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Spanntechnik – Grenzverschiebung dank Additiver Fertigung

| Autor / Redakteur: Jochen Schmidt, Mapal Dr. Kress KG / Silvano Böni

Spannfutter müssen immer kleiner, präziser und leistungsfähiger werden. Mit der konventionellen Fertigung sind viele Anforderungen nicht zu realisieren. Die Lösung heisst Additive Fertigung.
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Spannfutter müssen immer kleiner, präziser und leistungsfähiger werden. Mit der konventionellen Fertigung sind viele Anforderungen nicht zu realisieren. Die Lösung heisst Additive Fertigung. (Bild: Mapal)

Das Thema Miniaturisierung spielt in zahlreichen Branchen eine grosse Rolle. Infolgedessen auch für die zerspanende Fertigung. So müssen auch Spannfutter immer kleiner, präziser und leistungsfähiger werden. Mit der konventionellen Fertigung sind viele Anforderungen nicht zu realisieren. Mapal nutzt die Möglichkeiten der Additiven Fertigung, um bisher nicht Realisierbares im Bereich der Spanntechnik umzusetzen.

Die beiden Hauptkomponenten eines Hydrodehnspannfutters, Grundkörper und Dehnbuchse, werden durch Löten miteinander verbunden. Die Festigkeit der Lötstelle ist deutlich niedriger als die des Grundkörpers und der Dehnbuchse und bildet damit eine mögliche Schwachstelle. Die Lötverbindung ist dafür verantwortlich, dass Hydrodehnspannfutter überwiegend nur bis zu einer Betriebstemperatur von 50 °C eingesetzt werden können. Und das in Zeiten, die von Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, Volumenzerspanung und Minimalmengenschmierung bis hin zur Trockenbearbeitung bestimmt werden. All diese Technologien können zu Betriebstemperaturen führen, die deutlich über dem Grenzwert von Hydrodehnspannfuttern liegen.

Lötverbindung als limitierender Faktor der Hydrodehnspannfutter

Bei höheren Temperaturen steigt der Druck im Futter, da das Öl im Inneren des Hydrodehnspannfutters den über 50-fachen Ausdehnungskoeffizienten im Vergleich zum Stahl des Grundkörpers hat. Die zunehmende Temperatur kann zum Versagen des Futters führen. Denn durch den hohen Druck kann die Lötverbindung zerstört werden. Umgangssprachlich wird dann von einem «Platzen» des Futters gesprochen. Jegliche Haltekraft geht dabei verloren. Die mit der Lötverbindung verbundenen Limitierungen waren für Mapal der Ausgangspunkt, um an Verbesserungen zu arbeiten.

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Wo: Forum der Messe Luzern
Preis: 150.-- CHF (exkl. MwSt.)
Informationen: www.smm-innovationsforum-fertigung.ch

Klarer technologischer Fortschritt

2015 ist es Mapal gelungen, das erste Hydrodehnspannfutter ohne limitierende Lötverbindung zu präsentieren. Dabei kommt die hybride Fertigung zum Einsatz – die Kombination aus konventioneller und Additiver Fertigung. Auf einen konventionell gefertigten Grundkörper wird per Additiver Fertigung der Funktionsbereich aufgebracht. Dabei wird die Dehnbuchse direkt «eingedruckt» – eine Lötverbindung wird nicht mehr benötigt.

Der gesamte Funktionsbereich kann frei gestaltet werden – Mapal fertigt unter anderem Spannfutter mit der schlanken Kontur, die Schrumpffuttern vorbehalten war. So können die Vorteile der Hydrodehntechnologie auch im störkonturkritischen Bereich eingesetzt werden.

Konstruktive Freiheit für gänzlich neue Möglichkeiten

Die Additive Fertigung kommt bei Mapal gezielt dort zum Einsatz, wo fertigungsbedingte Einschränkungen Innovationen bisher gehemmt haben. Dies war auch im Kleinstsektor der Fall: Sei es in der Elektrotechnik, der Medizintechnik, im Luft- und Raumfahrtbereich, der Uhrenindustrie oder in der Robotik und im Maschinenbau – viele Produkte werden immer kleiner, dabei aber smarter, bedienerfreundlicher und leistungsstärker gestaltet.

Aus diesem Anspruch heraus entsteht die Forderung nach Produktivität auf engstem Raum, der den Kreislauf der Miniaturisierung auf die gesamte Wertschöpfungsebene überträgt. Die Maschinen- und Werkzeugtechnologie in diesem Kleinstsektor erfordert, dass auch im Bereich der Spanntechnik immer mehr Funktionen auf kleinstem Raum erfüllt werden müssen.

