Nullpunktspanner Nullpunktspanner unterstützt Additive Fertigung

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Peter Lehmann AG Apparatebau

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Mit einem neuen Nullpunkt-Spannsystem kann man alle Fertigungsschritte eines Bauteils in den Griff bekommen. Zumindest, wenn es um die Additive Fertigung geht.

Die Additive Fertigung, im Englischen Additive Manufacturing (AM) genannt, punktet heute auch dort, wo früher die klassischen Produktionsprozesse dominierten. Momentan scheinen sich bezüglich metallischer 3D-Druck-Bauteile außer dem Pulverauftragschweißen (LMD) auch das selektive Laserschmelzen (SLM) beziehungsweise das pulverbettbasierte Laserschmelzen (LMF) durchzusetzen.

Das 3D-Drucken von Metall- und auch Kunststoffteilen, spielt seine Vorteile vor allem in der designerischen Freiheit aus, die bisher mit keinem üblichen Fertigungsprozess erreichbar ist. Doch selbst industrietaugliche 3D-Druck-Methoden sind nicht der alleinige Schlüssel zum Erfolg. Denn nach Ansicht von pl Lehmann muss die Additive Fertigung in ein geeignetes Fertigungsumfeld eingebettet sein, in dem Daten und Material ausbalanciert fließen können. Vorhandene Kapaziäten müssen zuvor ausnivelliert werden, damit das klappt, sagt Lehmann. Nicht immer komme es dabei nur auf Automationsmaßnahmen an und diese seien auch nicht immer überall sinnvoll.

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Reibungsloserer Prozessablauf

Ein Beispiel dafür ist das neue Nullpunkt-Spannsystem AM-Lock von pl Lehmann, das die gesamten Abläufe im Rahmen der Additiven Fertigung begleiten kann. Sogar für das Glühen der Bauteile kann es bis maximal 650 °C eingesetzt werden. Dieses Spannsystem garantiere einen reibungslosen Produktionsablauf inklusive deutlich geringerer Prozesskosten im manuellen Betrieb. Bei Bedarf könne man es aber jederzeit auch automatisieren.

Lehmann merkt außerdem an, dass es zum optimalen Betrieb des AM-Lock diverse Software-Plug-ins gibt, die der Softwarespezialist CADS.Additive entwickelt hat. Nullpunkt-Spannsystem und Softwaretools sollen die Produktion metallischer 3D-Druckteile in Kombination beschleunigen können. Nicht zuletzt steige damit die Bauteilqualität und die Herstellkosten sinken, so pl Lehmann.

Durch den typischen schichtweisen Aufbau der 3D-Druck-Teile aus einem mit Metallpulver gefüllten Bett sind der Gestaltung im Prinzip kaum Grenzen gesetzt. Außen und innen liegende Funktionselemente können deshalb leicht realisiert werden. Dabei ist die Additive Fertigung sowohl für kleine Stückzahlen als auch für die Serienfertigung geeignet. Doch bevor man ein additiv gefertigtes Bauteil nutzen kann, ist einiges zu erledigen. So braucht es bauteilstabilisierende Stützstrukturen, die zunächst mitgedruckt werden. Diese müssen später entfernt werden. Oft stehen noch Fräsprozesse an, damit etwa Funktionsflächen ihre Solleigenschaften in puncto Oberflächenqualität und Präzision erhalten. Auch das Beschichten oder eben auch das Glühen im Ofen und nicht zuletzt die Vermessung der Bauteile im Rahmen der Qualitätssicherung gehören dazu.

Der Transferprozess auf die verschiedenen Maschinen und Geräte erfolgte bisher händisch – ist also relativ mühsam und aufwendig gewesen. Das AM-Lock-Nullpunkt-Spann- und Positioniersystem schafft aber Abhilfe, denn es passt auf übliche Maschinen zur Additiven Fertigung, wie sie Coherent, Concept Laser, DMG Mori, EOS, Trumpf, Renishaw oder SLM Solutions anbieten.

Das Nullpunkt-Spannsystem AM-Lock besteht im Wesentlichen aus Rasterplatten und darauf aufsetzenden Segmentpaletten. Die Rasterplatte, die auf die Bauplattform der AM-Maschine montiert wird, trägt in einem kompakten 50-mm-Raster zahlreiche Zentrierzapfen (On-Top-Version). Alternativ können die Pins direkt in die Bauplattform eingearbeitet werden (Built-in-Version). Auf diesem Rastersystem lassen sich die Segmentpaletten, die es in verschiedenen Ausführungen und Größen gibt, beliebig positionieren.

Patentierte Thermospannung

Die Segmentpaletten sind zweiteilig: Es gibt eine leicht austauschbare Substratplatte aus Aluminium, Stahl oder Titan und eine Grundpalette mit Lochraster für die Nullpunktspannung auf der Rasterplatte. Gut sei, dass man mehrere Segmentpaletten in der AM-Maschine auf einer Rasterplatte kombinieren könne, weshalb man diverse Bauteile bei einem Druck-Job fertigen könne. Für die Nachbearbeitungen können die Segmentpaletten dann einzeln dem jeweils erforderlichen Prozess zugeführt und dort auf dem AM-Lock-Spannfutter direkt oder per Adapterspannzapfen auf diversen Nullpunkt-Spannsystemen montiert werden. Sie harmonieren etwa mit den meisten Spannsystemen namhafter Hersteller – und zwar ohne den Nullpunkt dabei zu verlieren.

