In dieser Bachelorarbeit, die in Zusammenarbeit mit e-gnition Hamburg, dem Formula Student Team der TUHH erstellt wurde, geht es um die spanende Nachbearbeitung von additiv gefertigten Bremssätteln und wie diese in einem 5-Achs-Bearbeitungszentrum aufgabengerecht gespannt werden können.

Nachdem die angewendeten Fertigungsverfahren, wie die spanende Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide und das SLM-Verfahren, und verschiedene Spanntechniken für Fräs- und 3D-Druck-Maschinen eingeführt werden, wird im Stand der Technik darüber hinaus die Vermessung additiv gefertigter Bauteile betrachtet. Die Konzeptfindung und Konstruktion erfolgt nach der VDI-Richtlinie 2221 mit einer Anforderungsliste, einem morphologischen Kasten und einer abschließenden Bewertung mittels gewichteter Faktoren. Dabei werden 2 Konzepte herausgearbeitet, die das Spannen mit angedruckten Spannlaschen und das Erzeugen von parallelen Spannflächen im Bauteil gegenüberstellen. Für das gewählte Konzept wird anschließend die passende Spanneinheit konstruiert und gefertigt, sodass zunächst mehrere Prototypen gedruckt und nachbearbeitet werden können.

Die Topologieoptimierung zum Design der Bremssättel ist nicht zentraler Bestandteil der Arbeit und wird dementsprechend nur der Vollständigkeit halber erklärt, doch die Auswirkungen, die das gewählte Spannkonzept schon auf die Optimierung hat, werden berücksichtigt. Für das gewählte Konzept waren die Auswirkungen gering, doch für einen erfolgreichen Fertigungsprozess sind diese frühen Anpassungen unbedingt notwendig. Abhängig vom gewählten Spannkonzept muss für die Nachbearbeitung das Bauteil mit einem 3D-Scanner eingescannt und mit dem CAD Modell verglichen werden. Außerdem wird das CAD Modell an die reale Positionierung in der Spanneinheit angepasst, damit eine präzise und realitätsgetreue Erzeugung der Werkzeugpfads in CAM erfolgen kann.

Der beschriebene Prozess wurde abschließend mit Prototypen aus Polyurethan, PLA und Aluminium durchgeführt und validiert, indem der Bremssattel auf seine Dichtigkeit und Funktionsweise getestet wurde.

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Stand der Wissenschaft und Technik
2.1 Spanende Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide
2.2 Additive Fertigung: Selective Laser Melting (SLM)
2.3 Spanntechnik
2.3.1 Fräsmaschinen
2.3.2 AdditivgefertigteBauteile
2.4 Vermessung von additiv gefertigten Bauteilen
2.5 Herausforderungen bei der spanenden Nachbearbeitung additiv gefertigter metallischer Bauteile
2.6 VDI-Richtlinie
2.7 ZielsetzungundVorgehensweise

3 Entwicklung und Fertigung der Spanneinheit
3.1 Konzeptfindung nach VDI-Richtlinie
3.1.1 Erstellung einer Anforderungsliste
3.1.2 Erstellung eines morphologischen Kastens
3.1.3 Auswertung mittels gewichteter Faktoren
3.2 KonstruktionundFertigung

4 Topologie-Optimierung der Bauteile unter Beachtung des Spannkonzeptes
4.1 Anpassung der Topolgieoptimierung
4.2 Festlegung der zu zerspanenden Flächen des Bauteils

5 Vermessung und Ableitung der CAD Baugruppe
5.1 AusrichtungdesBauteils
5.1.1 AlternativeAusrichtungmittelsKoordinatentransformation
5.2 Verzugsdetektion aufgrund freigesetzter Eigenspannungen

6 Prozessdurchlauf mit einem Prototypen
6.1 Spanende Nachbearbeitung
6.2 Validierung des Prozessdurchlaufs

7 Bewertung und Interpretation des Spannkonzeptes

8 Zusammenfassung und Ausblick

Literatur

Anhang

A Anhang
A.1 Morphologischer Kasten
A.2 Technische Zeichnungen der Spanneinheit
A.3 Technische Zeichnungen der Bauteile

1 Einleitung

Im Rahmen der Formula Student, dem größten Ingenieurswettbewerb der Welt, konstruiert, designt, fertigt und testet e-gnition Hamburg e.V., das Formula Student Team der Technischen Universität Hamburg, seit 2011 jedes Jahr einen neuen elektrischen Rennwagen.

Der aktuelle Rennwagen, der egn23, ist in Abbildung 1.1 bei der Formula Student Austria auf dem RedBull-Ring dargestellt. Dieser muss sich im Rahmen der Formula Student Events auf einigen Formel 1 Rennstrecken in Europa, wie dem Redbull-Ring oder Hockenheimring gegen internationale Teams beweisen. Dazu gehören vier dynamische Disziplinen, wie z.B. das 22km Ausdauerrennen, in denen die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit des Autos auf die Probe gestellt wird. Darüber hinaus muss sich jedes Team in den drei statischen Disziplinen Business Plan Präsentation, Kosten- und Fertigungskalkulation und Engineering Design einer Jury stellen und die Design Entscheidungen verteidigen [e-g24]. Das Ziel des Wettbewerbs ist, dass Studierende ohne professionelle Hilfe so viel wie möglich selbst entwickeln, konstruieren und fertigen.

Bei e-gnition Hamburg arbeiten knapp 70 Studierende neben dem Studium den kompletten Zyklus der Produktentwicklung innerhalb eines Jahres durch, von der Konzeption über Fertigung und Zusammenbau bis zum Testen vor und auf den Events. Die Mitglieder teilen sich dabei auf sechs technische Abteilungen und die Marketing Abteilung auf. Zu den technischen Abteilungen gehören Elektronik, Embedded Software, Driverless Software, Chassis, Aerodynamik und Fahrwerk. In allen Abteilungen werden die Konzepte jedes Jahr weiterentwickelt, wobei der übergeordnete Kurs von den Leitungspositionen im Kernteam vorgegeben wird.

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Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1: Der egn23 bei der Formula Student Austria (FSA) [©Suhk]

Um im Motorsport allgemein eine möglichst gute Platzierung zu erreichen, ist eine Möglichkeit in allen Bereichen das Gewicht zu minimieren. Dabei darf jedoch die mechanische und elektronische Zuverlässigkeit nicht beeinträchtigt werden, sodass es nicht zu Ausfällen kommen kann und das Potential des Rennwagens in allen Disziplinen optimal abgerufen werden kann.

Im Fall der metallischen Strukturbauteile zum Beispiel wird dementsprechend auf Leichtbau geachtet. In den dortigen Lastfällen und Abmaßen sind Werkstoffe wie Aluminium oder Titan gegenüber Stahl durch ihre geringere Dichte häufig vorteilhaft. Mittels additiver Fertigungsverfahren, wie dem selektiven Laserschmelzen, lassen sich weitere Gewichtseinsparungen durch eine hohe Formfreiheit erzielen. Die Verringerung des Gewichts durch die additive Fertigung liegt daran, dass topologieoptimierte Geometrien hergestellt werden können, die Material gezielt an den Stellen aufweisen, die den größten Einfluss auf die Steifigkeit ausüben.

Einige Systeme des Rennwagens sind für die Sicherheit des Fahrers, des Teams und der Zuschauer zwingend erforderlich. Besonders bei diesen Bauteilen muss eine optimale Balance zwischen möglichst geringem Gewicht durch niedrige Sicherheitsfaktoren und Zuverlässigkeit durch Überdimensionierung gefunden werden. Zu diesen sicherheitskritischen Systemen gehört das Bremssystem, welches laut Regelwerk aus zwei getrennten hydraulischen Kreisläufen mit einem Sattel pro Rad bestehen muss [For24]. In den meisten Fällen werden die beiden Kreisläufe nach vorne und hinten aufgeteilt, wobei auch andere Kombinationen möglich wären, die Auswirkungen auf das Fahrverhalten haben [Trz14].

Nachdem wegen der Corona-Pandemie im Jahr 2021 kein neuer Rennwagen gebaut wurde, war der egn22 durch die längere Entwicklungszeit im Jahr 2022 voller neuer Konzepte. Eine der größeren Änderungen war der Wechsel von 13 Zoll zu 10 Zoll Reifen, wobei die Radnabenmotoren mit dem Planetengetriebe und den Radlagern erhalten blieben. Außerdem rückten die Motoren weiter in die Felge, um weniger Luftverwirbelungen für die Aerodynamik zu erzeugen. In Abbildung 1.2 ist der verfügbare Bauraum des Bremssattels zu sehen, der sich in dem Kreisring zwischen dem Innenradius der Felge R ext und dem Außendurchmesser der verfügbaren Kugellager R in befindet. Durch diese strengen Vorgaben des Bauraums gibt es keine passenden Zukauflösungen mehr und die Bremssättel müssen

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

selber entwickelt und gefertigt werden.

Abbildung 1.2: CAD Modell der Radbaugruppe des egn22

Mit dem übergeordneten Ziel der Gewichtsersparnis in allen Bereichen für den egn24, werden die Bremsen aus dem egn23 weiterentwickelt. Diese wurden aus Aluminium 7075 gefräst und hatten jeweils 4 Kolben vorne und hinten, sodass das Design einfach gehalten und wenig auf Gewichtsersparnis geachtet wurde.

Für den egn24 wurde die Anzahl der Kolben hinten von 4 auf 2 reduziert und entschieden, die Halbzeuge der Bremssättel aus Aluminium additiv zu fertigen. Durch die Verwendung der additiven Fertigung soll das Gewicht der Bremssättel für den egn24 signifikant gesenkt werden.

Aufgrund hoher Toleranzanforderungen an die Bauteile, die in der additiven Fertigung nicht erreicht werden können, ist eine spanende Nachbearbeitung der relevanten Flächen unumgänglich, um essentielle Funktionalitäten, wie z.B. Dichtigkeit und Bedienbarkeit eines Bremssattels zu gewährleisten.

Die spanende Nachbearbeitung additiv gefertigter Halbzeuge bringt dabei einige neue Herausforderungen im Vergleich zur Zerspanung herkömmlicher Halbzeuge mit sich. Eine Herausforderung stellt die korrekte spanende Nachbearbeitung der Bauteile dar, in der die nötigen Toleranzen trotz der nachgiebigen Struktur des Bauteils erreicht werden müssen. Darüber hinaus können in den additiv gefertigten Bauteilen Eigenspannungen durch Wärmeverzug während des Drucks vorhanden sein, die die Qualität der Oberflächengüte und Toleranzen nach der Zerspanung negativ beeinflussen. Dies kann durch ein detailliertes, dreidimensionales Vermessen der Bauteile nach jedem Fertigungsabschnitt sowie einem Vergleich mit dem CAD Modell und des Zustands vor und nach der spanenden Bearbeitung dokumentiert werden.

Eine weitere Herausforderung stellt das aufgabengerechte Spannen der Halbzeuge dar, die aufgrund ihrer Herstellungsweise weniger geeignete Flächen zum Spannen aufweisen. Diese Herausforderung kann durch eine vollumfängliche Betrachtung des gesamten Fertigungsablaufs, vom additiven Auftragen bis zur spanenden Nachbearbeitung, während der Designphase des Bauteils einfach bewältigt werden, indem das Spannkonzept dort bereits in die Konzepte und Konstruktion des Bauteils einfließen kann. Durch das 3D-Vermessen der Bauteile kann eine genaue Ausrichtung im Zuge des Spannens der additiv gefertigten Bauteile erreicht werden.

Das Ziel dieser Bachelorarbeit ist somit die Entwicklung eines Konzeptes, sowie die Konstruktion und anschließende Fertigung einer Spanneinheit zum Spannen additiver gefertiger Bremssättel für ein Formula Student Fahrzeug und darüber hinaus die Eignung der Konstruktion anhand eines kompletten Prozessdurchlaufs mit einem Prototypen zu validieren.

2 Stand der Wissenschaft und Technik

2.1 Spanende Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide

Nach DIN 8589 wird das Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide dem Trennen zugeordnet und beinhaltet das Fräsen, Bohren und Drehen [DINa]. Grundsätzlich wird bei diesen Verfahren Material in Form von Spänen durch die Schneiden eines Werkzeugs von einem Werkstück entfernt. Dies wird in zwei Bearbeitungsschritten durchgeführt, dem Schruppen und anschließendem Schlichten. Während beim Schruppen die Bauteilkontur grob dem finalen Aussehen durch ein hohes Zeitspanvolumen angenähert wird, ist das Schlichten dazu da, um die Maßhaltigkeit durch den Abtrag von geringem Materialvolumen herzustellen.

Im Verlauf dieser Arbeit kommen das Fräsen, Bohren, Gewinden und Reiben zum Einsatz, sodass diese nachfolgend eingeführt werden.

2.1.1 Fräsen

Das Fräsen kennzeichnet sich nach DIN 8589-3 durch eine kreisförmige Schnittbewegung mit einem meist mehrzahnigen Werkzeug. Dabei ist das Werkstück fest fixiert, während das Werkzeug die Schnittbewegung ausführt [DINc].

Die Fräsverfahren teilen sich, wie in Abbildung 2.1 dargestellt ist, in Plan-, Rund-, Schraub-, Wälz-, Profil- und Formfräsen auf. Je nach Werkzeugeingriff wird dabei zwischen Umfangs-, Stirn-, oder Stirn-Umfangsfräsen unterschieden (vgl. Abbildung 2.1 a)) [Klo08].

Abhängig von der Drehrichtung des Fräsers und der Bewegung des Werkstücks unterscheidet man außerdem zwischen dem Gleichlauf- und Gegenlauffräsen, wie in Abbildung 2.2 dargestellt ist.

In der Abbildung 2.2 ist die Vorschubgeschwindigkeit v f gegeben, die in der Regel durch die Bewegung des Werkzeugs entsteht, wenn das Werkstück fest ist. Der Vorschub bezeichnet die Bewegung inklusive Richtung und Geschwindigkeit, mit der sich Werkzeug und Werkstück relativ zueinander bewegen, sodass das Werkzeug einen Eingriff in das Werkstück erreicht.

Beim Gleichlauffräsen in Teil a) der Abbildung 2.1 sind die Drehrichtung der Fräsers und die Bewegung des Werkstücks gleichgerichtet, sodass der Span hinter das Werkzeug transportiert wird. Beim Gegenlauffräsen in Teil b) sind die beiden Bewegungen entgegengerichtet, sodass an der oberen Kante des Werkstücks beim Verlassen des Zahns aus dem Material ein Grat entsteht.

Für die Bearbeitung des Bauteils in dieser Arbeit kommen das Plan-, Schraub- und Profilfräsen zum Einsatz.

Beim Planfräsen wird mit einem geradlinigen Vorschub eine ebene Fläche erzeugt. Die

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Übersicht über die Fräsverfahren [Nach DIN 8589-3]

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Übersicht über den Werkzeugeingriff beim Fräsen [Klo08]

Arten des Werkzeugeingriffs sind dabei in Teil a) der Abbildung 2.1 dargestellt. Dort kann man erkennen, dass beim Stirnfräsen mit der Stirnseite des Werkzeugs Material entfernt wird und beim Umfangsfräsen mit der Außenseite. Die letzte Möglichkeit ist eine Kombination der beiden genannten Arten, sodass das Werkzeug sowohl mit der Stirn- als auch mit der Außenseite gleichzeitig Material entfernt [Fri10]. Für jedes Verfahren gibt es spezielle Werkzeuge. Dort wo die Schneide des Werkzeugs das Werkstück verlässt entsteht ein Grat, indem das Material an der Schnittkante nicht sauber getrennt, sondern verformt wird.

