durch die Vakuumspannkraft von unten wird das Blech in der Position gehalten. Seitlich können zusätzliche mechanische Spanner in vorgesehenen Gewindebohrungen eingesetzt werden, die das Bauteil im kritischen Randbereich halten.
Lichtschranken an beiden Seiten der Anlage verhindern die Gefährdung des Bedienpersonals während der Hydraulikstempel im Einsatz ist.
Nachdem das Werkstück mittels Hydraulikstempel plan auf den Maschinentisch gepresst und mittels Vakuum fixiert wurde, startet das Bearbeitungsprogramm. Im ersten Arbeitsschritt findet eine Vorbearbeitung der rohen Platte statt, um eine optimale Oberflächenbeschaffenheit für den Spannprozess der weiteren Arbeitsschritte zu erzielen. Die einzelnen Vakuumfelder sowie ggf. seitliche mechanische Spanner werden schrittweise deaktiviert bis das Aluminium-Blech wieder die Ausgangsform eingenommen hat.
Für die Bearbeitung der zweiten Seite wird das Aluminium-Blech nun mit der bereits bearbeiteten Seite nach unten auf dem Vakuumtisch in eine plane Lage gebracht. Dazu wird erneut der Hydraulikstempel aktiviert, so dass das Werkstück wieder Segment für Segment auf die Spannplatte gepresst wird und die jeweiligen Vakuum-Spannbereiche entsprechend zugeschaltet werden. Jetzt werden diffizilere Bearbeitungsschritte durchgeführt. Das Werkstück wird ausgedünnt; teilweise werden Taschen gefräst. Die fertig bearbeitenden Werkstücke haben nur noch Wanddicken von 1,2 Millimetern und sind gemäß der Luft- und Raumfahrtanforderungen über die gesamte Länge von bis zu 7,5 Metern sehr eng toleriert.
Kühlflüssigkeiten, die für den Fräsvorgang erforderlich sind aber der Vakuumpumpe Schaden zufügen könnten, werden durch einen integrierten Flüssigkeitsabscheider aufgefangen. Die Abscheideleistung kann dabei bis zu 100 Liter pro Stunde betragen.
Durch Einteilung der Spannplatte in acht Segmente bestehend aus jeweils vier Vakuumplatten, können Bleche unterschiedlicher Maße gespannt und bearbeitet werden. Das automatisch ablaufende Spann- und Fräsprogramm wird entsprechend des jeweiligen Werkstückformats aktiviert. Voraussetzungen für den reibungslosen Betrieb sind saubere entgratete und trockene Aluminiumplatten, deren Maße 7500x2000mm nicht zu überschreiten sind. Bei der Gesamtausführung spielt die Genauigkeit des Systems eine wichtige Rolle. Die geforderte Ebenheit und Parallelität des Vakuumtisches über die gesamte Länge und Breite durfte auch während des Andrückvorganges nicht überschritten werden. Die Einteilung des Vakuumtisches in acht Segmente macht die Anlage wartungsfreundlich.
Die von Witte entwickelte Vakuumspannanlage fährt im 3-Schichtbetrieb; dabei werden alle Funktionen automatisch überwacht und geregelt. Bestandteil der Gesamtanlage ist die Vakuum- Zentrale mit drei Vakuumpumpen, einem 1m³ Liter großen Vakuumspeicher und der bedarfsgerechten Steuerung der Vakuumpumpen mit jeweils 160m³/h.
Beim Ausfall einer Pumpe übernimmt automatische einer der anderen Pumpen die Funktion. Somit wird eine hohe Betriebssicherheit garantiert. Sollte es sogar zum Stromausfall kommen, wird das Werkstück trotz unterbrochener Energiezufuhr vorübergehend sicher gespannt und bleibt auf der Spannplatte sicher fixiert. Druckdifferenzschalter überwachen das Vakuumsystem an unterschiedlichen Stellen, sind in die Notauskette integriert und reagieren auf kleinste Unregelmäßigkeiten.
Die Werkstückspannung mittels der Vakuumtechnik ist durch die Auswahl und Kombination all dieser Überwachungseinheiten sicherer als eine normale mechanische Werkstückspannung, z.B. mit Schraubstock.