Das AM-Lock-System ist insofern ein ganz besonderes, weil das zentrale AM-Lock-Element für die AM-Maschine das patentierte „Thermo-Lock“-Positionier- und Spannprinzip ist, betont Lehmann. Die Thermo-Lock-Rasterplatte (50-mm-Raster) enthält dazu viele 6 mm hohe Pins, die durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung im Vergleich zu den Aufnahmebohrungen für eine spielfreie Spannung sorgen. Das heißt, dass die Segmentpaletten bei Temperaturen unter 70 °C gelöst sind, aber ab 80 bis 100 °C sich auf der Rasterplatte von selbst spannen. Die Gestalt der Pins sorgt bei dieser thermomechanischen Spannung für eine Selbstzentrierung, die eine Wiederholgenauigkeit von ± 0,005 mm erreicht.

Im gelösten Zustand kann man Thermo-Lock-Rasterplatte durch Abblasen säubern. Dann folgt eine Reinigungs- und Anwesenheitskontrolle per Drucküberwachung, wofür das im AM-Prozess oft genutzte Argon verwendet wird, das dazu von unten die Rasterplatte und Pins durchströmt. Ist der Staudruck gering, fließt das Gas zwischen Pin und Segmentpalette durch. Die Palette liegt also nicht auf – sie ist nicht gespannt! Ist der Staudruck hoch, liegt die Palette fest an, ist gespannt und der 3D-Druck kann starten.

Und noch mehr Vorteile

Das AM-Lock-System funktioniert grundsätzlich auch ohne Heizung. Denn das Passungsspiel in der Größenordnung zwischen 0,015 und 0,025 mm erreicht auch ohne Thermo-Lock eine Wiederholgenauigkeit um ± 0,01 mm. Und die Druckpräzision einer Maschine erreicht diesen Wert noch lange nicht. Hat die Maschine eine Heizung, greift ein weiterer wichtiger Vorteil: Die geringe Bauhöhe und großflächige Auflage unterstützt ein rasches, gleichmäßiges Erwärmen des Systems. Computersimulationen und Messungen haben laut Hersteller ergeben, dass schon 500 s (etwas über 8 min) nach dem Heizbeginn die Temperatur der Substratplatte mit der der Hubplattform fast identisch ist. Das bestätigt den schnellen Wärmedurchgang und den guten Wärmeverteilungseffekt.

Weil beim Thermo-Lock-System weder Rasterplatte noch Segmentpalette mechanisch bewegte Teile enthalten, werden zur Betätigung weder Druckluft oder Öl benötigt, noch sind Dichtungen vorhanden. So können weder Dichtungen kaputtgehen noch Mechanikbauteile sich verklemmen. Durch das thermomechanische Prinzip ist auch keinerlei Strom- oder Druckluftzuführung erforderlich. Und das System funktioniert dank hochwarmfester Materialien bis 500 °C.

Sofort zur Wärmebehandlung

Für die Nullpunktspannung in einem Bearbeitungszentrum für die Zerspanung oder auf einer Messmaschine et cetera bietet pl Lehmann die Spannfutter Quattro und Uno an, die auf dem vom Hersteller entwickelten Ball-Lock-System beruhen. Diese Art Rasterplatten spannt entweder manuell oder pneumatisch mit bis zu 40 kN, wodurch auch mit hoher Leistung zerspant werden kann.

Wie man ahnt, hat das Quattro-Futter (Maße 150 mm × 150 mm × 34 mm) vier Spannzapfen, während das Uno nur einen hat. Beide seien einfach auf dem Maschinentisch montierbar, leicht zu reinigen und fast wartungsfrei.

Weil AM-Lock-Paletten, wie schon gesagt, bis 650 °C aushalten, können gedruckte Teile, ohne dass sie zuvor von der Grundpalette abgesägt oder aberodiert werden müssen, direkt der Wärmebehandlung zugeführt werden.

Die Nutzer des AM-Lock-Systems können aber auch viele andere, bereits vorhandene Nullpunkt-Spannsysteme weiterhin zur Nachbearbeitung nutzen. Denn pl Lehmann bietet auch entsprechende Adapter an. Für Systeme von Schunk, Erowa, System 3R, AMF, Lang, Gressel und Zeroclamp sind passende Spannzapfen bereits erhältlich.

Auch sind Hand- und Robotergreifer verfügbar, welche dabei helfen, die noch heißen Segmentpaletten problemlos zu entnehmen. Der AM-Robogrip etwa, ist ein pneumatisch betätigter Parallelgreifer mit Fingern, die exakt zur Trapeznut in den Paletten passen. Er ist mit einer Standardschnittstelle für übliche Roboter und Handlinggeräte ausgestattet.

Die passende Software

Und zur AM-Lock-Hardware gibt es auch eine passende Software namens AM-Lock-Configurator von CADS.Additive, der zurzeit als Plug-in von Ansys und Creo zur Verfügung steht. Er dient als digitale Basis, mit der die Segmentierung der Baufläche mit verfügbaren, unterschiedlichen Paletten festgelegt werden kann und mit der die Stützstrukturen im Hinblick auf die zerspanerische Nachbearbeitung optimierbar sind.

Palettennullpunkte und Rasterabstände würden dabei automatisch berücksichtigt. Selbst die notwendigen Nachfolgeprozesse lassen sich mit dem AM-Lock-Configurator vorbereiten – doch müssten dafür Schnittstellen zu kundenspezifischen Drittsoftware-Komponenten vorhanden sein.

* Wolfgang Klingauf ist freier Journalist in Augsburg. Weitere Informationen: Peter Lehmann AG in 3552 Bärau (Schweiz), Tel. (00 41-34) 4 09 66-66, sales@plehmann.com, www.lehmann-rotary-tables.com

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