Das Schraubfräsen wird häufig zur Fertigung von Gewinden oder Zylinderschnecken eingesetzt und funktioniert durch eine gleichzeitige Dreh- und Translationsbewegung des Werkstücks, während das Werkzeug eine Drehbewegung vollzieht (siehe Teil b) Abbildung 2.1).

Beim Profilfräsen wird mit Formwerkzeugen eine profilierte Fläche, wie z.B. eine Nut oder ein Radius erzeugt. Dies erfolgt in den meisten Fällen als Stirn-Umfangsfräsen und kann ja nach Vorschubrichtung in gerader oder rotationssymmetrischer Form erzeugt werden [Fri10]. In Teil c) der Abbildung 2.1 ist das Verfahren in gerader Form gezeigt. Zum Profilfräsen gehört darüber hinaus auch das Zirkularfräsen, wo mit kreisförmiger Vorschubbewegung um die Werkzeugachse spiralförmig Material abgetragen wird. Aus diesem Grund eignet sich das Zirkularfräsen zum einen zur Herstellung von Bohrungen, in denen klassische Bohrer nicht eingesetzt werden können, z.B. weil keine Spitze zu sehen sein soll, oder zum anderen für das flexible Fertigen von Gewinden [Fri10].

2.1.2 Bohren

Das Bohren wird nach DIN 8589-2 als Spanen mit kreisförmiger Schnittbewegung definiert, bei dem die Drehachse des Werkzeuges und die Vorschubbewegung in einer Linie verlaufen und die Achse der zu erzeugenden Innenfläche dazu identisch ist [DINb].

Abbildung 2.3 zeigt in Teil a) das Rundbohren ins Volle, wobei mit dem Werkzeug ohne Vorbohren in den Werkstückstoff gebohrt wird. Im Gegensatz dazu bezeichnet das Aufbohren in Teil b) der Abbildung 2.3 die Bohrverfahren zur Vergrößerung einer bereits vorhandenen Bohrung durch Vorbohren oder additive Fertigung [Fri10].

2.1.3 Gewindebohren

Das Gewindebohren oder Schraubbohren, das in Abbildung 2.3 c) dargestellt ist, bezeichnet nach DIN 8589-2 das Bohren mit einem Schraubprofil-Werkzeug, z.B. einem Gewindebohrer, in ein vorhandenes oder vorgebohrtes Loch zur Erzeugung von Innenschraubflächen oder einem Innengewinde [DINb]. Es kann entweder mit einer Handbohrmaschine, Fräsmaschine oder manuell mit der Hand umgesetzt werden.

Die Fertigung eines Außengewindes erfolgt durch das Gewindeschneiden mit einem Schneideisen, welches wegen der Verwandschaft mit dem Gewindestrehlen beim Fertigungsverfahren Drehen eingeordnet wird und darüber hinaus in dieser Arbeit keine Anwendung findet [DINb].

2.1.4 Reiben

Nach DIN 8589-2 wird das Reiben als Aufbohren mit geringer Spandicke zur Erzeugung von maß- und formgenauen Passungen mit hoher Oberflächengüte in zylindrischen Bohrungen definiert [DINb]. Abbildung 2.3 zeigt in Teil d) das Reiben mit einer Maschinenreibahle, was dem mehrschneidigen Reiben zugeordnet wird [Fri10]. Die dazu verwendeten Reibahle werden in bestimmten Durchmessern mit ausgewählten Toleranzen hergestellt und können dann diese spezielle Toleranz für den bestimmten Durchmesser fertigen.

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Übersicht über die Bohr-, Senk- und Reibverfahren [Nach DIN 8589-2]

2.2 Additive Fertigung: Selective Laser Melting (SLM)

Die additive Fertigung ist nach DIN 52900 dem Urformen zugeordnet und beschreibt allgemein Technologien, in denen Materialien sukzessive miteinander verbunden werden, um Bauteile nach den Vorgaben von 3D Modellen herzustellen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Fertigungsmethoden, in denen die Bauteile subtraktiv und umformend hergestellt werden, erfolgt der Prozess bei der additiven Fertigung mit dem schichtweisen Aufbau des Bauteils. Abschließend müssen häufig die Stützstrukturen manuell entfernt und das Bauteil von überbleibendem Pulver gereinigt werden [DINd]. Das Selective Laser Metling (SLM) Verfahren ist ein Beispiel für ein Verfahren zur additiven Fertigung [DINd]. Dort kann Metallpulver wie Edelstahl, Aluminium- oder Titanlegierungen ohne Zusätze für das Verfahren verwendet werden [Pop05].

Beim SLM Verfahren werden die Bauteile schichtweise im Pulverbett aufgebaut. Das bedeutet, dass zunächst eine dünne Schicht des Metallpulvers auf der Druckplatte verteilt wird und anschließend ein Laser die Körner gezielt erhitzt. Durch das Aufschmelzen der aufgetragenen Pulverschicht und das Anschmelzen der darunterliegenden bereits erstarrten Schicht ensteht eine schmelzmetallurgische Verbindung, sodass bei der richtigen Wahl der Verfahrensparameter eine Bauteildichte von nahezu 100 Prozent erreicht werden kann [Pop05]. Außerdem weisen SLM Bauteile im Gegensatz zu den metallischen Sinterwerkstoffen mechanische Eigenschaften auf, die mit den gegossenen Bauteilen aus dem gleichen Werkstoff vergleichbar sind [Pop05].

Durch den hohen Energieeintrag beim Aufschmelzen und das Abkühlen danach kann es bei der additiven Fertigung zu Verzügen und Eigenspannungen im Bauteil kommen, die eine Nachbearbeitung erfordern. Zudem entsteht durch die einzelnen überlappenden Spuren die vom Schweißen bekannte Schuppenstruktur und damit keine einheitliche und glatte Oberfläche [Pop05]. Auf Grund der hohen Anlagekosten und niedrigen Aufbaugeschwindigkeit eignet sich das Verfahren momentan für die Prototypenfertigung und weniger für die Serienfertigung. Zudem sind die Prozessgüte und Reproduzierbarkeit noch nicht ausreichend gesichert, sodass eine anschließende Qualitätsprüfung unerlässlich ist. Die Bauteilgröße ist abhängig vom Druckbett des verwendeten Druckers und bei Bauteilen mit großem Volumen steigt die Druckzeit und der Energieaufwand stark an [Ric19].

2.3 Spanntechnik

2.3.1 Fräsmaschinen

Das korrekte Spannen des Werkstücks und des Werkzeugs sind die Grundlage einer sicheren und präzisen spanenden Bearbeitung. Da es sich bei der Spanntechnik um ein weit verbreitetes Thema handelt, welches schon lange vorhanden und dementsprechend sehr weit entwickelt ist, gibt es für das Spannen von Werkzeugen bereits gute Lösungen. Durch die additiv gefertigten Halbzeuge eröffnen sich neue Herausforderungen in der Spanntechnik der Werkstücke, für die noch keine allgemein anerkannte Lösung bereit steht.

Ein sich frei im Raum befindliches Objekt hat insgesamt 6 Freiheitsgrade, die drei Translationen x, y, z und die Rotationen um die jeweiligen Achsen. Mit dem Positionieren und Ausrichten ist im Fall des Spannens des Werkstücks gemeint, diese 6 Freiheitsgrade zu beschränken.

Eine Möglichkeit dazu ist die 3-2-1 Regel, die besagt, die Freiheitsgrade des Bauteils sukzessiv zu entziehen. Dabei werden erst drei, dann zwei und dann der letzte Freiheitsgrad entzogen, wobei die Reihenfolge der Raumrichtungen beliebig vertauscht werden können [Boh13].

Abbildung 2.4 zeigt das Bezugssystem bestehend aus drei senkrechten Ebenen. Die erste Ebene wird durch drei Punkte aufgespannt, was drei fixierten Freiheitsgraden in drei Punkten des Bauteils beim Spannen entspricht. Im nächsten Schritt wird das Bauteil an zwei weiteren Punkten an einer anderen Seite fixiert und zuletzt in einem letzten Punkt, der den letzten Freiheitsgrad sperrt. Wie in der Abbildung gezeigt, müssen diese Punkte in verschiedenen Ebenen und darüber hinaus möglichst weit auseinander liegen, um kleine Fehler auszugleichen und für eine große Stabilität bei großen Bauteilen zu sorgen [Kle06]. Wenn diese Regel befolgt wird, ist ein Werkstück zuverlässig und positionsgenau gespannt.

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: Das senkrechte Bezugssystem nach der 3-2-1-Regel [Kle06]

Bei Beschränkung weniger Freiheitsgrade ist das Werkstück nicht fixiert, während die Gefahr besteht, Spannungen in das Werkstück einzubringen, wenn es noch an weiteren Stellen fixiert ist und damit überbestimmt wird.

Die Anforderungen an ein Spannsystem sind breit gefächert. Zum einen muss es eine hohe statische und dynamische Steifigkeit aufweisen, um die auftretenden Zerspanungskräfte aufzunehmen, Bauteilschwingungen zu dämpfen und die fixierte Lage zu halten. Zum anderen sollte es geringe Rüstzeit und Anschaffungskosten aufweisen, aber auch für ein möglichst großes Spektrum an Bauteilen eingesetzt werden können. Darüber hinaus sollte das Bauteil nicht durch Überbestimmung verspannt werden und gut zugänglich für das Werkzeug sein. Außerdem sollte neben der eindeutigen Positionierung auch eine hohe Wiederholungsgenauigkeit der Bearbeitung gegeben sein, wenn das Bauteil nicht erneut eingemessen werden soll [Deg19].

Um diese verschiedenen Anforderungen bestmöglich zu erfüllen, gibt es verschiedene Möglichkeiten, um ein Werkstück in einer Fräsmaschine zu spannen.

Grundsätzlich wird das Werkstück meist auf einer ebenen Fläche, dem Werkstücktisch, gespannt, welcher über T-Nuten oder Gewindebohrungen verfügt. Sollte dieser auch über Passungsbohrungen verfügen, ist damit auch eine präzise Ausrichtung möglich. Darüber hinaus gibt es verschiedene Spannmittel, die die Verbindung von Werkstück zu Werkstücktisch bilden. Im Folgenden werden verschiedene etablierte Werkstückspannsysteme für die Fräs- und Bohrbearbeitung vorgestellt:

- Schraubstock: Der Schraubstock oder Maschinenschraubstock ist eine bekannte Möglichkeit zum Spannen von Werkstücken in Fräs- oder Bohrmaschinen. Dort werden zwei Spannbacken über eine Spindel zusammen oder auseinander gedrückt und das Werkstück so festgehalten. Meist ist dabei eine Backe fest montiert, aber es gibt auch Doppel- oder Zentrischspanner, wo sich zwei Backen auf eine mittlere Backe zu bewegen, bzw. beide Backen zu einem Zentrum hin bewegt werden [mav21]. Da für das Aufspannen der primären Ebene nach der 3-2-1-Regel nur drei Punkte notwendig sind, kann es sein, dass das Bauteil in einem Schraubstock überbestimmt wird, wenn die Bauteilflächen nicht genau zur Grundfläche des Schraubstocks oder zu den Spannbacken parallel sind. Dann liegt das Spannmittel mit mehr als drei Punkten am Bauteil an und bringt es in die Form der Spannbacken, was Spannungen in dem Bauteil erzeugt.
Beim Schraubstock werden also im Idealfall drei Freiheitsgrade durch Formschluss blockiert aber die restlichen Bewegungen lediglich durch Kraftschluss, da idealerweise durch die Spannbacken die Primärebene in drei Punkten aufgespannt wird. Wenn Freiheitsgrade durch Kraftschluss statt Formschluss blockiert sind, sorgt das für eine Unsicherheit, da die Bearbeitungskräfte die Spannkräfte überwinden können, was zum Lösen des Werkstücks aus der Aufspannung führen kann. Trotzdem wird dies aus Zeit- und Kostengründen in den meisten Fällen in Kauf genommen, da die praktischen Vorteile das geringe Risiko überwiegen.
In den meisten Fällen sorgt das Spannen mit dem Schraubstock für Spannungen in dem Bauteil, da die Flächen der Spannbacken in mehr als drei Punkten an dem Bauteil anliegen.
- Spannpratzen: Mittels Spannpratzen können Werkstücke oder Vorrichtungen beliebig auf dem Werkstücktisch in der Maschine platziert und fixiert werden. Diese verwenden dazu die Gewindebohrungen in dem Tisch, wo ein Bolzen oder eine Schraube eingeschraubt und angezogen wird. Dazu wird ein kleiner Block ähnlicher Höhe wie das zu spannende Objekt unter dem anderen Ende der Spannpratze platziert und diese dann festgezogen.
Für die Verwendung von Spannpratzen sind mindestens zwei parallele Flächen notwendig, die jedoch dann eventuell nicht mehr zugänglich für die Maschinenbearbeitung sind. Meist werden mehrere Spannpratzen für ein Bauteil verwendet, die jedoch auf derselben Fläche spannen. Würde man drei Pratzen verwenden und das Bauteil nur an der drei gegenüberliegenden Punkten auf dem Werkstücktisch aufliegen, wären drei Freiheitsgrade formschlüssig gesperrt und die restlichen über Kraftschluss. In der Realität liegt das Bauteil jedoch in der Regel flächig auf dem Tisch, sodass auch mit drei Spannpratzen Spannungen in dem Bauteil erzeugt werden können.
- Nullpunktspannsystem: Um ergänzend zum sicheren Fixieren das Werkstück auch wiederholbar positionsgenau zu spannen, gibt es das Nullpunktspannsystem. Dies eignet sich vor allem bei der Bearbeitung mehrerer Werkstücke, da die nächsten Werkstücke schon außerhalb der Maschine auf dem Spannsystem eingerichtet und nach Abschluss des Programms einfach und schnell getauscht werden können, sodass die Maschine mit weniger Stillstand das nächste Programm fahren kann.
Für das Nullpunktspannsystem wird ein Referenzpunkt festgelegt. Es besteht aus einem Spannbolzen, der mit dem Bauteil verbunden ist (siehe Abbildung 2.5) und die Kraft übertragen und Stabilität gewährleisten muss [mav21]. Dieser Spannbolzen wird dann in ein Spannmodul eingespannt, welches in der Maschine platziert ist.
Das System kommt vor allem in der Serienfertigung zum Einsatz, wo große Stückzahlen eines Bauteils erzielt werden müssen, da derselbe Werkzeugpfad wiederholt werden kann. In der Fertigung von Einzelteilen bringt es keinen nennenswerten Vorteil.
- Das Spannfutter wird vorrangig auf Drehmaschinen eingesetzt, kann aber durchaus auch auf Fräsmaschinen zum Einsatz kommen. Dabei wird das Werkstück in den

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5: Das Nullpunktspannsystem an der Schnittstelle zum Bauteil [Kos18]

Spannkopf eingeführt und durch den Grundanschlag positioniert. Beim Festziehen des Spannfutters wird dann der Spannkopf in den Konus gezogen und zieht das Werkstück gegen den Grundanschlag, was zu einer steifen Verspannung führt, die Vibrationen reduziert und die Stabilität erhöht. Das Spannfutter gibt es als Dreibacken- und Vierbackenfutter, die gleichmäßig vieleckige Profile spannen können, deren Seitenanzahl durch drei oder vier teilbar sind [mav21].
Mit diesem Spannsystem können nur zylindrische Werkstücke gespannt werden, oder ein schiefes Werkstück wird durch den flächigen Kontakt mit dem Backenfutter gerade gezogen und somit verspannt. Es werden 4 Freiheitsgrade formschlüssig durch das Festziehen von drei Seiten gesperrt, doch die Translation in Richtung der Mittelachse und die Rotation um diese Achse werden kraftschlüssig gesperrt.
- Der Spanndorn wird zum Innenspannen von Werkstücken verwendet, die über eine keglige oder zylindrische Anlagefläche verfügen. Die Segmentspannbüchse wird dabei in das Werkstück eingeführt und wird in dem Spanndorn auf einen Konus gezogen, sodass diese sich weitet und somit am gesamten Durchmesser Kontakt mit dem Werkstück hat und es gegen den Grundanschlag zieht. Dies sorgt ebenfalls für Stabilität und verringert Vibrationen. [mav21]
- Die Spannzange bietet das Gegenstück zum Spanndorn, da diese das Werkstück über eine Außenfläche spannt. Hier wird die kegelförmige radial geschlitzte Hülse mit einer Überwurfmutter auf einen Konus gedrückt, sodass die Bohrung im Spannmittel gleichmäßig zusammengedrückt und das Werkstück festgehalten wird. Die Bohrung hat meistens einen runden Querschnitt, kann aber auch quadratisch oder sechseckig sein. [mav21]
Beim Spanndorn und -zange wird ebenfalls in zwei Schritten gespannt, indem das Werkstück eingesetzt und festgezogen wird. Ähnlich wie beim Spannfutter werden dadurch 4 Freiheitsgrade formschlüssig und die letzten beiden Freiheitsgrade der Rotation um die eigene Achse und Translation in Richtung der Achse durch Kraftschluss gesichert.

