Additiv gefertigte Bauteile gibt es mit nahezu beliebig komplexen Geometrien. Das hat den Vorteil, dass die Geometrie optimal auf den Einsatzzweck des Bauteils abgestimmt werden kann. Aufgrund der geringeren erreichbaren Fertigungsgenauigkeit und Oberflächenqualität bei der additiven Fertigung ist üblicherweise noch eine spanende Nachbearbeitung der Funktionsflächen notwendig. Allerdings ist das Einspannen der komplex geformten Bauteile eine Herausforderung. Konventionelle Spannsysteme sind oft nicht oder nur mit einem hohen Einrichtaufwand einsetzbar. Daher forscht das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover zusammen mit Lauscher Präzisionstechnik und dem Unternehmen Spreitzer an einem neuen Spannsystem.

Herausforderung: das Einspannen additiv gefertigter Bauteile

Additiv gefertigte Bauteile können so entworfen werden, dass sie eine optimale Ausnutzung des eingesetzten Werkstoffs erreichen. Sie sind dadurch – bei gleicher Steifigkeit, Lebensdauer und Funktion – deutlich leichter als konventionell gefertigte Bauteile. In Zeiten schwindender Ressourcen gewinnt dieser Vorteil an Bedeutung. In Kombination mit dem zunehmenden Preisverfall additiver Fertigungsverfahren hat sich in den vergangenen Jahren ein stetes Wachstum dieser Branche ergeben. Im Vergleich zu spanenden Fertigungsverfahren ist die mit additiven Verfahren erreichbare Form- und Lagegenauigkeit sowie die Oberflächenqualität jedoch weiterhin erheblich geringer. Deshalb ist eine spanende Nachbearbeitung der Funktionsflächen erforderlich. Doch das Einspannen der Bauteile ist eine Herausforderung. Typischerweise werden hierfür Formspannbacken mit einer spezifisch auf das Werkstück angepassten Geometrie genutzt. Für verschiedene Werkstücke müssen folglich spezifische Formspannbacken vorhanden sein – das wirkt sich nachteilig auf Nebenzeiten und Fertigungskosten aus. Ein weiterer Nachteil von Formspannbacken ist, dass die für das Einspannen verwendeten Spannflächen des Werkstücks nicht ohne Umspannen bearbeitet werden können; somit entsteht zusätzlicher Fertigungsaufwand.

Im Rahmen des geförderten Forschungsprojekts "AllSpann" wird ein neuer Ansatz für die Einspannung additiv gefertigter Bauteile entwickelt. Im Projekt wird der Einsatz mehrerer flexibler Stößelspannbacken erforscht. Diese Backen spannen das Werkstück von mehreren Seiten ein und können vor- und zurückgefahren werden. Die Idee dabei: Die Spannbacken fahren bei Annährung des Werkzeugs automatisch zurück und geben die zu bearbeitende Werkstückoberfläche frei. Durch den Einsatz von mindestens vier Spannbacken ist auch nach dem Rückzug einer Spannbacke noch immer ein sicheres Einspannen durch die verbleibenden drei Spannbacken gewährleistet. Größter Vorteil des Systems ist, dass Nebenzeiten reduziert werden.

Flexible Spannbacke mit automatischer Werkstückfreigabe

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde ein erster Prototyp der flexiblen Spannbacke entwickelt. Er hat formflexible Spannflächen, die auf einzelnen Spannstiften basieren und die Kontur des Werkstücks abprägen. Die Stifte der Spannbacken können nach dem Abprägen der Kontur geklemmt werden, um die bei der spanenden Bearbeitung auftretenden Kräfte aufnehmen zu können. Die Spannbacke ist außerdem mit einer Linearvorschubeinheit versehen, die einen Rückzugsweg von 35 mm ermöglicht, sodass die Spannflächen für die Bearbeitung freigegeben werden können. Die Vorschubeinheit basiert auf einem Servomotor vom Typ Harmonic Drive FHA-11C-50-D200 mit integriertem Getriebe und einem selbsthemmenden Spindelantrieb. Durch die Kombination des Servomotors mit der Spindel sind hohe Vorschub- und damit auch hohe Spannkräfte bis 3 kN realisierbar.