Palettensystem

Additive Manufacturing: Wirtschaftliche Serienfertigung

| Autor / Redakteur: Wolfgang Klingauf / Susanne Reinshagen

Mit AM-Lock hat pL Lehmann ein Nullpunktspannsystem für den 3D-Druck entwickelt, das sich durch hohe Flexibilität, Präzision und Prozessstabilität auszeichnet.
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Mit AM-Lock hat pL Lehmann ein Nullpunktspannsystem für den 3D-Druck entwickelt, das sich durch hohe Flexibilität, Präzision und Prozessstabilität auszeichnet. (Bild: pL Lehmann)

AM-Lock von pL Lehmann ist ein auf Nullpunkt- spanntechnik basierendes Palettensystem, das durchgängig von der Maschine für generative Fertigung und dem Bearbeitungszentrum eingesetzt werden kann. So werden der Gesamtprozess beschleunigt und die Kosten gesenkt.

Wenn bei der Produktion metallischer Teile von 3D-Druck die Rede ist, sind generative Fertigungsverfahren gemeint – auf Englisch «Additive Manufacturing» oder kurz «AM» genannt. Dazu gehören das Selektive Lasersintern (SLS) und das Selektive Laserschmelzen (SLM). Sie sind in der Lage, unmittelbar aus Pulvermaterial und einem 3D-CAD-Datensatz Schicht für Schicht dreidimensionale Objekte zu erzeugen. Kein Wunder, dass solche AM-Verfahren immer mehr an Bedeutung gewinnen. Denn durch den schichtweisen Aufbau tun sich völlig neue Gestaltungsmöglichkeiten auf, die zur Funktionsoptimierung und -integration beitragen. Mit SLS- und SLM-Maschinen lassen sich höchst komplexe, extrem leichte und dennoch stabile Strukturen erzeugen. AM ermöglicht zudem das Herstellen kleiner Losgrössen zu angemessenen Stückkosten und dadurch eine starke Individualisierung von Produkten. Aber auch für die Serienfertigung werden AM-Maschinen eingesetzt.

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Vor dem Einsatz generativ erzeugter Teile müssen diese meist nachbearbeitet werden. Es sind Stützstrukturen zu entfernen und Fräsbearbeitungen auszuführen, damit bestimmte Flächen den Anforderungen an Präzision und Oberflächengüte genügen. Zum Teil sind auch nachfolgende Wärmebehandlungen, Messungen oder Beschichtungen erforderlich. Bislang ist der Wechsel von der AM-Maschine auf weitere Maschinen und Geräte ein aufwendiges, händisch zu erledigendes Unterfangen, das einer wirtschaftlichen Serienfertigung im Wege steht. Daher hat pL Lehmann mit AM-Lock eine Lösung für dieses Problem entwickelt: ein auf Nullpunktspanntechnik basierendes Palettensystem, das durchgängig sowohl auf der AM-Maschine als auch auf Bearbeitungszentren etc. eingesetzt werden kann.

System aus Rasterplatte und Segmentpaletten

Das pL-Nullpunktspannsystem AM-Lock besteht auf der additiven Seite im Wesentlichen aus Rasterplatten und darauf aufsetzenden Segmentpaletten. Die Rasterplatte, die auf die Bauplattform der AM-Maschine montiert wird, enthält 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.

Segmentpaletten bestehen stets aus zwei Teilen: einer einfach austauschbaren Substratplatte aus Aluminium, Stahl oder Titan und einer Grundpalette mit Lochraster für die Nullpunktspannung auf der Rasterplatte. Besonders vorteilhaft ist, dass sich mehrere Segmentpaletten in der AM-Maschine auf einer Rasterplatte kombinieren lassen. Das schafft die Möglichkeit, unterschiedliche Bauteile in einem einzigen Job zu erzeugen. Für die Nachbearbeitung (glühen, messen, röntgen, erodieren, fräsen usw.) können dann die Segmentpaletten einzeln dem jeweils erforderlichen Prozess zugeführt und dort auf dem AM-Lock-Spannfutter direkt oder mittels Adapter-­Spannzapfen auf verschiedenen Nullpunktspannsystemen von Schunk, Erowa, AMF, Sytem 3R usw. gespannt werden, ohne den Nullpunkt zu verlieren.

Ideale Spannvorrichtung für die AM-Maschine

Es gibt viele verschiedene Nullpunktspannsysteme auf dem Markt. Das AM-Lock-System von pL Lehmann ist insofern ein ganz besonderes, da es die Durchgängigkeit von der additiven Fertigung der Bauteile zu jeglicher Form ihrer Nachbearbeitung gewährleistet. Das zentrale AM-Lock-Element für die AM-Maschine ist das patentierte «Thermo-­Lock»-Positionier- und -Spannprinzip. Die Thermo-­Lock-Rasterplatte enthält im 50 mm-Raster
zahl­reiche 6 mm hohe Pins, die durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung im Vergleich zu den Aufnahmebohrungen für eine spielfreie Spannung sorgen. Konkret heisst das, dass die Segment­paletten bei Temperaturen unter 70 °C gelöst sind und bei über 80 °C bis 100 °C auf der Thermo-­Lock-Rasterplatte in den gespannten Zustand übergehen. Die geometrische Gestaltung der Pins sorgt bei der thermomechanischen Spannung für eine Selbstzentrierung, die eine prozesssichere Wiederholgenauigkeit von ±0,005 mm gewährleistet.