Die Auswahl des passenden Spannmittels ist von der Art der Bearbeitung und der Art des Werkstücks abhängig. Während Spannfutter, Spanndorn oder Spannzange vor allem bei einer Drehbearbeitung von runden Bauteilen zum Einsatz kommen, wird für die Fräsbearbeitung von nicht runden Bauteilen meistens der Schraubstock oder die Spannpratzen verwendet.

Für das Spannen sind generell entweder zylindrische, konische oder parallele Flächen am Werkstück notwendig, was bei normalen Halbzeugen und Bauteilen meistens kein Problem darstellt, da sie häufig in diesen Formen hergestellt werden. Bei Bauteilen aus der additiven Fertigung sind diese geraden Flächen durch die Freiheit im Design und in der Herstellung häufig nicht vorhanden, oder durch Wärmeverzug während der Herstellung nicht gut zum Spannen nutzbar, da sie dann nicht mehr parallel sind.

2.3.2 Additiv gefertigte Bauteile

Die Spanntechnik für additiv gefertigte Bauteile ist stark dadurch geprägt, dass die Bauteile sehr endkonturnah gefertigt werden. Sie bieten somit wenig Möglichkeiten zum Spannen, da im Gegensatz zu den subtraktiven Herstellungsverfahren wie dem Fräsen kein bis wenig Material am Bauteil vorhanden ist, welches in ein herkömmliches Spannmittel passt, weil die Endkonturen durch die Designfreiheit der additiven Fertigung häufig nicht zylindrisch, konisch oder parallel sind. Zudem sind die Strukturen meist sehr filigran, sodass das Bauteil durch die Spannkräfte verformt werden könnte, oder die für das Spannen vorgesehenen Flächen sind durch den Wärmeverzug beim Drucken nicht mehr passend für das Spannmittel [Deg19].

Diese Herausforderungen erfordern neue Möglichkeiten, um additiv gefertigte Bauteile zu spannen, die im Folgenden mit Hilfe von Abbildung 2.6 vorgestellt werden:

- formflexibles Spannsystem: Ein formflexibles Spannsystem ist in Abbildung 2.6 Teil a) dargestellt und besteht zum Beispiel aus zwei gegenüberliegenden Stößelfeldern, die sich der Kontur des Bauteils anpassen können. Danach ist die Funktionsweise ähnlich zu der eines Schraubstocks, da das Bauteil von zwei Seiten gehalten wird [Deg19].
Das formflexible Spannsystem ist zwar vielseitig einsetzbar und erfordert keine Anpassung des Bauteils, jedoch ist es relativ aufwändig herzustellen/ zu beschaffen und verdeckt oft einen Großteil des Bauteils, sodass eventuell zu bearbeitende Flächen nicht zugänglich sind und ein Umspannen erfordern.
- Spannlaschen: Das Andrucken von Spannlaschen ermöglicht eine vielseitige Verspannung in der passenden Vorrichtung. In Abbildung 2.6 Teil b) ist eine beispielhafte Konstruktion dargestellt, wo zu erkennen ist, dass die Schnittstelle von den Laschen zur Maschine durch eine spezielle Spanneinheit umgesetzt werden muss. Diese Laschen müssen jedoch in der Konstruktion berücksichtigt und nach dem Bearbeiten wieder entfernt werden. Nach dem Abtrennen der Laschen ist das Bauteil dann nicht mehr zu spannen [Deg19].
Angedruckte Spannlaschen sind einfach zu konstruieren und zu platzieren, erfordern dafür aber auch eine passende Vorrichtung, in der die Laschen an den richtigen Positionen aufgenommen werden können. Das Aussehen und die Platzierung der Laschen kann an das jeweilige Bauteil angepasst werden, doch in jedem Fall müssen die Laschen nach der Bearbeitung maschinell oder manuell entfernt werden, was eine nachträgliche Bearbeitung unmöglich macht. Die Positionierung der Laschen und das Design der Spanneinheit kann jedoch so gewählt werden, dass die zu zerspanenden Flächen für die Maschine gut zugänglich sind und in möglichst wenig Aufspannungen gearbeitet werden kann.
- Prägespannkanten: Statt der Spannlaschen können auch Prägespannkanten an das Bauteil konstruiert und gedruckt werden, die dann mit einem Schraubstock gespannt werden. Sie bieten so eine allgemeinere Schnittstelle als die Spannlaschen, für die eine passende Vorrichtung existieren muss [Deg19].
Als ähnliches Konzept wie die Spannlaschen haben die Prägespannkanten jedoch den
Vorteil, dass sie keine spezielle Vorrichtung benötigen, sondern mit einem normalen Schraubstock funktionieren. Sie haben jedoch ein größeres Volumen, was mehr Druckzeit und -kosten durch mehr Materialverbrauch bedeutet. Zusätzlich sind die Spannkanten schwerer an das Bauteildesign anzubinden, da sie durch die Größe mehr Kontaktfläche haben (Abbildung 2.6 Teil c)). Auch sie müssen nachträglich manuell oder maschinell entfernt werden und machen ein späteres Bearbeiten unmöglich.
- Konturspannbacken: Eine weitere Möglichkeit zum Spannen additiv gefertigter Bauteile bieten Konturspannbacken, die entweder gedruckt (Abbildung 2.6 Teil d)) oder gefräst (Abbildung 2.6 Teil e)) werden können, je nach Anforderungen an Lebensdauer und Festigkeit. Diese Spannbacken können dann jeweils in einem Schraubstock oder einem anderen passenden Standardspannmittel in der Maschine gespannt werden [Deg19].
Die Konturspannbacken sind sinnvoll für eine große Stückzahl an additiv gefertigten Bauteilen, die die gleiche Nachbearbeitung benötigen, da sich dann das Fertigen der Spannbacken eher rentiert als für Einzelteile. Der Nachteil ist jedoch, dass dabei potentielle nachzubearbeitende Flächen verdeckt werden oder nicht gut für die Maschine zu erreichen sind. Eine Verwendung von Aluminium als Material sorgt für höhere Kosten in der Herstellung, aber auch für eine höhere Lebensdauer und Festigkeit, während der Druck aus Kunststoff eine gute Dämpfung mit geringerer Haltbarkeit mit sich bringt [Deg19].
- parallele Spannflächen: Durch das Konstruieren von parallelen Flächen in dem Bauteil kann dieses auch direkt in den Schraubstock gespannt werden, sodass keine zusätzlichen Spannmittel oder Bearbeitungsschritte notwendig sind. Um die parallelen Spannflächen zu erzeugen, wird jedoch die Geometrie des Bauteils maßgeblich beeinflusst.
Der Vorteil der nicht benötigten Spanneinheit beinhaltet gewissermaßen den Nachteil, dass dafür ein großer Einfluss auf die Geometrie des Bauteils genommen wird.
- Kleben: Um die Einleitung von Spannungen durch das Spannen zu vermeiden, wäre eine weitere Möglichkeit das Kleben des Bauteils an bestimmten Stellen in passende Gegenstücke. Durch die richtige Wahl des Klebstoffes kann so ein eventuell auftretender Verzug durch Eigenspannungen ausgeglichen werden. Je nach Klebstoff kann dieser durch Temperatur oder chemische Lösungsmittel wieder entfernt werden und erfordert daher eine Nachbearbeitung.
Während dies keine Veränderungen am Bauteil erfordert, muss ein geeigneter Aufbau konstruiert werden, der die Klebung an ausgewählten Stellen ermöglicht. Darüber hinaus muss der richtige Klebstoff ausgewählt und korrekt verwendet werden, was schwer zu prüfen ist, bevor die Nachbearbeitung startet. Das erzeugt eine Unsicherheit und ein geringes Risiko, das Bauteil während der Bearbeitung zu beschädigen.
- Spannbolzen: Eine weitere Möglichkeit, die gewissermaßen auch auf angedruckten Spannlaschen basiert, verbindet dies mit einer standartisierten Schnittstelle in ein 3-Backenfutter und mit einer Strategie für die einfache Entfernung der Laschen durch Sollbruchstellen. Die Laschen haben dabei das Design einer Kugel, die mit einem Zylinder mit dem Bauteil verbunden ist. In dem Zylinder sind am Übergang zum Bauteil Lücken gelassen, die für eine Schwächung sorgen, sodass die Laschen einfach abgebrochen werden können. Dazu ist in der Kugel ein Sechskant für einen Inbus vorgesehen [Fer22].
Ein Vorteil dieser Möglichkeit liegt darin, dass das Konzept der Spannlaschen im Hinblick auf die Maschinenschnittstelle und das Entfernen der Laschen optimiert worden ist. Der Nachteil ist jedoch, dass die Platzierung der Bolzen als Schnittstelle zum Backenfutter für alle Bauteile der Familie, sowie die Konstruktion der Sollbruchstellen eine hohe Komplexität aufweisen, die die der einfachen Spannlaschen übersteigt.

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.6: einige Möglichkeiten zum Spannen additiv gefertigter Bauteile [Deg19]

2.4 Vermessung von additiv gefertigten Bauteilen

Für die Vermessung der additiv gefertigten Bauteile stand ein optisches 3D-Koordinatenmessgerät zur Verfügung, welches mit dem Streifenprojektionsverfahren arbeitet. Grundsätzlich gibt es verschiedenste Möglichkeiten, um Bauteile in 1D, 2D, 2,5D oder 3D zu vermessen. Doch für den Vergleich mit einem CAD Modell eignen sich die optischen dreidimensionalen Messverfahren wie das Streifenprojektionsverfahren, die Fotogrammetrie, das TheodolitVerfahren oder Lasertracker am besten [Kef15].

Für das Streifenprojektionsverfahren sind ein Projektor und eine Kamera notwendig, häufig werden aber zwei Kameras verwendet, um eine höhere Auflösung zu erzeugen. Mit dem Projektor werden Streifen auf das Werkstück projiziert, die von der Kamera aus einer anderen Richtung aufgenommen werden (vgl. Abbildung 2.7). Dabei beeinflusst die Gestalt des Werkstücks die Verzeichnung des Linienmusters und je schmaler die Linien sind, desto größer ist die Höhenauflösung. Dieses verzerrte Linienmuster kann in eine Punktwolke mit sehr großer Punktdichte umgerechnet werden, welche dann die dreidimensionale Geometrie des Werkstücks zeigt. Hierbei erfolgt die Zuordnung zwischen Verzug der Streifen und Höhe des Werkstücks durch das Kalibrieren mit einem bekannten Normal [Kef15].

Bei dem Verfahren mit zwei Kameras erfolgt die Triangulation mit den beiden Kameras und der Projektor erzeugt lediglich die Markierungen auf der Werkstückoberfläche. Eine Schwierigkeit des Streifenprojektionsverfahrens ist die Bestimmung der absoluten Position der Streifen, da diese nicht eindeutig gekennzeichnet sind. So können sie nicht alleine aus dem Kamerabild der Projektorposition zugeordnet werden.

Um die absolute Position der Streifen bestimmen zu können, kommt häufig das GraycodeVerfahren zum Einsatz. Dabei werden nacheinander erst sehr breite und dann immer feiner werdende Streifen projiziert, sodass eine eindeutige Zuordnung der feinen Streifen aus dieser Bildsequenz möglich ist [Kef15].

Eine andere Schwierigkeit sind stark reflektierende oder sehr gering reflektierende Oberflächen. In diesem Fall kann die Oberfläche aber mit einem matten oder gut reflektierendem Material besprüht werden, welches nach dem Scan wieder entfernt werden kann [Kef15]. Das

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.7: Streifenprojektion im Aufbau mit zwei Kameras und Projektor [Kef15]

Streifenprojektionsverfahren wird unter anderem im Rahmen des Rapid-Prototyping zur Qualitätssicherung und Fehlererkennung verwendet [Kef15]. Der Grund dafür liegt darin, dass die Druckparameter einen großen Einfluss auf die Qualität des Bauteils haben, sei es hinsichtlich Oberflächenqualität oder Verzug in der Bauteilgeometrie durch Wärmeverzug. Das Scannen des realen Bauteils ist also eine schnelle und einfache Möglichkeit, um das Bauteil direkt mit dem Soll-CAD-Modell zu vergleichen und Verzüge festzustellen, die einen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit des Bauteils haben können.

2.5 Herausforderungen bei der spanenden Nachbearbeitung additiv gefertigter metallischer Bauteile

Ähnlich wie bei der Spanntechnik kommen die Herausforderungen bei der spanenden Nachbearbeitung daher, dass die Bauteile endkonturnah gefertigt werden und teilweise sehr filigrane Strukturen aufweisen. Dies stellt ein Problem für die Prozessdynamik dar, da diese Strukturen nachgiebig sind und zu Rattern und Verformung während der Bearbeitung neigen können. Außerdem können Eigenspannungen durch den Wärmeverzug während des Drucks im Bauteil vorhanden sein, was die Qualität der Zerspanung der Funktionsflächen beeinträchtigen kann, da durch das Abtragen von Material diese Funktionsflächen nach der Bearbeitung durch die Eigenspannungen verformt werden [Deg19]. Somit können benötigte Toleranzen oder Oberflächengüten nicht erreicht werden.

Das Erzeugen von Spannungen im Bauteil durch eine Überbestimmung während des Spannens, was ebenfalls die Qualität der spanenden Nachbearbeitung beeinflusst, kann durch Kugelausgleichsscheiben verhindert werden. Dabei handelt es sich um Normteile, die einen kleinen Winkelfehler zwischen zwei Flächen beim Verschrauben ausgleichen kann. In Abbildung 2.8 sind zwei Ausführungen dargestellt. Durch das Anziehen der Schraube, die durch das Loch in der Mitte gesteckt wird, verliert die Kugelausgleichsscheibe die Flexibilität und wird kraftschlüssig in der angenommenen Position fixiert.