Perfekter Rundlauf und optimale Wuchtgüte

So muss die Rundlaufgenauigkeit der Spannfutter für Spanungsdicken, die im Bereich von wenigen Tausendstelmillimetern liegen, nahezu bei null liegen. Denn nur so können gute Oberflächen bei höchsten Drehzahlen und langer Standzeit der Werkzeuge erreicht werden. Zudem muss prozesssicher dafür gesorgt werden, dass jegliche Verschmutzung durch Mikropartikel ausgeschlossen ist. Ein weiteres, wichtiges Thema bei der Zerspanung im Kleinstsektor ist die Versorgung mit Kühlschmierstoff. Zu viel Medium bedeutet aufwendiges nachgelagertes Bauteilreinigen, zu wenig oder keine Kühlung wiederum führen zu Qualitäts- und Produktivitätseinbussen.

Wenn dann auch noch das Handling einfach gestaltet sein muss, stösst die konventionelle Fertigung an ihre Grenzen. Je kleiner Werkzeug und Spannfutter sind, desto einfacher muss die Handhabung sein. Denn mit jeder Verkleinerung wird der Umgang mit externen Peripheriegeräten umständlicher und schwieriger. Mit der Schrumpf- oder der Spannzangentechnik dauert es zudem deutlich länger, bis die Werkzeuge einsatzbereit sind. Auch summieren sich bei mehrteiligen Aufbauten die einzelnen Abweichungen der Komponenten zu einer nicht unerheblichen Fehlerkette.

Mapal präsentiert auch in diesem Bereich eine additiv gefertigte Innovation: Spannfutter im Miniaturformat mit HSK-E25-Aufnahme, beispielsweise für die Direktspannung von Werkzeugen mit einem Durchmesser von 3 mm, die all die genannten Anforderungen erfüllen.

Kleinste Spannfutter mit besten Eigenschaften

Um die Rundlaufgenauigkeit zu garantieren, haben die Spanntechnikspezialisten innovative Spannkammersysteme in die neuen Spannfutter integriert, die sich an den Schaft des Werkzeuges anschmiegen. Zur Verdrängung von Mikroschmutz sind sie mit Schmutzrillen ausgestattet. Die geforderte Wuchtgüte wird dank innenliegender Wuchtgeometrien samt Stützstrukturen, die zudem für Optimierungen hinsichtlich Gewicht und Festigkeit sorgen, sichergestellt.

Dank der Additiven Fertigung ist es Mapal zudem gelungen, die Spannfutter für den Kleinstsektor mit dezentralen Kühlmittelaustritten auszustatten. Über Parameter wie Kühlmitteldruck, Einstellmass und Drehzahl sind diese Austritte so ausgelegt, dass sie den Kühlschmierstoff gezielt an die Wirkstelle befördern. Im besten Fall wird eine dosierte Verlustschmierung, die eine anschlies­sende Reinigung der Bauteile überflüssig macht, erreicht.

Einfachstes Handling ohne Peripheriegeräte

Die neuen Spannfutter von Mapal im Kleinformat ermöglichen einfaches und schnelles Spannen des Werkzeugs ohne hohe Rüstkosten oder teure Peripheriegeräte. Denn: Die Hydrodehnspannfutter werden über eine einfache Schraube betätigt.

Neue Möglichkeiten – nicht nur bei der Werkzeugspannung

Auch für die Spannung von Werkstücken bieten sich dank der kleinen Hydrodehnspannfutter neue Möglichkeiten. Beispielsweise bei der Spannung von Hüftgelenkkugeln. Hier kommt die Hydrodehn-Aussenspanntechnik zum Einsatz. Durch speziell geformte Spannkammern im Inneren des Futters sowie eine besondere Aussengeometrie werden die Kugeln sehr präzise und gleichzeitig schonend gespannt. Gerade in der Medizintechnik nehmen Themen wie die reproduzierbare Präzision einen enorm hohen Stellenwert ein. Und diese kann Mapal bei der Bearbeitung dank der Futter sicherstellen.

Eine weitere Möglichkeit, die die Additive Fertigung bietet, ist das «Eindrucken» eines Hydrodehn-Spannfutters, direkt in Sonderkombinationswerkzeuge. So ist es möglich, die positiven Eigenschaften der Hydrodehntechnologie, wie Dämpfung, einfaches Handling und Temperaturbeständigkeit, auch innerhalb eines Kombinationswerkzeugs als Schnittstelle zu nutzen. An der Realisierung neuer Möglichkeiten forscht Mapal intensiv. Und so werden auch weiterhin die Grenzen des bisher Denkbaren verschoben. SMM

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