Vakuumspanntechnik allgemein
Vakuumspanntechnik wird vorzugsweise beim Bearbeiten dünnwandiger Bauteile aus nicht-magnetischen Werkstoffen eingesetzt, wie z.B. Aluminium, NE-Metalle, Titan, Stahl, Kunststoff, Holz, Glas, Keramik, Graphit... Diese Technik ist für nahezu alle Bearbeitungsarten geeignet (Drehen, Fräsen, Schleifen, Bohren, Gravieren, Polieren, Erodieren...)
Die Werkstücke werden sehr schonend und sehr schnell gespannt. Die Spannzeiten können erheblich reduziert werden. In nur einem Spannzyklus können bis zu fünf Seiten schwingungsfrei bearbeitet werden. Auch ist ein problemloses Fräsen von Taschen und Durchbrüchen möglich.
Für die unterschiedlichen Anforderungen, Bearbeitungsarten, Werkstückformen und -materialien steht ein umfangreiches Programm an Vakuumspanntechniken und -Equipment zur Verfügung. Die einzelnen Komponenten können wie bei einem Baukastensystem je nach Bedarf kombiniert werden.
Marktentwicklung Vakuum-Spannsysteme
Der Bedarf an Vakuumspannsystemen ist steigend, so dass die Vakuumspanntechnik kontinuierlich an Bedeutung gewinnt. Der Trend geht eindeutig zu leichteren Werkstoffen und dünnwandigen Komponenten Teilweise sind Bearbeitungsaufgaben aufgrund neuer Materialien und gewichtssparender dünnwandiger Konstruktionen nur mit Vakuumspanntechnik wirtschaftlich zu lösen. Daraus ergeben sich Kostenvorteile bei gleichzeitiger Qualitätsverbesserung und kürzeren Durchlaufzeiten.
Da in der Luft- und Raumfahrtindustrie vorzugsweise dünnwandige Leichtmetalllegierungen verwendet werden und somit herkömmliche Spannmethoden von vornherein ausscheiden, stellt die Vakuumspanntechnik eine geeignete Alternative dar.
Standardmäßig wird eine große Vielfalt unterschiedlicher Vakuum-Systeme angeboten, mit der viele Anwendungsbereiche abgedeckt werden. Diese sind allerdings überwiegend für kleine bis mittlere Werkstückgrößen geeignet. Für Werkstückdimensionen von mehreren Quadratmetern sind Speziallösungen erforderlich.
Die Aufgabe
Witte hat bereits mehrere großformatige Vakuum-Spann-Systeme konzipiert und gefertigt, auf denen selbst unebene Flugzeug-Komponenten präzise gehalten und CNC-technisch bearbeitet werden können. Dem Hersteller kommt dabei sowohl die Jahrzehnte lange Erfahrung als Lohnfertiger von Aluminium-Flugzeugteilen als auch das umfangreiche Know-how in der Vakuumspanntechnik zugute. Die Synergien dieser beiden Erfahrungswerte fließen jetzt in die maßgeschneiderten Spannvorrichtungen für große Aircraftteile ein.
Dabei bestehen die besonderen Anforderungen zumeist darin, eine Spannvorrichtung in eine vorhandene CNC-Maschine einzuarbeiten und in den Steuerungsablauf zu integrieren.
Im vorliegenden Fall wurde eine komplexe Spannanlage konzipiert, auf der großflächige, unebene Rohbleche aus Aluminium gehalten und bearbeitet werden sollen. Die Spannanlage sollte in eine Gantry-Maschine integriert werden.
Die Spannanlage
Bei den Werkstücken handelt es sich um mehrere Meter lange, rohe und teils unebene Aluminiumplatten mit einer Dicke von ca. 9 - 50 Millimetern. Diese schweren Platten müssen beidseitig bearbeitet werden um die erforderliche Gewichtsreduzierung zu erreichen. Die Schwierigkeit besteht darin, diese relativ dickwandigen massigen Bauteile aus der zylindrischen Form zur Bearbeitung in eine plane Position zu bringen und überhaupt erst spannen zu können. Aufgrund des erforderlichen Kraftaufwandes wurde eine Vakuum-Spannanlage mit einem Hydraulikstempelsystem entwickelt. Die Anlage besteht im Wesentlichen aus Vakuumspannplatte, montiert auf einem Unterbau mit Lineareinheiten, Portal mit Hydraulikstempel und der Steuerung.