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.8: Kugel-Ausgleichsscheiben der Firma norelem [nor24]

2.6 VDI-Richtlinie 2221

Die VDI Richtlinie 2221 beinhaltet Richtlinien zur Produktentwicklung und gibt dem Problemlösungsprozess eine Struktur aus Planen, Konzipieren, Entwerfen und Ausarbeiten. Im Rahmen der Entwicklungs- und Konstruktionsarbeit bei e-gnition ist das Vorgehen nach dieser Richtlinie ein zentraler Bestandteil und ist auch in diesem Fall für die Entwicklung, Konstruktion und Fertigung eines Prototypen sinnvoll. So können strukturiert verschiedene Konzepte aufgestellt und verglichen werden, was bei der Abwägung der verschiedenen Spannmöglichkeiten sinnvoll ist.

Der Prozess beginnt mit dem Planen und beinhaltet das Aufstellen einer Anforderungsliste, bevor beim Konzipieren ein Lösungskonzept mit dem Aufstellen und Auswerten eines morphologischen Kastens erarbeitet wird. Die nachfolgenden Schritte sind Entwerfen und Ausarbeiten, wobei das Entwerfen mittels Komponentenerstellung in CAD, FEM Simulation und Topologieoptimierung durchgeführt wird. Das Ausarbeiten in der finalen Baugruppe in CAD und die Erstellung der Zeichnungen stehen nicht so sehr im Fokus dieser Arbeit, gehören aber trotzdem zum Produktentwicklungsprozess dazu [VDI].

Eine Anforderungsliste dient im Wesentlichen zur Klärung der Aufgabenstellung und zur Informationsbeschaffung. In einem Betrieb kann ein konkreter Kundenauftrag mit einem Lastenheft die Grundlage für eine Anforderungsliste darstellen, weil die zu erfüllenden Lasten und Pflichten des Produkts aus dem Auftrag in konkrete Anforderungen für den Designprozess umformuliert werden müssen.

Zur besseren Übersicht werden die Anforderungen in allgemeine Anforderungen, funktionelle Anforderungen, Geometrie/ Gewicht/ Material, Fertigung/Montage/Wartung und Kosten aufgeteilt. Ein sehr wichtiger Teil bei der Anforderungsliste ist die Priorisierung der Anforderungen in Forderung, Wunsch und Nice to have und auch die Festlegung eines Messwerts, anhand dessen im Nachhinein überprüft werden kann, ob die Anforderung erfüllt wurde [VDI].

Ein morphologischer Kasten unterteilt auf der einen Seite die Funktionen des Produkts in Teilfunktionen und sammelt auf der anderen Seite Teillösungen für diese Teilfunktionen. Dies bietet die Möglichkeit lösungsneutral und sortiert Ideen zu sammeln und diese anschließend zu einem Konzept zu verbinden. Zur weiteren Funktionsweise und Auswertung des morphologischen Kastens wird als nächstes von oben nach unten jeweils eine der Teillösungen ausgewählt, sodass letztendlich ein Konzept mit einer Lösung für jedes Teilproblem entsteht. Durch die Kombinationsmöglichkeiten sollten so mindestens zwei Konzepte entstehen, die nachfolgend verglichen werden können [VDI].

Diese Auswertung des morphologischen Kastens mit dem Vergleich der Konzepte erfolgt häufig mit gewichteten Faktoren. Abhängig von der Anforderungsliste werden einige Kriterien ausgewählt, die die Konzepte erfüllen sollten. Zusätzlich bekommen diese dann einen Zahlenwert, der ihnen eine Wichtigkeit gegenüber den anderen Faktoren zuordnet, je nachdem wie die Randbedingungen sind. Anschließend werden die Konzepte hinsichtlich der Kriterien bewertet und erhalten einen Zahlenwert. Die Vergabe der genauen Punktzahl pro Faktor kann sehr subjektiv und damit ungenau sein, während Unterschiede in der Punktzahl objektiv begründbar sind und somit eine sinnvolle Bewertung darstellen. Falls die Gesamtpunktzahl beider Konzepte also nicht weit auseinander liegt, müssen entweder weitere Faktoren herangezogen oder die Gewichtung der vorhandenen Faktoren überarbeitet werden, bis ein entscheidender Unterschied vorliegt.

Die Gesamtpunktzahl jedes Konzeptes ergibt sich nun aus der Summe der Produkte der einzelnen Punktzahlen mit den Gewichtungsfaktoren. Das oder die am besten bewerteten Konzepte können nun die nächsten Schritte des Produktentwicklungszyklus durchlaufen und gegebenenfalls später erneut verglichen werden, um sich auf ein finales Konzept festzulegen [VDI].

2.7 Zielsetzung und Vorgehensweise

Um die spanende Nachbearbeitung der Bauteilfamilie aus acht additiv gefertigten Bremssätteln, die zwar ähnliche aber trotzdem acht verschiedene Bauteile sind, durchführen zu können, soll in dieser Bachelorarbeit der komplette Weg der Nachbearbeitung von der Konzeption der Spanneinheit, Anpassung der Topologieoptimierung über die Fertigung bis zum finalen Endprodukt vorgestellt und bewertet werden.

Es soll gezeigt werden, wie die verschiedenen Möglichkeiten zum Spannen und Bearbeiten aus dem Stand der Technik in einem konkreten Fall kombiniert und angewendet werden können und welche Probleme dabei auftreten können. Dazu wird eine auf die individuellen Bedürfnisse angepasste Spanneinheit nach Auswahl des Spannprinzips vollständig entwickelt, kosntruiert und gefertigt. Im Fokus steht dabei das korrekte und aufgabengerechte Spannen und Ausrichten, wobei die Vermessung und Koordinatentransformation besonders zu beachten sind.

Um dies in der vorliegenden Arbeit zu erreichen, wird nach der Zusammenfassung des Standes der Technik die Entwicklung und Fertigung der Spanneinheit beschrieben. Die Entwicklung besteht aus der Konzeptfindung nach der VDI-Richtlinie 2221 und der anschließenden Konstruktion und Fertigung der Spanneinheit. Danach wird die Topologie-Optimierung der Bauteile unter Beachtung des Spannkonzeptes erklärt, bevor die Vermessung und Ableitung der CAD Baugruppe für die Fertigung dargestellt wird. Nach dem Prozessdurchlauf mit einem Prototypen folgt die Bewertung und Interpretation des Konzeptes vor der Zusammenfassung der Arbeit und einem Ausblick.

3 Entwicklung und Fertigung der Spanneinheit

Nach der Beschreibung der vorhandenen Möglichkeiten, um herkömmliche und additiv gefertigte Bauteile zu Spannen soll in diesem Kapitel das passende Konzept für den vorliegenden Anwendungsfall entwickelt und im Anschluss gefertigt werden.

3.1 Konzeptfindung nach VDI-Richtlinie 2221

Die Konzeptfindung bezieht sich auf eine Spanneinheit für die spanende Nachbearbeitung einer Bauteilfamilie bestehend aus acht individuellen aber ähnlichen Bauteilen. Dabei handelt es sich um Formula Student Bremssättel für zwei verschiedene Rennwagen, deren Bremssättel jedoch ein ähnliches Konzept verfolgen und somit eine ähnliche Nachbearbeitung benötigen. Der Druck der Sättel erfolgt nach dem SLM Verfahren und die Nachbearbeitung findet auf einem 5-Achs-Bearbeitungszentrum statt, in dem der Werkstücktisch nicht beweglich ist, sondern alle Bewegungen vom Maschinenkopf ausgeführt werden.

3.1.1 Erstellung einer Anforderungsliste

In der Anforderungsliste werden die für den Spann- und Zerspanungsprozess wichtigen Anforderungen gesammelt und priorisiert. Die vollständige Anforderungsliste ist in Abbildung 3.1 dargestellt.

Zu den Anforderungen gehören zum einen Sicherheit und Schnelligkeit, was bedeutet, dass die Spanneinheit sowohl in der Schnittstelle zum Bauteil als auch zur Maschine sicher fixiert ist und somit die Bearbeitungskräfte bei guter statischer und dynamischer Stabilität aufnehmen kann. Dabei soll das Bauteil in der Spanneinheit aber trotzdem schnell zu montieren und die Spanneinheit schnell an der Maschine zu rüsten sein, sodass keine Verzögerungen bei der Bearbeitung auftreten.

Ein weiterer zentraler Punkt der Spanneinheit ist die Modularität hinsichtlich der Bauteilfamilie, die damit nachbearbeitet werden soll. Die Spanneinheit muss also in der Lage sein, sich schnell und einfach an verschiedene Bauteile anpassen zu lassen, ohne dabei an Stabilität zu verlieren.

Die Spanneinheit muss ebenfalls einfach zu montieren und zu bedienen sein, was bedeutet, dass wenige und keine speziellen Werkzeuge und keine aufwändige Anleitung benötigt werden. Dabei muss sie aber trotzdem der Maschine die Zugänglichkeit zu allen relevanten Flächen ermöglichen, damit das Bauteil nicht umgespannt werden muss. Zu der Einfachheit gehört auch, dass keine Teile für die Modularität ausgewechselt werden müssen oder durch eine eindeutige Ausrichtung keine zusätzliche Koordinatentransformation zwischen Spanneinheit und Bauteil nötig ist.

Weniger auf die Funktionalität bezogen sind weitere Anforderungen an die Spanneinheit wie die Stückzahl von 1 und für den 3D Scanner passende Abmessungen und Gewicht.

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1: Vollständige Anforderungsliste für die Spanneinheit

Darüber hinaus sollten die Materialien stabil, einfach zu zerspanen und an der Universität verfügbar sein.

Der Vorteil der Anforderungsliste liegt darin, das Produkt aus verschiedenen Perspektiven zu definieren und die daraus resultierenden Anforderungen systematisch zu sammeln und zu priorisieren. Diese eignet sich gut für den Kontext der zerspanenden Fertigung, da die Anforderungen klar definiert und in der Konstruktion umgesetzt werden können.

3.1.2 Erstellung eines morphologischen Kastens

Für den morphologischen Kasten werden verschiedene Teilfunktionen definiert, die die Spanneinheit erfüllen muss. Ein Ausschnitt des morphologische Kastens ist in Abbildung 3.2 dargestellt und die vollständige Version befindet sich A.l.

In diesem Fall gehören zu den Teilfunktionen zum Beispiel die folgenden allgemeinen Aspekte

- die Art der Kraftübertragung
- die Anzahl der Aufspannungen bei der Nachbearbeitung

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.2: Ausschnitt des morphologischen Kastens für die Spanneinheit

- das Material

Die allgemeinen Aspekte legen grundsätzliche Funktionen der Spanneinheit fest, die weder ausschließlich für die Schnittstelle zum Bauteil noch zur Maschine gelten.

Die Teilfunktionen der Spanneinheit in der Schnittstelle zum Bauteil sind beispielsweise

- die tatsächliche Spanntechnik
- das Trennen der eventuell nötigen angedruckten Strukturen vom Bauteil
- die Vermeidung der eventuell auftretenden Spannungen beim Spannen

Hier werden die wichtigen Funktionen der Spanneinheit aufgeteilt, die sich teilweise gegenseitig bedingen. Ein Beispiel dafür ist das Trennen von angedruckten Strukturen, da es Möglichkeiten für Teilfunktion Spanntechnik gibt, die kein Trennen erfordern. Außerdem liegt hier der Fokus in erster Linie darauf, welche Funktionen und Lösungen der Spanneinheit das Bauteil betreffen. Für die Schnittstelle der Spanneinheit zur Maschine sind die Teilfunktionen

- die Aufnahme in die Maschine
- die Anpassbarkeit an verschiedene Bauteile

Die Funktionen und Lösungen beziehen sich eher auf die Spanneinheit selber als auf das Bauteil, da die Spanneinheit passend zur Maschine und den verschiedenen Bauteilen sein muss.

In den jeweiligen Zeilen der Teilfunktionen werden Teillösungen spaltenweise gesammelt. Dazu gehören neben Formschluss oder Kraftschluss für die Art der Kraftübertragung vor allem Lösungen für die Spanntechnik der Spanneinheit für das Bauteil wie beispielsweise

- formflexibles Spannsystem
- angedruckte Spannlaschen
- Prägespannkanten
- parallele Spannflächen im Bauteil
- Konturspannbacken gedruckt und gefräst
- Spannen der Bauplatte

Basierend darauf werden die Möglichkeiten zum Trennen zusätzlicher Strukturen vom Bauteil gesammelt, wie

- Konstruieren einer Sollbruchstelle
- manuelles Sägen
- maschinelles Fräsen
- Nicht-entfernen, falls es keine zusätzlichen Strukturen gibt oder diese am Bauteil verbleiben können

Eine weitere Teilfunktion der Spanneinheit auf das Bauteil bezogen ist die Vermeidung von Spannungen beim Einspannen. Dafür sind im morphologischen Kasten die folgenden Teillösungen gesammelt

- als nicht ausschlaggebend hinnehmen
- Verwendung von Kugelausgleichsscheiben
- bewegliches Element in der Spanneinheit

Die Aufnahme der Spanneinheit in die Maschine kann über die herkömmlichen Spannmöglichkeiten für Fräsmaschinen geschehen, wie zum Beispiel

- Schraubstock
- Backenfutter
- Spannpratzen

Die Anpassbarkeit an die verschiedenen Bauteile kann durch die folgenden Lösungen erreicht werden

- modulares Auswechseln von Teilen
- Standardisierung der Spannschnittstelle
- flexible Spannflächen
- eine zu den Bauteilvariationen passende Spanneinheit

Eine Standardisierung der Spannschnittstelle bedeutet in diesem Fall, dass alle Bauteile in der Konstruktion so angepasst werden, dass alle mit dem gleichen Spannmechanismus oder Gegenstück gespannt werden können, wie etwa parallele Spannflächen für einen Schraubstock. Die Spanneinheit für die verschiedenen Variationen passend zu gestalten, bedeutet hingegen, dass ohne Veränderungen an der Spanneinheit verschiedene Möglichkeiten zum Spannen vorhanden sind, zum Beispiel durch mehrere Durchgangslöcher für Schrauben.

Aus den Teillösungen werden anschließend zwei vollständige Konzepte entwickelt, die dann miteinander verglichen werden können.

Das erste Konzept erreicht die Kraftübertragung über Kraftschluss und benötigt nur eine Aufspannung. Hier muss keine extra Spanneinheit gefertigt werden. In erster Linie müssen die Bauteile angepasst werden, sodass parallele Spannflächen entstehen, die mit einem Schraubstock in der Maschine aufgenommen werden können. Dabei muss nach dem Bearbeiten nichts mehr vom Bauteil entfernt werden und eine Ausrichtung des Bauteilkoordinatensystems wird durch passende Anlageflächen mit dem des Schraubstocks erreicht. Dazu werden drei Anlageflächen benötigt, die rechtwinklig aufeinander stehen und an denen das Bauteil eingesetzt werden kann. Dabei können Spannungen im Bauteil höchstens durch weiche Spannbacken verringert aber nicht ganz ausgeschlossen werden. Die Aufnahme in die Maschine erfolgt über einen Schraubstock, der durch die Standardisierung der Spannschnittstelle die verschiedenen Bauteile spannen kann.

Das zweite Konzept funktioniert ebenfalls über Kraftschluss und ermöglicht die Bearbeitung in einer Aufspannung. Die Schnittstelle zum Bauteil wird über Spannlaschen realisiert, die nach der Optimierung an das Bauteil herankonstruiert werden. Diese können nach der Bearbeitung entweder mit der Fräsmaschine oder aus Gründen der Einfachheit manuell mit der Säge und Feile im letzten Bearbeitungsschritt entfernt werden. Dafür können in der Konstruktion kleine Aussparungen vorgesehen werden, die als Führung für das Sägeblatt dienen. Die Spannlaschen werden in der Mittelebene außen an den Bremssätteln platziert, je nachdem wie die topologieoptimierte Struktur darunter es zulässt.