Im gelösten Zustand ist eine Reinigung der Thermo-­Lock-­Rasterplatte durch Abblasen vorgesehen. Anschliessend findet eine Reinigungs- und Anwesenheitskontrolle mittels Drucküberwachung statt, wofür das im AM-Prozess häufig verwendete Argon genutzt wird, das von unten die Rasterplatte und Pins durchströmt. Ist der Staudruck gering, bedeutet das, dass ein Durchfluss von Argon zwischen Pin und Segmentpalette stattfindet: Die Palette liegt nicht auf bzw. ist nicht gespannt. Ist der Staudruck hoch, liegt die Palette fest an; sie ist also gespannt und der 3D-Druck kann starten.

Vorteilhaftes thermisches Verhalten

Das AM-Lock-System funktioniert grundsätzlich auch ohne Heizsystem. Das Passungsspiel mit zwischen 0,015 mm und 0,025 mm bringt bereits
ohne Thermo-Lock eine Wiederholgenauigkeit im +/- 0,01-mm-Bereich, womit die Druckgenauigkeit der Maschine immer noch deutlich unterschritten wird. Ist maschinenseitig eine Heizung vorhanden, zeigt sich mit AM-Lock ein weiterer wichtiger
Vorteil: Die kompakte Bauhöhe und grossflächige Auflage sorgt für ein schnelles, gleichmässiges Erwärmen des gesamten Systems. Computersimulationen und Messungen haben ergeben, dass damit schon 500 s nach dem Heizbeginn auf der Substratplatte eine fast identische Temperatur herrscht wie bei der Hubplattform. Diese Ergebnisse bestätigen den extrem schnellen Wärmedurchgang und die sehr gute Wärmeverteilung des Systems.

Weitere Vorteile: Da 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 Mechanik-Bauteile verklemmen. Durch das thermomechanische Prinzip ist auch keinerlei Strom- oder Druckluftzuführung erforderlich. Und das System funktioniert dank hochwarmfester Materialien bis 500 °C.

Mit Ball-Lock auf das BAZ oder zur Wärmebehandlung

Für die Nullpunktspannung im BAZ oder auf einer Messmaschine etc. bietet pL Lehmann die Spann­futter Quattro und Uno an, die auf dem von pL Lehmann entwickelten Ball-Lock-System beruhen. Diese Rasterplatten spannen entweder manuell oder pneumatisch mit bis zu 40 kN, wodurch auch eine hohe Zerspanungsleistung ermöglicht wird. Wie der Name verrät, verfügt das Quattro-Futter (Abmessungen 150 x 150 x 34 mm) über vier Spannzapfen, während das Uno nur einen enthält. Beide Spannfutter sind einfach auf dem Maschinentisch zu montieren, leicht zu reinigen und weitgehend wartungsfrei. Dadurch dass AM-Lock-Paletten bis 650 °C wärmebeständig sind, können gedruckte Teile ohne vorgängige Trennung von der Palette direkt der Wärmebehandlung zugeführt werden.

Auf alle gängigen Nullpunktspannsysteme adaptierbar

Die Nutzer des AM-Lock-Systems können aber auch eine Vielzahl fremder, bereits bestehender Nullpunktspannsysteme für die Nachbearbeitung weiterhin nutzen. pL Lehmann bietet dafür entsprechende Adapter an. Für Schunk, Erowa, System 3R, AMF, Lang, Gressel und Zeroclamp sind passende Spannzapfen bereits erhältlich. Als weiteres Zu­behör sind Hand- und Robotergreifer verfügbar, die für eine sichere Entnahme der noch heissen Segmentpaletten sorgen. Der AM-RoboGrip ist ein pneumatisch betätigter Parallelgreifer mit Fingern, die exakt zur Trapeznut in den Paletten passen. Er ist mit einer standardisierten Schnittstelle für handels­übliche Roboter und Handlinggeräte ausgestattet.

Massgeschneidertes Software-Plug-in

Zur AM-Lock-Hardware von pL Lehmann gibt es auch eine passende Software: den AM-Lock Configurator von CADS.Additive, der zurzeit als Plug-in von ANSYS und CREO zur Verfügung steht. Es bietet die digitale Basis, die Segmentierung der Baufläche mit verfügbaren, unterschiedlichen Paletten festzulegen und die Stützstrukturen für subtraktive Nachbearbeitung zu optimieren. Paletten-Nullpunkte und Rasterabstände werden dann auto­matisch berücksichtigt. Selbst die notwendigen Nachfolge­prozesse lassen sich mit dem AM-Lock Configurator vorbereiten – Schnittstellen zu kundenspezifischen Drittsoftwarekomponenten voraus­gesetzt. SMM

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