Da es sich um relativ schwere Fräsarbeiten mit einem hohen Zerspanungsgrad handelt, wurde für den Spanntisch die Vakuum-Rasterplatten-Technik gewählt. Dieses System gilt als Klassiker in der Vakuum-Spanntechnik und ist für einfach geformte Werkstückgeometrien mit rauen Oberflächen prädestiniert. Rasterplatten bieten maximale Haltekräfte auch von unbearbeiteten Werkstückflächen. Die Platten sind in unterschiedlichen Formen und Größen einsetzbar wobei der Rasterabstand entsprechend der Werkstückanforderungen ausgelegt werden kann.
Als Besonderheit bei dieser Vakuumplatte sind die 32 Spannbereiche und eine spezielle Dichtschnurnutkonfiguration zu nennen.
Der 2000x7500 Millimeter große Vakuumtisch ist in acht Segmente unterteilt. Jedes Segment besteht aus vier separat schaltbaren und automatisch überwachten Spannbereichen mit fünfzig Saugbohrungen. Die Spannbereiche werden über eine NC-Steuerung und die elektrischen Vakuumventile über ein Bus-System aktiviert. Rasternuten in der Vakuum-Spannplatte ermöglichen das Einlegen einer Dichtschnur, um das Werkstück auch bei großen Oberflächenunebenheiten mit der Spannplatte abzudichten. Um das Eindringen von Spanabfall während der Fräsbearbeitung zu verringern, wurden die Saugbohrungen mit eingelegten Sieben versehen.
Zusätzliche Gewindebohrungen ermöglichen den Einsatz von mechanischen Spannmitteln und Anschlägen. Mehrere kleinere Werkstücke können gleichzeitig gespannt werden und erhöhen die Effektivität des Spannsystems.
Die Arbeitsweise
Die Bestückung der Spannplatte mit dem zu bearbeitenden Aluminiumblech erfolgt per Kran mit Sauggreifern.
Um die unebenen Werkstücke auf dem Spanntisch in eine plane Lage zu bringen, kommt der Hydraulikstempel der Gantry-Anlage zum Einsatz. Die Brücke fährt an verschiedene Positionen des Aluminium-Walzbleches und drückt dieses mit dem Hydraulikstempel segmentweise auf die Vakuumspannplatte. Dabei hat das Portal mit dem Hydraulikstempel eine maximale Verfahrgeschwindigkeit von 15 Metern per Minute. Insbesondere bei produktionsbedingten Unebenheiten innerhalb des Werkstückes (Wellen) hilft der verfahrbare Hydraulikstempel das Blech an die Vakuumspannplatte zu drücken, so dass ein ganzflächiges Spannen möglich ist. Eine maximale Presskraft von zwei Tonnen wird auf die Vakuumplatte durch den Stempel erzeugt. Durch die Vakuumspannkraft von unten wird das Blech in der Position gehalten. Seitlich können zusätzliche mechanische Spanner in vorgesehenen Gewindebohrungen eingesetzt werden, die das Bauteil im kritischen Randbereich halten.
Lichtschranken an beiden Seiten der Anlage verhindern die Gefährdung des Bedienpersonals während der Hydraulikstempel im Einsatz ist.
Nachdem das Werkstück mittels Hydraulikstempel plan auf den Maschinentisch gepresst und mittels Vakuum fixiert wurde, startet das Bearbeitungsprogramm. Im ersten Arbeitsschritt findet eine Vorbearbeitung der rohen Platte statt, um eine optimale Oberflächenbeschaffenheit für den Spannprozess der weiteren Arbeitsschritte zu erzielen. Die einzelnen Vakuumfelder sowie ggf. seitliche mechanische Spanner werden schrittweise deaktiviert bis das Aluminium-Blech wieder die Ausgangsform eingenommen hat.
Für die Bearbeitung der zweiten Seite wird das Aluminium-Blech nun mit der bereits bearbeiteten Seite nach unten auf dem Vakuumtisch in eine plane Lage gebracht. Dazu wird erneut der Hydraulikstempel aktiviert, so dass das Werkstück wieder Segment für Segment auf die Spannplatte gepresst wird und die jeweiligen Vakuum-Spannbereiche entsprechend zugeschaltet werden. Jetzt werden diffizilere Bearbeitungsschritte durchgeführt. Das Werkstück wird ausgedünnt; teilweise werden Taschen gefräst. Die fertig bearbeitenden Werkstücke haben nur noch Wanddicken von 1,2 Millimetern und sind gemäß der Luft- und Raumfahrtanforderungen über die gesamte Länge von bis zu 7,5 Metern sehr eng toleriert.