Die Verwendung von Kugelausgleichsscheiben bei der Durchsteckschraubenverbindung verhindert die Entstehung von Spannungen im Bauteil, aber ermöglicht keine eindeutige Ausrichtung des Bauteil-Koordinatensystems zur Spanneinheit. Die Kugelausgleichsscheiben werden von beiden Seiten an die Spannlaschen angelegt, um kleine Fehler in der Ausrichtung der Anlageflächen der Spannlaschen zueinander, die durch Wärmeverzug beim Druck entstehen können, auszugleichen.

Durch die kraftschlüssige Verbindung in den Kugelausgleichsscheiben ist theoretisch eine Lasche genug, da so alle sechs Freiheitsgrade gesperrt werden, doch das bewirkt eine sehr instabile Aufspannung. Der Grund dafür ist der große Hebelarm, den die Bearbeitungskräfte an weiter entfernten Stellen des Bauteils haben und somit durch die großen Momente die Kräfte in der Aufspannung leicht überschritten werden können. Die maximale Anzahl an Laschen ist drei, da sie durch die Kugelausgleichsscheiben so positioniert werden können, dass sie das Bauteil nicht nur kraftschlüssig halten, sondern auch formschlüssig abstützen. Durch vier Laschen wäre das System auch mit den Kugelausgleichsscheiben überbestimmt. Es ist keine eindeutige Ausrichtung des Bauteilkoordinatensystems möglich, da das Bauteil durch die flexiblen Kugelausgleichsscheiben nicht definiert positioniert werden kann. Somit muss die Ausrichtung in der Spanneinheit zusätzlich bestimmt werden und die CAD Modelle dahingehend für die weitere Bearbeitung angepasst werden.

Die Spanneinheit wird dann auf dem Werkstücktisch in der Maschine platziert und über Spannpratzen fixiert. Durch mehrere Durchgangsbohrungen in der Spanneinheit können verschiedene Bauteile gespannt werden, die die Spannlaschen je nach Größe und Untergrund variabel platzieren können.

3.1.3 Auswertung mittels gewichteter Faktoren

Um die aus dem morphologischen Kasten entstandenen Konzepte sinnvoll miteinander vergleichen und das für den Anwendungsfall optimale Spannkonzept auswählen zu können, werden sie anhand von Faktoren hinsichtlich der Anforderungsliste bewertet. Diese Faktoren sind in diesem Fall

- Gewicht
- Genauigkeit
- Kosten
- Sicherheit
- Schnelligkeit
- Einfachheit (inkl. Modularität)

In Anlehnung an die Anforderungsliste, in der die Anforderungen nach ihrer Priorität mit Forderung, Wunsch und nice to have eingestuft werden, werden diese Bewertungsfaktoren ebenfalls nach ihrer Wichtigkeit mit einem Wert zwischen 0 und 10 geordnet, wobei 10 der höchsten Wichtigkeit entspricht. Wie in Abbildung 3.3 dargestellt, ist die Rangfolge der Faktoren somit in absteigender Form

- Sicherheit
- Genauigkeit
- Einfachheit
- Schnelligkeit
- Gewicht
- Kosten

Die Konzepte werden hinsichtlich der genannten Faktoren auf einer Skala von 0 bis 10 bewertet, wobei 10 erneut die höchste Bewertung darstellt.

Mit knapp über 75% der zu erreichenden Punktzahl von 330 Punkten gegenüber 59% von Konzept 1 ist Konzept 2 in der Bewertung überlegen. Bei den am höchsten bewerteten Faktoren Sicherheit, Genauigkeit und Einfachheit hat Konzept 2 den Vorteil, da hierbei durch die Druchsteckschraubenverbindung und gegenseitige Abstützung der beiden Laschen mit den Kugelausgleichsscheiben weniger Risiko für ein Lösen aus der Aufspannung und damit für eine Beschädigung der Maschine, dem Werkzeug und dem Bauteil besteht. Darüber hinaus wird durch die bessere Abstützung eine größere dynamische und statische

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.3: Vollständige Auswertung des morphologischen Kastens

Stabilität erreicht, die für eine genaue Nachbearbeitung des Bauteils sehr wichtig ist. Beide Konzepte beruhen in erster Linie auf einer kraftschlüssigen Kraftübertragung, um die sechs Freiheitsgrade des Bauteils zu sperren, doch Konzept 2 verfügt über ein formschlüssiges Sicherheitsprinzip durch die Durchsteckschraubenverbindung.

Beide Konzepte sind theoretisch in der Lage die vollständige Bearbeitung in einer Aufspannung zu ermöglichen, doch durch die erhöhte Positionierung über der Spanneinheit und dem Werkstücktisch ist die Bearbeitung nach Konzept 2 mit kürzeren Werkzeugen und dadurch mit höherer Genauigkeit möglich.

Obwohl Konzept 1 ohne eigens konstruierte Spanneinheit und Strukturen, die nach der Bearbeitung entfernt werden müssen, auskommt, hat Konzept 2 eine höhere Bewertung in der Einfachheit. Der Grund liegt darin, dass die Modularität durch die Löcher für verschieden positionierte Spannlaschen in der Spanneinheit einfacher ist, als bei jedem Bauteil an der gleichen Position parallele Spannflächen zu erzeugen. Gegenüber der Einfachheit, einen normalen Schraubstock als Spanneinheit verwenden zu können, überwiegen die Einschränkungen in der Konstruktion der Bauteile zur Erzeugung paralleler Spannflächen. Die übrigen drei Faktoren kann Konzept 1 mit geringem Vorsprung für sich entscheiden, was aber keinen entscheidenden Einfluss auf der Ergebnis hat und Konzept 2 in den folgenden Kapiteln vollständig konstruiert wird.

3.2 Konstruktion und Fertigung

Die Konstruktion der Spanneinheit basiert auf den vorhandenen, fast vollständigen CAD Modellen der vorderen und hinteren Bremssättel, in denen lediglich die Platzierung und das Aussehen der Spannlaschen angepasst wird und die übrigen Maße final sind, sodass sie die nötigen Maße für die Spanneinheit liefern. Dies wurde erreicht, indem die beiden Bauteile, der vordere und der hintere Bremssattel, übereinander in derselben Baugruppe platziert und passend zueinander ausgerichtet wurden. Die Ausrichtung ist dabei wie sie in der Spanneinheit platziert wären, wie in Abbildung 3.4 dargestellt ist. Die Spannlaschen sind an den Bremssätteln mit dem gleichen Teilkreisdurchmesser und mit den passenden Abständen konstruiert, sodass basierend darauf die Spanneinheit konstruiert werden kann.

Während das Konzept die Sicherheit und Genauigkeit herstellt, wird in der Konstruktion auf die Einfachheit geachtet, sodass die Konstruktion und Fertigung schnell, einfach, kostengünstig und nicht fehleranfällig ist.

Für die Spanneinheit sind zwei Schnittstellen relevant, zum einen die Schnittstelle zum Bauteil und zum andern die Schnittstelle zur Maschine. Dies lässt sich mit zwei Platten umsetzen, die anschließend zueinander ausgerichtet und zusammengefügt werden müssen. Die beiden Platten werden so angeordnet, dass sie senkrecht aufeinander stehen und spiegel-symmetrisch zur Mittelebene sind. Die Ausrichtung erfolgt über Passstifte, und die Platten werden mit drei Schrauben verbunden. Die Verwendung von zwei einzelnen Platten statt einer aus dem vollen gefrästen Geometrie sorgt ebenso für Einfachheit wie die Verwendung von Normteilen. Zudem ist die Spanneinehit so wieder demontierbar und die Platten können für einen anderen Anwendungsfall bei Bedarf getauscht werden.

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.4: Konstruktionsmodell der Spanneinheit mit den übereinander platzierten Bremssätteln

Die Platte mit der Schnittstelle zur Maschine hat Senkkopfbohrungen für die Verbindungsschrauben mit der anderen Platte und hat durch 2 cm Abstand zu jeder Seite genug Platz für die Spannpratzen, mit denen sie am Werktstücktisch befestigt wird. Die technischen Zeichnungen der beiden Teile der Spanneinheit sind im Anhang A.2 dargestellt.

Die Spanntechnik des Bauteils basiert auf angedruckten Spannlaschen. In diesem Fall weisen diese eine Durchgangsbohrung für eine Druchsteckschraubenverbindung auf, sodass die Platte der Spanneinheit diese Bohrungen ebenfalls haben muss. Jedes Bauteil hat zwar zwei Laschen, aber durch die unterschiedliche Größe und Geometrie der Bauteile können diese unterschiedlich platziert sein. Die Platte hat insgesamt vier Bohrungen, die auf dem gleichen Teilkreisdurchmesser liegen, sodass die Laschen auf den Bauteilen frei platziert werden können, sich aber an dem Teilkreisdurchmesser und Abstand zwischen den Löchern orientieren müssen.

Die Platte mit der Schnittstelle zum Bauteil muss so hoch sein, dass der Maschinenkopf nicht kollidiert, aber die Stabilität davon nicht zu stark beeinträchtigt wird. Hier wurde die Höhe so festgelegt, dass die Bearbeitung von einer Seite ohne Kollisionen erfolgen kann. Die Seite der Platte, wo das Bauteil gegen geschraubt wird, ist eine ebene Fläche, was, wie bereits bei der Konzeptauswahl beschrieben, durch Wärmeverzug der Anlageflächen der Laschen zueinander zu Spannungen im Bauteil führen kann. Die als Lösung ausgewählten Kugelausgleichsscheiben sind ab Schraubengröße M8 verfügbar, sodass die Größe der Laschen und der Spanneinheit dazu passen sind. Durch die Platzierung auf beiden Seiten der Laschen, können kleine Winkelfehler ausgeglichen werden, doch dadurch ist die Positionierung des Bauteils in der Realität nicht genau wie in CAD. Da das CAD Modell jedoch zur Generierung des Werkzeugpfads verwendet wird, erfordert dies ein Vermessen der genauen Positionierung des realen Bauteils.

Durch die Verwendung von Spannpratzen muss die Spanneinheit inklusive des ausgerichteten Bauteils ebenfalls in der Maschine eingemessen werden, sodass das MaschinenKoordinatensystem und das Werkstück-Koordinatensystem zueinander ausgerichtet werden können. Dazu werden drei ebene Flächen auf der Platte zum Bauteil gewählt, um wenig Ungenauigkeit zum Bauteil zu haben.

Für die Fertigung der Spanneinheit wurde Stahl als Werkstoff gewählt, da dieser eine hohe Festigkeit aufweist und an der Universität gut verfügbar und zu zerspanen ist.

4 Topologie-Optimierung der Bauteile unter Beachtung des Spannkonzeptes

Der Vorteil der additiven Fertigung, die Erhöhung der Bauteilkomplexität ohne die gleichzeitige Erhöhung der Fertigungsdauer und -komplexität wird durch die Topologieoptimierung der Bauteile voll ausgenutzt. So kann das Gewicht gesenkt werden, indem das Material nur an den Stellen platziert wird, wo es nötig ist. Die Wahl des Spannkonzeptes mit den Spannlaschen hat einen Einfluss auf die Entwicklung, inklusive der Topologieoptimierung, der Bremssättel, der in diesem Kapitel untersucht werden soll.

4.1 Anpassung der Topolgieoptimierung

Die Grundlage einer Topologieoptimierung bietet ein grobes, aber voll funktionsfähiges Modell des zu optimierenden Bauteils. In diesem Fall bedeutet das, dass alle Schnittstellen nach Außen und Innen vollständig definiert sind, also die Anschlüsse passen und die Kolben und Dichtungen eingebaut werden können und funktionieren. Zur Vorbereitung wird dann das Bauteil in mehrere Volumenkörper unterteilt. Der Designspace ist der Großteil des Bauteils und bezeichnet den Teil, der von der Software verändert werden darf. Das, was nicht Teil des Designspace ist, sind die Anschluss- oder Funktionsflächen, die nicht verändert werden dürfen.

Abhängig von den gewählten Einstellungen versucht das Programm den gegebenen Designspace unter den eingestellten Lastfällen zu optimieren. In diesem Fall soll die Steifigkeit bei einem vorgebenen Gewichtsziel maximiert werden, was bedeutet, dass das Programm nur dort Material im Designspace vorsieht, wo es für die Steifigkeit benötigt wird.

In Abbildung 4.1 ist der Verlauf des Modells während der Konstruktion und Optimierung zu sehen. Beginnend mit dem Designspace in CAD in Abbildung 4.1 a), mit dem die nötigen Funktionen gewährleistet sind, wird der für das Bauteil verfügbare Raum optimal ausgenutzt, ohne für Kollisionen mit umliegenden Bauteilen zu sorgen. In diesem Fall sind das die rotierende Felge an der Außenseite und die rotierende Bremsscheibe in der Mitte des Sattels. Zudem muss die Anschraubung an den Radträger und alle Anschlüsse und Verbindungen zu Normteilen gegeben sein. Sofern diese Anforderungen erfüllt sind, folgt die Unterteilung in Designspace und nicht-Designspace, die in Abbildung 4.1 b) in rot, bzw. grau, zu sehen sind. Um für eine möglichst realistische Simulation zu sorgen, ist außerdem die Schnittstelle mit dem Radträger vorhanden.

Nach dem Aufsetzen der Lastfälle, in denen das Modell gelagert werden muss und durch Kräfte und Druck belastet wird, ist die topologieoptimierte Struktur in Abbildung 4.1 c) dargestellt. Außerdem ist dort gut die Struktur zu erkennen, die nicht zum Designspace gehört und von der Topologieoptimierung nicht beeinflusst wird.

Da es sich bei der Topologieoptimierung um einen iterativen Prozess handelt, in dem das

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.1: Entwicklung des Modells in CAD, Topologieoptimierung und FEM-Analyse

Programm bei vorgegeben Gewichtsziel die Steifigkeit maximiert, aber das Konstruktionsziel ein möglichst geringes Gewicht bei vorgegebener Steifigkeit ist, muss jede optimierte Struktur mittels Finite Elemente Methode (FEM) simuliert werden und die Verschiebungen und Spannungen ausgewertet werden. Diese FEM Simulation ist in Abbildung 4.1 d) zu sehen.

Abbildung 4.1 e) zeigt die optimierte Struktur, die für den weiteren Konstruktionsprozess als step Datei aus dem Optimierungsprogramm exportiert und in das Konstruktionsprogramm importiert werden muss, um die Vorbereitung des Druckmodells zu ermöglichen. In Abbildung 4.1 f) ist das finale Modell in der finalen Baugruppe zu sehen, wo alle Norm- und Zukaufteile platziert sind.

Durch dieses Design und den endkonturnahen Druck der Bauteile sind die Möglichkeiten zum Spannen im Nachhinein begrenzt, da häufig keine parallelen und/ oder stabilen Flächen vorhanden sind. Zudem müssen die zu bearbeitenden Flächen für die Maschine erreichbar bleiben, obwohl die zu bearbeitenden Flächen häufig die ebenen Flächen sind, auf denen gespannt werden könnte.

Da das Programm das Material an den benötigten Stellen platziert, ist es nicht sinnvoll im Nachhinein Teile hinzuzufügen oder wegzunehmen, da somit entweder die Steifigkeit geschwächt oder das Bauteil unnötig schwer wird. Abhängig von dem gewählten Spannkonzept muss somit schon zu Beginn des Design- und vor allem Optimierungsprozesses das Spannkonzept feststehen und berücksichtigt werden, um dieses in das finale Design des Bauteils einfließen zu lassen.

