Kreative Sonderspanntechnik additiv gefertigt


Auf Basis eines Standard-Spannfutters für Zylinderschäfte realisierte MAPAL für den Kunden VAT ein Sonderspannfutter mit integriertem Luftkühlsystem zur Aufnahme eines Werkzeugs zum Reibschweissen.

Aufbau des integrierten Kühlkanalsystems, das auf den Standardschaft SK40 aufmodelliert ist.

Für jede Anwendung die optimale Spannung – unter diesem Slogan setzt der Werkzeuge- und Spanntechnik-Spezialist MAPAL Dr. Kress KG in Aalen (Deutschland), seine Philosophie der umfassenden Systemlösungskompetenz für anspruchsvolle Zerspanungsaufgaben auch «spanntechnisch» in die Praxis um. Ausgehend davon, dass der Kunde seine Bearbeitungsaufgaben nur dann produktiv sowie qualitativ und wirtschaftlich erledigen kann, wenn das Werkzeug und das Spannsystem eine homogene Einheit bilden, bietet MAPAL folgerichtig buchstäblich alles, was ein leistungsfähiges Tool ausmacht. Doch damit nicht genug, denn MAPAL verfügt zum einen über ein breites Standardprogramm an Zerspanungswerkzeugen und Spannfuttern unterschiedlichster Ausprägungen, nimmt jedoch zum anderen speziell im Segment Sonderwerkzeuge weltweit eine herausragende Position ein. Und gerade hier kommen die durchgängige Kompetenz und das Know-how für die Entwicklung, Konstruktion und Fertigung von oftmals kombinierten Bohr-/Senk-/Anfas-/Fräs-Werkzeugen inklusive passgenauer Spanntechnik für den prozesssicheren Einsatz zum Tragen. Dabei scheuen die Ingenieure und Anwendungstechniker auch nicht vor kniffligen Herausforderungen zurück, wie das folgende Beispiel aus der Verfahrenstechnik und hier aus dem Armaturen- und Anlagenbau zeigt. Genau genommen geht es um die Entwicklung und Herstellung sowie den Service von Vakuumventilen und hier zählt das Unternehmen VAT Vakuumventile AG in Haag zu den globalen Marktführern. VAT befasst sich seit mehr als 50 Jahren sehr erfolgreich mit Vakuumventilen und liefert solche in Baugrössen ab wenigen mm und bis zu 6 m Bauhöhe. Die Kunden kommen aus Hightech-Segmenten wie Halbleiter-Produktion (Semiconductor), Display & Solartechnik (Paneels, Solar-/ Photovoltaik-Module), Dünnschicht-Technologie (Glas- und Werkzeug-/ Schneidstoff-Beschichtung) sowie Anwendern von Industrievakuum. Weltweit rund 1300 Mitarbeitende erwirtschaften an drei Produktionsstandorten in der Schweiz, in Rumänien und in Malaysia sowie an global verteilten Vertriebs- und Servicestützpunkten einen Umsatz von mehr als 500 Millionen Franken.

Das Reibschweisswerkzeug und darunter eine mittels Reibschweisstechnologie hergestellte, vakuumdichte Verbindungsnaht zwischen zwei Aluminium-Bauteilen für Vakuumventile.

Dicht, dichter, am dichtesten
Am Stammhaus in Haag im Rheintal sind gut 900 Spezialisten beschäftigt, unter anderem auch mit der Fertigung von Schlüsselkomponenten für die unterschiedlichsten Vakuumventile. «Fertigung» ist in dem Fall aber keineswegs «nur» Präzisionsfertigung, sondern birgt in der Praxis deutlich höhere Anforderungen an Präzision und Planflächigkeit und damit die Bearbeitungsqualität. Aus diesem Grund gibt es hier auch eine Abteilung Materials & Manufacturing Technology, welche die hehre Aufgabe hat, relevante adäquate sprich für den Einsatz unter Hochvakuum geeignete Materialien und die Bearbeitungsverfahren dafür zu evaluieren sowie am Ende in die betriebliche Praxis zu überführen. Klaus Albrecht, Manager Production Technology bei VAT, führte dazu aus: «Dicht, dichter, am Dichtesten, vakuumdicht – so ungefähr lautet die Steigerung, wenn es um die Ober- oder Dichtflächengüte der Komponenten und Baugruppen für Vakuumventile oder auch um thermisches Fügen/Verbinden von Teilen zu Baugruppen geht. So ist zum Beispiel vakuumdichtes Fügen mit den bekannten thermischen Löt-/Hartlöt- oder Gas-/ Schutzgas-Schweissverfahren nicht möglich, weshalb wir auf die Rührreibschweiss-Technologie (FSW Friction Stir Welding) setzen. Dieses Verfahren hat viele Vorteile, stellt uns aber prozesstechnisch vor grössere Herausforderungen, nämlich die sehr starke Wärmeentwicklung des Werkzeugs und damit auch die Werkzeugaufnahme sowie die Maschinenspindel betreffend. Herkömmliches Wasser- oder Emulsionskühlen der Spindel und des Werkzeugsystems und der Spindel ist schwierig, weil dadurch die Prozessstabilität sowie der Prozessverlauf beeinträchtigt werden. Ideal wäre eine kontinuierliche Luftkühlung, aber so etwas gibt oder gab es leider nicht käuflich zu erwerben.» Das Problem liess Klaus Albrecht und seine Kollegen einfach nicht ruhen, und als wieder einmal ein Besuch von Kurt Jakob, Technischer Berater von MAPAL im Schweizer Aussendienst, anstand, kamen sie über die Diskussion zum Thema AM Additive Manufacturing von Werkzeughaltern usw. im Hause MAPAL auf besagte Technologie zu sprechen.