Kühlflüssigkeiten, die für den Fräsvorgang erforderlich sind aber der Vakuumpumpe Schaden zufügen könnten, werden durch einen integrierten Flüssigkeitsabscheider aufgefangen. Die Abscheideleistung kann dabei bis zu 100 Liter pro Stunde betragen.
Durch Einteilung der Spannplatte in acht Segmente bestehend aus jeweils vier Vakuumplatten, können Bleche unterschiedlicher Maße gespannt und bearbeitet werden. Das automatisch ablaufende Spann- und Fräsprogramm wird entsprechend des jeweiligen Werkstückformats aktiviert. Voraussetzungen für den reibungslosen Betrieb sind saubere entgratete und trockene Aluminiumplatten, deren Maße 7500x2000mm nicht zu überschreiten sind. Bei der Gesamtausführung spielt die Genauigkeit des Systems eine wichtige Rolle. Die geforderte Ebenheit und Parallelität des Vakuumtisches über die gesamte Länge und Breite durfte auch während des Andrückvorganges nicht überschritten werden. Die Einteilung des Vakuumtisches in acht Segmente macht die Anlage wartungsfreundlich.
Die von Witte entwickelte Vakuumspannanlage fährt im 3-Schichtbetrieb; dabei werden alle Funktionen automatisch überwacht und geregelt. Bestandteil der Gesamtanlage ist die Vakuum- Zentrale mit drei Vakuumpumpen, einem 1m³ Liter großen Vakuumspeicher und der bedarfsgerechten Steuerung der Vakuumpumpen mit jeweils 160m³/h.
Beim Ausfall einer Pumpe übernimmt automatische einer der anderen Pumpen die Funktion. Somit wird eine hohe Betriebssicherheit garantiert. Sollte es sogar zum Stromausfall kommen, wird das Werkstück trotz unterbrochener Energiezufuhr vorübergehend sicher gespannt und bleibt auf der Spannplatte sicher fixiert. Druckdifferenzschalter überwachen das Vakuumsystem an unterschiedlichen Stellen, sind in die Notauskette integriert und reagieren auf kleinste Unregelmäßigkeiten.
Die Werkstückspannung mittels der Vakuumtechnik ist durch die Auswahl und Kombination all dieser Überwachungseinheiten sicherer als eine normale mechanische Werkstückspannung, z.B. mit Schraubstock.
Vakuumspanntechnik allgemein
Vakuumspanntechnik wird vorzugsweise beim Bearbeiten dünnwandiger Bauteile aus nicht-magnetischen Werkstoffen eingesetzt, wie z.B. Aluminium, NE-Metalle, Titan, Stahl, Kunststoff, Holz, Glas, Keramik, Graphit... Diese Technik ist für nahezu alle Bearbeitungsarten geeignet (Drehen, Fräsen, Schleifen, Bohren, Gravieren, Polieren, Erodieren...)
Die Werkstücke werden sehr schonend und sehr schnell gespannt. Die Spannzeiten können erheblich reduziert werden. In nur einem Spannzyklus können bis zu fünf Seiten schwingungsfrei bearbeitet werden. Auch ist ein problemloses Fräsen von Taschen und Durchbrüchen möglich.
Für die unterschiedlichen Anforderungen, Bearbeitungsarten, Werkstückformen und -materialien steht ein umfangreiches Programm an Vakuumspanntechniken und -Equipment zur Verfügung. Die einzelnen Komponenten können wie bei einem Baukastensystem je nach Bedarf kombiniert werden.
Marktentwicklung Vakuum-Spannsysteme
Der Bedarf an Vakuumspannsystemen ist steigend, so dass die Vakuumspanntechnik kontinuierlich an Bedeutung gewinnt. Der Trend geht eindeutig zu leichteren Werkstoffen und dünnwandigen Komponenten Teilweise sind Bearbeitungsaufgaben aufgrund neuer Materialien und gewichtssparender dünnwandiger Konstruktionen nur mit Vakuumspanntechnik wirtschaftlich zu lösen. Daraus ergeben sich Kostenvorteile bei gleichzeitiger Qualitätsverbesserung und kürzeren Durchlaufzeiten.