Das gewählte Spannkonzept beinhaltet Spannlaschen, die nach der spanenden Nachbearbeitung wieder entfernt werden und somit für den eigentlichen Anwendungsfall nicht relevant sind. Somit ist es nicht sinnvoll diese in der FEM Analyse oder Topologieoptimierung der Bauteile zu berücksichtigen. Es sollte lediglich darauf geachtet werden, dass bei der manuellen Entfernung keine Beschädigungen am Bauteil entstehen, die die Stabilität

beeinträchtigen können oder als überstehendes Material für Kollisionen sorgen. In diesem Fall rotiert die Felge des Rennwagens nah an der Außenseite der Bremssättel, sodass die Laschen genau entfernt werden sollten.

Worauf bei der Optimierung allerdings geachtet werden muss, ist dass an der gewählten Stelle sinnvoll Material vorhanden ist, wo die Laschen platziert werden können. Das bedeutet, dass der Grund der Lasche möglichst vollständig im Bauteil liegt und eine große Überschneidung hat. Falls für die Laschen nur wenig Material zur Verfügung steht, ist die Schnittstelle zwischen Lasche und Bauteil zu instabil und kann keine Lasten übertragen. Die für das Sägeblatt nötigen Nuten müssen abschließend in der Konstruktion des Bauteils mit den Laschen berücksichtigt werden.

Grundsätzlich konnte die Optimierung durch das gewählte Konzept ohne große Einschränkungen oder Ergänzungen durchgeführt werden. Um der Verformung des gegebenen Lastfalls entgegen zu wirken, wird bei der Optimierung das Material vermehrt außen platziert, was vorteilhaft für die Platzierung der Laschen ist. Die Platzierung des Materials an der Außenseite des Bremssattels ist ebenfalls in Abbildung 4.1 d) zu erkennen, denn die hellen, glatten Bereiche liegen an der Grenze des Designspace. An den anderen Stellen wird die Grenze des Designspace selten berührt.

Abbildung 4.2 zeigt, dass einzig in der Mitte des Sattels über den Bremsbelägen die Optimierung eine Platzierung der Laschen nur schwierig zulässt, da die Stützstrukturen schwer zu entfernen sind und die Lasche auf den dünnen Elementen platziert werden muss. Für Tests am Prototypen zur Anzahl der nötigen Laschen wurde diese mittlere Lasche gedruckt, doch die Nachbearbeitung hat gezeigt, dass die beiden äußeren Laschen für die Stabilität ausreichend sind, und die schwierige Entfernung der Lasche den Vorteil nicht wert ist. Somit entfällt diese Lasche und die Struktur der Topologieoptimierung muss dahingehend nicht angepasst werden.

Sollte die Platzierung einer Lasche an einer ungünstigen Stelle unbedingt notwendig sein, muss entweder die Lasche an die Gegebenheiten des Bauteils angepasst werden, wie in Abbildung 4.2, was jedoch zu einem komplizierten Trennen der Lasche vom Bauteil führen kann.

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Alternativ kann die gewünscht Anlagefläche vom Designspace ausgeschlossen und dem Nicht-Designspace hinzugefügt werden, damit das Material an der Stelle auf jeden Fall nicht entfernt wird. Dabei ist jedoch das Problem, dass eine Fläche, auf die keine Kraft wirkt von dem Programm häufig nicht beachtet und dementsprechend nicht mit dem restlichen Bauteil verbunden wird. Um dem entgegenzuwirken, könnte man eine Kraft auf der Fläche platzieren, die während der Bearbeitung wirkt, doch dies verfälscht den eigentlichen Lastfall des Sattels, der den Betrieb abbilden soll.

Als letzte Möglichkeit kann die Schnittstelle nachträglich durch das Hinzufügen von Material für die Lasche passend vorbereitet werden, was jedoch zusätzliches Gewicht bringt und die erzeugte Geometrie stört.

Was außerdem bei der Topologieoptimierung und anschließender Überarbeitung in CAD beachtet werden muss, ist die Vermeidung von Hohlräumen in dem Bauteil. Diese sind für den Druck und die Entfernung des Pulvers aus dem Bauteil nach dem Druck sehr hinderlich, da das Pulver vom Pulverbettverfahren des Druckprozesses im Bauteil eingeschlossen bleibt und zum einen für ein höheres Gewicht sorgt aber zum anderen dort gar nicht vorgesehen ist. Um das Pulver gut aus den Bauteilen entfernen zu können, wurden bei dem vorderen Sattel Löcher hinzugefügt, die die Stabilität wenig beeinflussen.

4.2 Festlegung der zu zerspanenden Flächen des Bauteils

Der Nicht-Designspace des Modells enthält die Anschluss- und Funktionsflächen des Bauteils und damit ebenfalls die nachzubearbeitenden Flächen, die zumindest plangefräst oder mit einer speziellen Kontur oder Toleranz gefertigt werden müssen. Im Anhang A.3 sind die technischen Zeichnungen für den vorderen und hinteren Bremssattel zu finden, wo die Anschluss- und Toleranzmaße eingetragen sind.

Die Anlageflächen mit der Schnittstelle zum Radträger müssen plangefräst und die Kanten mit einer 1mm Fase versehen werden. Zudem muss an der Stelle für die Einschraubverbindung eine Kernlochbohrung für ein M8x1,25 Gewinde gebohrt werden.

Darüber hinaus muss die Dichtfläche für den Hydraulikanschluss plangefräst und die Bohrung für ein M10x1 Gewinde gebohrt werden, da dort mit Dichtscheiben gedichtet wird. Für die Entlüftung muss die Anlagefläche plangefräst und eine Bohrung für ein M6x1 Gewinde gebohrt werden, da in diesem Fall mit Gewindedichtband über das Gewinde gedichtet wird. Die jeweiligen Gewinde werden alle mit der Hand nach der spanenden Bearbeitung geschnitten.

Die zentrale Funktionsfläche ist die Kolbenbohrung, die zirkulargefräst werden muss, damit keine Bohrspitze am Ende der Bohrung zu sehen ist. Eine Besonderheit ist hierbei, dass durch die eine Bohrung durchgefräst wird, um die andere Bohrung zu erreichen, da es sich um einen einteiligen Sattel handelt und somit nicht jede Bohrung pro Kolben einzeln gefräst werden kann. Für die Funktionsweise des Kolbens benötigt dieser einen hinteren Anschlag, was bei dem einen Kolben der Grund ist, warum nicht gebohrt wird. Bei dem vorderen Kolben wird dies durch einen eingeschraubten Deckel gewährleistet, der die Bohrung verschließt. Die Bohrung für die Kolben hat eine H7 Toleranz und benötigt eine spezielle Nut für den Dichtring des Kolbens. Dafür werden K-Ringe mit einem quadratischen Querschnitt verwendet, die zum einen die Bremsflüssigkeit abdichten und zum anderen für den nötigen Rollback sorgen, um den Bremsbelag nach der Betätigung von der Bremsscheibe zu entfernen. Dieser Rollback entsteht durch die elastische Verformung des Dichtrings in der Nut, die dafür eine spezielle Geometrie aufweist. Das Werkzeug für die Dichtungsnut besteht aus einer Standard-Schneidplatte, in die die Nutkontur erodiert wird und somit zum Zirkularfräsen verwendet werden kann. Da die Nut auf der gegenüberliegenden Seite gespiegelt ist, gibt es zwei Werkzeuge insgesamt.

Für den Kolbendeckel, der die Bohrung verschließt, muss ein M22x1 Gewinde vorne und M20x1 Gewinde hinten gefräst werden. Die Größe wird dabei durch den Kolbendurchmesser vorgegeben und die geringe Steigung sorgt für genügend Gewindegänge im Eingriff bei der geringen Länge von 5mm. Um die Dichtringe im Kolbendeckel bei der Montage nicht zu beschädigen, soll dort eine 1x0,5 Fase gefräst werden.

Die Bohrung für den Belagbolzen, der die Bremsbeläge in Position hält, muss gebohrt und mit einer H7 Passung versehen werden, um die Beläge an einer Kollision mit der Radnabe zu hindern. Diese beide Bohrungen müssen also nicht nur vom Durchmesser in der Toleranz, sondern auch sehr genau koaxial zueinander sein.

Um der Ungenauigkeit während des Druckvorgangs entgegenzuwirken und eine saubere Zerspanung zu ermöglichen, wurde an den zu zerspanenden Flächen ein Aufmaß von 1 mm gewählt und in den Bohrungen wurde der Durchmesser um 2 mm verringert. Während die Bearbeitung der Maschine sehr genau erfolgt, bestehen kleine Unsicherheiten in der Genauigkeit durch Wärmeverzug während des Drucks und der genauen Platzierung in der Spanneinheit, sodass das Aufmaß sicherstellt, dass überall Material abgetragen werden kann und gute Oberflächen entstehen.

Zusätzlich gibt es einige Flächen, die nicht nachbearbeitet werden müssen, die aber dennoch nicht Teil des Designspace sind. Dazu gehören neben den Spannlaschen die Anlageflächen der Bremsbeläge im Sattel, die vorhanden, aber nicht spanend nachbearbeitet werden müssen.

Vermessung und Ableitung der CAD Baugruppe

Für die Vermessung wurde das Keyence Vl-700, ein optisches 3D Koordinatenmessgerät, verwendet, welches das 3D Scannen mittels Streifenprojektionsverfahren ermöglicht. Da der Tisch zwar drehbar ist, doch die Kamera an einer festen Position ist, sind mehrere Scans aus verschiedenen Perspektiven auf das Bauteil notwendig, die sich aber in der Software zueinander ausrichten und zu einem Modell zusammenfügen lassen. Abbildung 5.1 zeigt die Ausrichtung von zwei gescannten Modellen zueinander, um diese anschließend zu vergleichen. Die Ausrichtung, um die beiden Modelle zu kombinieren, funktioniert analog. In der unteren rechten Ecke sind die vier Schritte zur Ausrichtung zu sehen, die die Auswahl von drei passenden Flächen und den anschließenden Best-Volume-Fit beinhalten.

Reflektierende Bereiche können mit einem Spray mattiert werden, sodass der Scanner die Außenkontur so präzise wie möglich abbilden kann. Das Gerät hat eine Genauigkeit von 10 //.in und das gescannte Modell kann in dem dazugehörigen Programm vermessen werden [Key23].

Die Vermessung der Bauteile wird in erster Linie durchgeführt, um eine präzise Nachbearbeitung zu ermöglichen, da die Spanneinheit das Bauteil nicht in einer eindeutigen, vorbestimmten Position aufnehmen kann. Damit die nachfolgende Werkzeugpfadgenerierung in CAM passend zu dem realen Bauteil in der Spanneinheit ist, muss diese Orientierung in das CAD Modell übermittelt und dazu die reale Orientierung mit dem Scanner erfasst

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5.1: Ausrichtung der einzelnen Scans in der Keyence Software

werden. Darüber hinaus können durch das wiederholte Scannen nach den jeweiligen Bearbeitungsschritten eventuell auftretende Verformungen in dem Bauteil gemessen werden, die durch den Druck oder die anschließende Bearbeitung entstehen können.

Dazu wird das Bauteil nach jedem Bearbeitungsschritt gescannt und die Modelle anschließend übereinander gelegt und verglichen. Der erste Scan erfolgt also nach dem Druck auf der Druckplatte, dann nach dem Entfernen von der Druckplatte und nach dem Entfernen der Stützstrukturen, bevor die spanende Nachbearbeitung beginnt. Diese Scans wurden von dem Institut für Technische Betriebswirtschaft an der Fachhochschule Münster durchgeführt, das auch den additiven Fertigungsprozess betreut.

Anschließend wird das Bauteil zunächst mit dem Keyence gescannt, um die erzeugten Modelle zu vergleichen und dann noch einmal nach dem Zerspanen und Lösen von der Spanneinheit. Der Vergleich dieser Scans zeigt die Verformung, die durch das spanende Nachbearbeiten und/ oder das Spannen auftreten kann.

5.1 Ausrichtung des Bauteils

Die Ausrichtung des Bauteils findet in einem parametrisierten Modell der Baugruppe in CAD statt. Abbildung 5.2 zeigt die Parameter, wo die Messwerte eingetragen werden und anschließend die Abhängigkeiten automatisch anpassen. In dem verwendeten Programm, Autodesk Inventor 2024, können Bauteile in einer Baugruppe zum einen so platziert werden, dass die Urpsrünge der Koordinatensysteme von Baugruppe und Bauteil exakt gleich sind. Zum anderen besteht die andere Möglichkeit der Ausrichtung der Bauteile darin, Abhängigkeiten zu anderen Bauteilen oder Koordinatenebenen zu definieren. Diese können aber nicht beliebig definiert werden, sondern es können nur Achsen von Bohrungen, Mittelpunkte von Kreisen, Flächen, Kanten und Eckpunkte ausgewählt und dann mit den Abhängigkeiten passend, Winkel, tangential, einfügen und Symmetrie verknüpft werden.

Um die Abhängigkeiten zur Bestimmung der sechs Freiheitsgrade des Bauteils sinnvoll in CAD eingeben zu können, müssen also die gemessenen Informationen zu den in CAD übertragbaren Informationen passen. Um eine hohe Genauigkeit in der Maschine zu

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5.2: Verwendung von Parametern zur Bestimmung der Abhängigkeiten in CAD

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5.3: Bezugsflächen für das Einmessen der Spanneinheit in der Maschine

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5.4: Vermessung des Bremssattels im Profilschnitt: Abmessungen der Spanneinheit

erreichen, müssen für die gemessenen Abstände und Winkel auch die für das Einmessen der Spanneinheit in die Maschine abgetasteten Flächen verwendet werden. Wie in Abbildung 5.3 blau markiert zu sehen ist, sind die eingemessenen Bezugsflächen die O berseite, die dem Bauteil abgewandte senkrechte Seite und die Vorderseite der senkrecht stehenden Platte, da so kleine Fertigungs- und Montageungenauigkeiten innerhalb der Spanneinheit die Genauigkeit der Ausrichtung nicht beeinflussen.

Da die Bezugsflächen n icht in j edem P rofilschnitt zu se hen si nd, we rden ei nige Messungen zur Bodenplatte getätigt und mit Hilfe von Abbildung 5.4 umgerechnet. In der Abbildung sind die Höhe der senkrechten Platte mit der Schnittstelle zum Bauteil und der Abstand zum Rand für die Pratzen zu sehen.