Das quasi in Monoblock-Bauweise
gefertigte Sonderspannfutter SK40,
bestehend aus einem Standardspannfutter SK40 und dem per Additive Manufacturing
aufmodellierten Kühlkörper; über die Inbusschraube lässt sich der Kühlluftstrom feinfühlig regeln.

Additive Manufacturing
Aus der spannenden Diskussion entwickelte VAT ein Anforderungsprofil, und mit diesem machten sich Kurt Jakob und die Spanntechnik-Anwendungsspezialisten in der MAPAL-Zentrale in Aalen an die Entwicklungs- und Konstruktionsarbeit. Der Machbarkeitsstudie folgte der Auftrag seitens VAT/Klaus Albrecht für einen Prototypen, und dieser wurde per Additive Manufacturing-Verfahren auf Basis eines SK40-Standard-Spannfutters für die Aufnahme von Zylinderschaftwerkzeugen gefertigt. Dazu sagte Kurt Jakob: «Wir haben direkt auf den Spannfutter-Grundkörper einen Aufsatz mit innenliegendem Kühlkanalsystem und mit Weldon-Aufnahme modelliert, sodass am Ende ein Monoblock-Werkzeug entstand. Die Luftzufuhr erfolgt intern über die Spindel und ausserdem weist der Kühlkanalaufsatz eine Drossel auf, mit welcher der Luftdurchsatz von aussen sehr feinfühlig reguliert werden kann. Bereits der erste Praxisversuch konnten bei VAT voll überzeugen, sodass wir anschliessend weitere Sonderspanner in den Baugrössen HSK-A63 und HKS-A100 produzierten.» Damit ist VAT jetzt in der Lage, auf universellen CNC-Bearbeitungszentren an unterschiedlichsten Werkstücken und vor allen Dingen bedarfsfl exibel perfekte Rührreibschweissverbindungen herzustellen. Das rotierende Werkzeug ist über das Spannfutter in der Maschinenspindel aufgenommen, wird in das Material eingetaucht und anschliessend zwischen den beiden zu fügenden (Aluminium-) Werkstücken verfahren. Der Fügeprozess fi ndet bei zwar hohen Temperaturen, die jedoch unterhalb des Schmelzpunktes liegen, durch Plastifi zierung des Materials statt. Beim Abkühlen bildet sich dann eine feste und in dem Fall vor allem absolut vakuumdichte Verbindung zwischen den Bauteilen.

Das Sonderspannfutter mit Zylinderschaft-/
Weldonaufnahme mit den beiden Spannschrauben zum Positionieren und Fixieren des jeweiligen Reibschweisswerkzeugs.

Fazit
Abschliessendes Statement von Klaus Albrecht zum erfolgreich realisierten Projekt: «In den fast 30 Jahren, die ich MAPAL persönlich kenne, und in der mittlerweile auch mehrere Jahre andauernden Zusammenarbeit zwischen VAT und MAPAL, wurde so manches zerspanungs- und in dem Fall auch spanntechnische Problem professionell angegangen und gelöst. Durch den innovativen Einsatz der Additive Manufacturing-Technologie ergeben sich für uns als wirklich anspruchsvollen Kunden neue Lösungsansätze in der mechanischen Fertigung. Mit der Möglichkeit des Reibschweissens auf einem herkömmlichen CNC-Bearbeitungszentrum sind wir viel fl exibler und müssen nicht in weitere Reibschweisskapazitäten investieren. Die kontinuierliche und regelbare Luftkühlung macht unsere Fügeprozesse beherrschbarer und stabiler und wir bekommen eine reproduzierbare Verbindungsqualität in vakuumdichter Ausführung.»

Thomas Brosch, Redaktion Maschinenbau



Community Führer Maschinen-, Metall, Elektro- und Elektronikindustrie der Schweiz 31 / 2017