Die erste verwendete Abhängigkeit zur Bestimmung der Freiheitsgrade ist die Höhe der beiden Bohrungen für die Verbindung zum Radträger relativ zur Oberseite der Spanneinheit, da dies nicht nur die Höhe in z Richtung definiert s ondern g leichzeitig auch die Rotation um die y Achse (vgl. Abbildung 5.5). Abbildung 5.6 zeigt die zweite Abhängigkeit, die Entfernung zwischen der Vorderseite der Spanneinheit und der Bohrung in der vorderen Lasche, da dies die Position in x Richtung definiert. A nschließend wird der A bstand von den beiden Bohrungen für die Verbindung zum Radträger zu der dem Bauteil abgewandten Seite der Spanneinheit gemessen, um die Position in y Richtung und gleichzeitig die Rotation um die z Achse zu definieren ( vgl. A bbildung 5 .7 undA bbildung 5 .8). Um abschließend die Rotation um die x Achse zu definieren, wird der W inkel z wischen der Anlagefläche zum R adträger und der S panneinheit g emessen und in dem CAD Programm

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5.5: Vermessung des Bremssattels im Profilschnitt: Höhe der Bohrungen

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5.6: Vermessung des Bremssattels im Profilschnitt: Abstand der Lasche zur Vorderseite

als Abhängigkeit definiert. In Abbildung 5.8 ist dargestellt, dass der Winkel zwischen den Flächen als Winkel zwischen den Senkrechten der beiden Ebenen gemessen wird. Da die Messung in dem importierten CAD Modell auf den gelben Linien gemacht wird, ist sichergestellt, dass der Winkel zwischen der Bolzenbohrung und der Anlagefläche exakt 90 Grad sind. Für die Bohrungen sind in diesem Fall nicht die Mittelachsen die Referenzen, sondern die Mittelpunkte der Kreise auf der Innenseite des Sattels, da die Mittelachsen weitere Freiheitsgrade bestimmt hätten, was vor allem in Abbildung 5.7 zu sehen ist.

Um die nötigen Information zu den gewählten Abhängigkeiten zu erhalten, muss das CAD Modell des gedruckten, unbearbeiteten Bremssattels in das Programm importiert und über den Scan gelegt werden. Dies funktioniert analog zu dem Zusammenfügen mehrerer Scans zu einem kompletten Scan über die Ausrichtung mittels Flächen und einem anschließenden Best-Volume-Fit. Abbildung 5.9 zeigt die präzise Ausrichtung zwischen dem realen und dem CAD Modell. Während einige scharfe Ecken nicht ganz getroffen sind, liegen die relevanten zu zerspanenden Flächen sehr genau übereinander. Durch den Import des CAD Modells des Sattels können die beschriebenen Punkte besser ausgewählt und die korrekten Messungen durchgeführt werden.

Abschließend müssen die Messwerte in zwei CAD Modelle übertragen werden, da das CAM

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5.7: Vermessung des Bremssattels im Profilschnitt: Abstand der Bohrungen zur abgewandten Seite

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5.8: Vermessung des Bremssattels im Profilschnitt: Abstand der Bohrungen und Winkel der Ebenen

Programm das gedruckte und das finale Modell übereinander legt und an den fehlenden Stellen Material abträgt.

5.1.1 Alternative Ausrichtung mittels Koordinatentransformation

Alternativ zu der Anpassung der Abhängigkeiten der CAD Modelle mittels der gemessenen Werte, kann die CAM Werkzeugpfadgenerierung in dem ideal platzierten Modell in CAD durchgeführt und anschließend mit einer manuellen Koordinatentransformation auf das jeweilige Bauteil angepasst werden. Die Koordinatenachsen der Spanneinheit verlaufen in x-Richtung in die Breite, in y-Richtung in die Länge und in z-Richtung in die Höhe. Dies gilt ebenfalls für das Bauteil, wobei dies auch im idealen Zustand um die x-Achse um - 7 , 06 Grad zur Horizontalen gedreht ist. Grundsätzlich werden zwei Operationen mit dem ursprünglichen Koordinatensystem durchgeführt, um zu dem realen Bauteilkoordinatensystem zu gelangen, die Translation und die Rotation.

Die fünf Messwerte des realen Bauteils müssen mit den gleichen Messwerten in der CAD Baugruppe verglichen werden, um die Translation und Rotation der beiden Koordinatensysteme zu berechnen. Der Winkel in Abbildung 5.8 zwischen Anlagefläche und Spanneinheit

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5.9: Vermessung des Bremssattels im Profilschnitt: Ausrichtung der beiden Modelle

liefert direkt die finale Drehung um die y-Achse, da dieser Winkel im idealen CAD Modell 0 Grad beträgt. Der Abstand vom Mittelpunkt der Bohrung in der Spannlasche zur Vorderseite der Spanneinheit aus Abbildung 5.6 ergibt direkt die Verschiebung in y-Richtung, wenn man die Differenz der Messwerte aus Realität und Modell betrachtet.

Die Verschiebung in x-Richtung und Drehung um die z-Achse ergibt sich aus dem Abstand der beiden Mittelpunkte der Bohrungen zur abgewandten Längsseite in der x-y-Ebene in Abbildung 5.7. Die Verschiebung in z Richtung und die Drehung um die x-Achse lässt sich aus der Entfernung der beiden Mittelpunkte zur Oberseite der Spanneinheit in der y-z-Ebene bestimmen (vgl. Abbildung 5.5).

Die beiden Skizzen in Abbildung 5.10 zeigen die Berechnung der Verschiebung und Drehung in den beiden jeweiligen Ansichten auf die x-y-Ebene und die y-z-Ebene. Da das Koordinatensystem des Bauteils bereits um die x-Achse gedreht ist, ist nun lediglich die Änderung des Winkels interessant, sodass die Drehung in der dargestellten Weise in der rechten Darstellung bestimmt werden kann.

Mit Hilfe der daraus berechneten Verschiebungen und Verdrehungen können die in dem normalen Modell erzeugten CAM-Befehle auf die Bearbeitung des realen Bauteils angepasst werden, indem ein neues Bauteilkoordinatensystem erzeugt wird.

Um die Bearbeitung des Bauteils in dem angepassten Koordinatensystem zu ermöglichen, muss dieses Koordinatensystem mithilfe der sechs Werte für die Translation und Rotation beschrieben werden. Das von der Maschine eingemessene Koordinatensystem, in dem der Werkzeugpfad generiert wurde, hat seinen Ursprung in der oberen Ecke der senkrechten Platte der Spanneinheit (vgl. Abbildung 5.3). Da die Koordinaten im Werkzeugpfad nicht geändert werden, müssen die verwendeten Koordinaten im angepassten Koordinatensystem den des ursprünglichen Koordinatensystems entsprechen.

Da das betrachtete Koordinatensystem seinen Ursprung nicht im Schwerpunkt des Bauteils hat und die Drehung des Bauteils um seinen Schwerpunkt geschieht, entspricht die reine Drehung des Bauteils um die gemessenen Winkel nicht einer reinen Rotation des Koordinatensystems um dessen Ursprung (vgl. Abbildung 5.11). Dort ist eine gleichzeitige Translation und Rotation von K nach K” schematisch dargestellt und es ist erkennbar, dass

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5.10: Schematische Darstellung der Koordinatentransformation

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5.11: Schematische Darstellung der Translation und Rotation der Koordinatensysteme

aus der Rotation des Bauteils um seinen Schwerpunkt eine Rotation und eine Translation des dazugehörigen Koordinatensystems erfolgt.

Die gesamte Translation zwischen den beiden Koordinatensystemen setzt sich somit aus der Translation des Bauteils und dem Anteil durch die Drehung des Bauteils zusammen. Die Rotation des angepassten Koordinatensystems hingegen entspricht den Winkeländerungen um die jeweiligen Achsen des Bauteils.

Zusammenfassend sind die gemessenen Winkel- und Positionsänderungen alleine nicht ausreichend, um eine vollständige Beschreibung des angepassten Bauteilkoordinatensystems zu ermöglichen, die eine korrekte Nachbearbeitung des real platzierten Bauteils mit dem idealen Werkzeugpfad voraussetzt.

5.2 Verzugsdetektion aufgrund freigesetzter Eigenspannungen

Während die spanende Nachbearbeitung der Bauteile am IPMT an der TUHH stattfindet, wurden die Bauteile am Institut für Technische Betriebswirtschaft an der FH Münster gedruckt. Aus diesem Grund wurden die ersten Scans ebenfalls dort durchgeführt und werden hier der Vollständigkeit halber erwähnt. Darüber hinaus werden die Scans des Geräts aus Münster mit dem für diese Arbeit zur Verfügung stehendem Keyence 3D-Scanner verglichen.

Der Vergleich des gedruckten Modells mit dem CAD Modell mit dem Scanner aus Münster zeigt, dass es keine nennenswerten Abweichungen gibt, außer an den Stellen, wo Stützstrukturen platziert und nicht vollständig entfernt wurden. Die beiden Flächenvergleiche in Abbildung 5.12 und Abbildung 5.13 zeigen das Bauteil von beiden Seiten und was für einen Abstand die Flächen der beiden Modelle an der jeweiligen Stelle voneinander haben. In den grünen Bereichen liegt der Abstand zwischen - 0 , 3 mm und +0 , 3 mm und in den roten Bereichen bei mehr als 1 , 44 mm. Die großen Abweichungen sind jedoch immer auf die Stützstrukturen zurückzuführen, sodass mit den zur Verfügung stehenden Mitteln keine Verzüge über 0 , 5 mm festgestellt werden konnten.

Der Vergleich des Scans aus Münster nach dem Entfernen der Stützstrukturen mit dem Scan in dem Keyence Gerät vor dem Beginn der Nachbearbeitung zum Vergleich der beiden Maschinen zeigt geringe Unterschiede. Die beiden Ansichten im Profilvergleich zeigen einen Längsschnitt in der Mittelebene Abbildung 5.14 und einen Querschnitt durch eine Verbindungsbohrung Abbildung 5.15. Die dort rot markierten Bereiche zeigen die Fenster, in denen die maximale und durchschnittliche Abweichung berechnet wird. Während die maximale Abweichung 0 , 546 mm beträgt, liegt die durchschnittliche Abweichung bei 0 , 004 mm , was bei einer Genauigkeit von 10 /i.ni zu vernachlässigen ist.

Der Vergleich der Bauteile vor und nach der Nachbearbeitung des Prototypen zeigt ebenfalls geringe Unterschiede. Die Messung des Zustandes nach der Bearbeitung wurde nach dem Drucktest aufgenommen, sodass dieser auch auf einen Einfluss auf eine Ausdehnung des Sattels haben kann, aber nicht dort, wo klar das abgetragene Material vermessen werden kann. In Abbildung 5.16 sieht man, dass etwas mehr als die vorgesehenen 1 mm Aufmaß abgetragen wurden, aber die Linien der beiden Scans darüber hinaus weitestgehend übereinander verlaufen. In diesem Fall handelt es sich bei den gelben Linien um das gedruckte Bauteil und die blauen Linien zeigen das fertig bearbeitete Bauteil. Die Unterschiede zwischen den beiden Profilen werden erneut innerhalb der roten Fenster gemessen und zeigen hier eine maximale Abweichung von 0 , 114 mm und im Durchschnitt von 0 , 003 mm bis 0 , 016 mm.

Im Querschnitt durch die Kolbenbohrung in Abbildung 5.17 sind ähnliche Ergebnisse zu beobachten. Hier liegen auch die durchschnittlichen Abweichungen in den roten Bereichen bei einigen Hundertsteln, wobei selbst der maximale Wert: 0 , 033 mm immer noch nur das Dreifache der Messungenauigkeit ist.

Der Längsschnitt durch die Mittelebene in Abbildung 5.18 zeigt, dass keine nennenswerte Änderung in der Länge des Sattels messbar ist. Die durchschnittlichen Unterschiede von 0 , 006 mm und 0 , 009 mm liegen unter der Messungenauigkeit des Scanners und sind somit zu vernachlässigen.

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5.12: Flächenvergleich des gedruckten und CAD Modells des Bremssattels aus Münster links

Hinsichtlich der Messgenauigkeit der Maschine sind in allen drei Ansichten keine ausschlaggebenden Veränderung in der Geometrie zu beobachten. Die relativ großen maximalen Abweichungen sind sehr wahrscheinlich auf Reflexionen oder andere Fehler während des Scans zurückzuführen. Lediglich im Querschnitt sind auch durchschnittliche Änderungen über 10 //.in zu beobachten, was dafür sprechen könnte, dass sich der Sattel in alle Richtungen ausgedehnt hat. Dies ist aber mit größerer Wahrscheinlichkeit während des Drucktests geschehen, da dort die Belastungsrichtung überall nach außen wirkt. Eine elastische und eventuell auch plastische Verformung während der Benutzung der Sättel unter Druck könnte in weiterführenden Versuchen ausgewertet werden.

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5.13: Flächenvergleich des gedruckten und CAD Modells des Bremssattels aus Münster rechts

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5.14: Profilvergleich der Scans des Bremssattels aus beiden Scannern - Längsschnitt

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Abbildung 5.15: Profilvergleich der Scans des Bremssattels aus beiden Scannern - Querschnitt

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5.16: Profilvergleich vor und nach der Bearbeitung - Längsschnitt Anlageflächen

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5.17: Profilvergleich vor und nach der Bearbeitung - Querschnitt Kolbenbohrung

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5.18: Profilvergleich vor und nach der Bearbeitung - Längsschnitt Mitte

6 Prozessdurchlauf mit einem Prototypen

6.1 Spanende Nachbearbeitung

Für den Prozessdurchlauf mit einem Prototypen wurde der vordere linke Bremssattel ausgewählt, da dessen Konzept sich nicht von dem der vorherigen Saison unterscheidet und dementsprechend die nötigen Anbauteile entweder noch vorhanden waren oder schnell gefertigt werden konnten. Die nötigen Anbauteile sind in diesem Fall die Bremskolben, Dichtungen, Kolbendeckel, Bremsbeläge, Belagbolzen, Entlüftungsventil, Hohlschraube und eine passende Bremsscheibe.

Für den Prototypen wurden einige unbekannte Faktoren zunächst sicher umgesetzt, wie z.B. die Anzahl der Laschen mit drei und die Verwendung von dicken, fest mit dem Bauteil verbundenen Stützstrukturen im Fall des Aluminium Prototypen.

Bevor jedoch mit der Herstellung und Nachbearbeitung eines Prototypen begonnen werden konnte, wurde die Werkzeugauswahl und -bahnplanung an zwei Teststücken aus Polyurethan (PU) und Aluminium getestet. In Abbildung 6.1 ist das Teststück aus PU zu sehen, in das die Kolbenbohrung auf Passung, die Fase und das M22x1 Gewinde gefräst wurde. Daneben ist der dazu passende Kolbendeckel zu sehen, um zu überprüfen, ob das Gewinde vollständig geschnitten und die Passung getroffen wurde.

Nachdem dies in einem Teststück aus Aluminium wiederholt wurde, um die passenden Fräsparameter für die Passung und das Gewinde einzustellen, konnte mit dem ersten vollständigen Prototypen gestartet werden.

Zunächst wurde ein Prototyp aus PLA Kunststoff gedruckt (siehe Abbildung 6.2), mit dem der grobe Ablauf, bis zur Auswahl der korrekten Schnittwerte für die Zerspanung, durchgeführt werden konnte.

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6.1: Polyurethan Teststück für Kolbenbohrung und -gewinde

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6.2: Prototyp aus PLA im 3D Drucker

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6.3: Prototyp aus PLA ohne Stützstrukturen

Nach dem Entfernen der Stützstrukturen (siehe Abbildung 6.3) konnte die Montage mit der Spanneinheit getestet werden (siehe Abbildung 6.4). Ohne Probleme konnten im Anschluss das Scannen und Vermessen im Keyence 3D-Scanner getestet werden. Dazu gehört zunächst die Erfassung eines kompletten Modells aus mehreren Perspektiven und im Anschluss das Testen der Methode zur Ausrichtung des Bauteils in CAD. Um zu prüfen, ob die Ausrichtung genau genug eingestellt war und ob die Werkzeugfpadgenerierung in CAM keine Kollisionen erzeugt, wurde abschließend der PLA Prototyp in der Maschine zerspant, wie in Abbildung 6.5 zu sehen ist.

Hier konnten zwar keine genauen Messungen zum Überprüfen der Durchmesser gemacht werden, doch alle Bearbeitungsschritte konnten ohne Kollisionen mit dem Werkstücktisch oder dem Bauteil durchgeführt werden. Zudem hat das Spannen des PLA Prototypen in der Spanneinheit gezeigt, dass zwei Laschen sehr stabil sind, sodass für den Aluminium Prototypen ebenfalls entschieden wurde, zwei Laschen zu verwenden.

Mit dem gesammelten Wissen in Bezug auf das Vermessen und Zerspanen konnte im Anschluss der vollständige Prozess mit dem Prototypen aus Aluminium durchgeführt werden. In Abbildung 6.6 ist der Prototyp auf dem Druckplatte mit allen Stützstrukturen zu sehen, die nach dem Entfernen von der Druckplatte noch manuell entfernt werden müssen.

Darüber hinaus muss das Pulver, das eventuell in dem Bauteil zurückgeblieben ist, vorsich-

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6.4: Prototyp aus PLA in der Spanneinheit

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6.5: Prototyp aus PLA in der Fräsmaschine

tig durch Klopfen und ohne die Verwendung von Druckluft entfernt werden, da das sehr feine Pulver gesundheitsschädlich ist. Nach dem manuellen Entfernen der Stützstrukturen blieben einige Reste zurück (siehe Abbildung 6.7), die mit der Fräsmaschine entfernt werden müssen. Das dazu nötige Taschenfräsen erfordert eine Anpassung der Modelle und zusätzliche Bearbeitungsschritte, doch mit den Stützstrukturen im Inneren des Sattels ist ein anschließender Drucktest nicht möglich.

Im Anschluss an das manuelle Entfernen der Stützstrukturen in den Durchgangsbohrungen der Spannlaschen (siehe Abbildung 6.8) konnten der Prototyp und die Spanneinheit zusammengebaut und mit dem Vermessen begonnen werden.

Das Scannen, Vermessen, Ableiten der Ausrichtung in der CAD Baugruppe und Einmessen in der Maschine werden analog zum Ablauf mit dem PLA Prototypen durchgeführt. Die Werkzeugwechsel erfolgen manuell und nach jedem Bearbeitungsschritt erfolgt eine Qualitätskontrolle, in der beispielsweise die Toleranz der Kolbenbohrung gemessen wird. Im Zuge der Bearbeitung ist nachteilig aufgefallen, dass in dem Abschnitt zwischen den äußeren Kolbenbohrungen die Stützstrukturen vor dem Druck nicht entfernt wurden, sodass diese nun den Hydraulikkanal blockierten (siehe Abbildung 6.9). In dieser Position sind die

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6.6: Prototyp aus Aluminium auf der Druckplatte

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Abbildung 6.7: Prototyp aus Aluminium vor der spanenden Nachbearbeitung

nachträglich nicht mehr zu entfernen, sodass für den Drucktest neue Kolbendeckel gefertigt werden mussten, die eine Entlüftung und einen Hydraulikanschluss ermöglichen, sodass die blockierte Stelle umgangen werden kann.

Darüber hinaus verlief die weitere Bearbeitung problemlos, außer dass an der Anlagefläche zu der Fase ein Grat entstanden ist, der durch eine Änderung der Reihenfolge der Bearbeitungsschritte künftig vermieden werden soll. Das Bohren und Reiben der Bohrung für den Belagbolzen von einer Seite hat ohne Kollisionen funktioniert. Abschließend müssen die Gewinde per Hand geschnitten und die Reste der Stützstruktur manuell entfernt werden, bevor der Drucktest durchgeführt werden kann.

Im Zuge der Montage des Bremssattels fiel auf, dass der Belagbolzen zwar auf beiden

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6.8: Prototyp aus Aluminium beim Entfernen der Stützstrukturen

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6.9: Blockierter Hydraulikkanal im Aluminium Prototypen

Seiten jeweils in die Bohrung passt, aber nicht durch eine Bohrung durch in die andere gleitet, wie in Abbildung 6.10 zu sehen ist.

Sowohl die Bohrungen als auch der Bolzen lagen innerhalb der gewählten Toleranzen, doch dadurch, dass die beiden Bohrungen im Sattel nicht genau koaxial sind, musste der Bolzen abgeschliffen werden, bis er durch die Bohrung passt. Der Grund dafür, dass der Bolzen nicht passt, könnte sein, dass die beiden Bohrungen zwar in einem Bearbeitungsschritt gebohrt wurden, doch durch die gedruckten Löcher vorgegeben waren. In diesen vorgegebenen Löchern könnte sich der Bohrer angepasst und leicht verbogen haben, sodass keine genaue Koaxialität erreicht wurde.

Für die Durchführung des Drucktests wurden zunächst alle Anbauteile montiert und der montierte Bremssattel dann, wie in Abbildung 6.11 zu sehen ist, mit dem Bremssystem des egn23 verbunden.

Der Drucktest wird mit dem Bremssystem des egn23 durchgeführt, da durch das pneumatische Emergency Brake System (EBS) einfach Druck aufgebaut werden kann, ohne dass jemand konstant Druck auf das Pedal ausüben muss. Zudem befinden sich Bremsdrucksensoren im Auto, die eine detaillierte Auswertung ermöglichen. Der Prototyp verfügt

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6.10: Belagbolzen im Aluminium Prototypen

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6.11: Aluminium Prototyp während des Drucktests am egn23

in diesem Fall über zwei Entlüftungsventile, während es im Betrieb nur eine Entlüftung gibt, da der Durchgang zwischen den äußeren beiden Kolben nicht komplett blockiert ist, sondern etwas Bremsflüssigkeit unter Druck durchgelassen wird. Aus diesem Grund muss durch beide Entlüftungsventiele entlüftet werden, damit möglichst wenig Luft im System bleibt.

6.2 Validierung des Prozessdurchlaufs

Wichtig für die Validierung des Prozessdurchlaufs ist als erstes, dass alle Anbauteile montiert werden können und somit die Toleranzen und Gewinde richtig gefertigt wurden. Da dies, wenn auch mit etwas manueller Nacharbeit, funktioniert hat, soll als nächstes die Dichtigkeit des Sattels und die Beweglichkeit der Kolben getestet werden.

Die Dichtigkeit des Sattels beinhaltet die Dichtigkeit des Materials, dass keine Flüssigkeit durch Risse austritt und die Dichtigkeit der Anschlüsse und Kolbendichtungen. Bei den Kolbendichtungen bezieht sich das auf die Tiefe und Oberflächenqualität der Nut und die Oberfläche der Bohrung bei den O-Ringen in dem Kolbendeckel.

Der gemessene Bremsdruck ist über der Zeit aufgetragen in Abbildung 6.12 zu sehen. Wie man sehen kann, liegt der maximale Druck bei 956ar, was weit mehr ist, als im Betrieb erreicht wird, doch unter den 1506ar, die in der Simulation und Optimierung angenommen werden. Die Abbildung 6.12 zeigt außerdem einen abfallenden Bremsdruck über die Zeit, was auf den ersten Blick eine Undichtigkeit im Bremssattel vermuten lässt. Dieser Abfall ist jedoch auf eine bekannte Undichtigkeit im EBS zurückzuführen, da am Bremssattel auch unter Seifenwasser keine undichten Stellen zu finden sind.

Zusammenfassend bestätigt der Drucktest, dass sowohl das Material aus der additiven Fertigung dicht ist, als auch die Nachbearbeitung wie geplant funktioniert und die Nutgeometrie und Toleranzen genau gefertigt wurden. Der gemessene Druck ist zwar geringer als in der Simulation angenommen, aber aussagekräftig für den Betriebszustand.

Bezüglich des Belagbolzens sorgt die Bearbeitung von einer Seite in den vorgedruckten Bohrungen dafür, dass die Bohrungen nicht genau koaxial sind. Für die weiteren Bauteile

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6.12: Druckverlauf beim Drucktest des Prototypen im egn23 51

werden aus diesem Grund die Löcher aus Vollmaterial gebohrt und anschließend gerieben, damit sich das Werkzeug nicht in den vorhanden Löchern verbiegen kann. Zudem wird die hintere Bohrung im Anschluss manuell erneut gerieben, um einen eventuellen Verschleiß des Werkzeugs auszugleichen. Außerdem werden die weiteren Bolzen nicht in so einer engen Toleranz sondern mit Untermaß gefertigt, sodass sie besser in die Bohrung passen, da die enge Toleranz für den Bolzen nicht nötig ist.

7 Bewertung und Interpretation des Spannkonzeptes

Sowohl das gewählte Konzept der Spanneinheit als auch der Ablauf der Zerspanung sind für die spanende Nachbearbeitung einer solchen Bauteilfamilie gut geeignet. Der Prototyp konnte erfolgreich zerspant und getestet werden, und die weiteren Bauteile folgen nach Anpassungen am gedruckten Modell.

Basierend auf der Anforderungsliste konnten keine Spannungen im Bauteil durch das Spannen festgestellt werden, die die Bearbeitung oder die Funktionsfähigkeit beeinträchtigen. Die drei Spannlaschen des Prototypen konnten in unter 30min mit einer Säge und Feile entfernt werden und die Anzahl der Spannlaschen für die weiteren Bauteile um eine reduziert werden. Auch mit zwei Laschen konnte eine sichere Verspannung gewährleistet werden, in der eine für die auftretenden Prozesskräfte ausreichende statische und dynamische Sicherheit gegeben war, sodass eine genaue Bearbeitung durchgeführt werden konnte. Die Maschine kann an der Spanneinheit das Koordinatensystem abtasten, doch das Bauteil kann durch das gewählte Konzept nicht eindeutig positioniert werden. Dementsprechend ist ein zusätzliches Vermessen zur Positionierung in CAD notwendig, was unpassend für eine Serienfertigung wäre. Dafür ist aber gegeben, dass die Spanneinheit mit Bauteil hinsichtlich Gewicht und Abmaßen in den Scanner passt.

Außerdem ist die Montage und die Verwendung von Normteilen einfach und schnell. Zudem ist prinzipiell die Anpassbarkeit an verschiedene Bauteile gegeben, solange die Laschen passend zu den Löchern ausgerichtet sind.

Das Konzept und die Umsetzung der Spanneinheit ist sehr speziell zugeschnitten auf diesen Anwendungsfall inklusive der Bedürfnisse der Formula Student. Für den Bau eines Prototypen mit einer Stückzahl von 1 pro Bauteil bei 4 verschiedenen Bauteilen insgesamt ist es mit einer verantwortlichen Person möglich, die vielen manuellen Schritte der Vor- und Nachbereitung zu tätigen. Dazu gehört vor allem das Scannen und Vermessen des Bauteils in der Spanneinheit. Bei einer größeren Stückzahl und weniger Komplexität könnte die Verwendung von passenden Spannbacken, die das Bauteil zusätzlich eindeutig ausrichten, sinnvoller sein als dieser relativ aufwändige Prozess.

Nach dem Stand der Technik gibt es viele Möglichkeiten, um die präzise Nachbearbeitung von additiv gefertigten Bauteilen zu ermöglichen, die immer individuell auf die Bedürfnisse wie Komplexität des Bauteils, Maschinenschnittstelle und Stückzahl angepasst werden müssen.

8 Zusammenfassung und Ausblick

In der vorliegenden Arbeit wurden anhand der VDI 2221 Richtlinie mögliche Teillösungen zum Spannen additiv gefertigter Formula Student Bremssättel mit einer Anforderungsliste gesammelt, in einem morphologischen Kasten zu Konzepten zusammengestellt und mittels gewichteter Faktoren bewertet. Daraus folgend wurde das favorisierte Spannprinzip in CAD ausgearbeitet, konstruiert und gefertigt, um den Prozessablauf mit mehreren Prototypen zu testen, bevor eine Bauteilfamilie aus 8 Formula Student Bremssätteln damit gefertigt werden soll.

In den ersten Teststücken, einem Block aus Polyurethan und danach aus Aluminium, wurde die Kolbenbohrung inklusive Dichtungsnut, Fase, Gewinde und Passung gefertigt, um die Bahnplanung für die benötigten Geometrieelemente, sowie die Eingriffsparameter auf die Anforderungen an Toleranz und Oberflächengüte anzupassen.

Anschließend wurde der erste Prototyp des Bremssattels aus PLA gedruckt, um die Montage in der Spanneinheit zu testen. Damit wurde dann zusätzlich der Ablauf des Scannens, Vermessens und Ausrichtens in CAD durchgeführt und daraufhin durch die Zerspanung in der Maschine validiert. Darüber hinaus wurde eine alternative Methode zur Anpassung der CAM-Befehle an die reale Ausrichtung mit Hilfe einer nachträglichen Koordinatentransformation vorgestellt.

Da der Ablauf mit dem Prototypen aus PLA ohne Kollisionen funktioniert hat und an allen zu bearbeitenden Flächen Material abgetragen wurde, folgte die Bearbeitung eines Prototyps aus Aluminium.

Neben der Vermessung der Bauteile zur Ausrichtung in der CAD Baugruppe wurden die Bauteile außerdem auf Verzüge aufgrund freigesetzter Eigenspannungen untersucht.

Um die Qualität des Drucks und der Nachbearbeitung zu überprüfen, wurde der Prototyp abschließend mit knapp 100 bar getestet.

Die Auswahl des Spannkonzepts anhand der VDI Richtlinie hat zufriedenstellend funktioniert und eine zielgerichtete und effektive Lösungssuche und -organisation ermöglicht. Im Kontext der Arbeit hat das gewählt Spannkonzept inklusive dem Vermessen und Ausrichten des Bauteils ebenfalls funktioniert und die geforderten Ergebnisse einer genauen spanenden Nachbearbeitung geliefert. Das Vermessen mit dem Keyence 3D-Scanner ist aufwändig durch die Notwendigkeit von mehreren Scans, die zusammengefügt werden müssen, doch die erreichte Genauigkeit ist ausreichend für die Ausrichtung in dieser Anwendung. Das Vergleichen der Modelle des Bremssattels zur Detektion von Verzügen durch Eigenspannungen mit dem Keyence 3D-Scanner hat gezeigt, dass kein eindeutiger Verzug durch die Bearbeitung oder das Lösen von Eigenspannungen festzustellen war. Einzig eine geringe Ausdehnung in alle Richtungen im Querschnitt durch die Kolbenbohrung konnte detektiert werden, die mit höherer Wahrscheinlichkeit durch den Drucktest entstanden ist. Letztendlich konnte der Drucktest, trotz leichten Druckverlusts durch das pneumatische Emergency

Brake System (EBS), die Dichtigkeit des Prototpyen bestätigen und somit eine erfolgreiche Nachbearbeitung nachweisen.

Auch wenn der durchgeführte Drucktest für die Sicherstellung der Dichtigkeit im Betrieb ausreichend ist, wäre ein anderer Versuchsaufbau ohne das Bremssystem des egn23 von Vorteil, um die Grenzen des Prototypen bei mehr Bremsdruck zu testen und darüber hinaus die elastische Verformung zu messen, um diese mit einer FEM Simulation zu vergleichen. Ein weiterer Faktor, der sehr viel Zeit und manuelle Arbeit in Anspruch nimmt, ist das Entfernen der Stützstrukturen nach dem Druck. Für einen schnelleren Nachbearbeitungsprozess wären diesbezüglich weitere Tests nötig, in denen die Druckparameter so lange angepasst werden, bis so wenig Stützstrukturen vorhanden sind wie möglich und diese auch mit einer minimalen Kontaktfläche mit dem Bauteil verbunden sind. Ein Anhaltspunkt dafür wäre das Auftreten eines relevanten Verzugs im Bauteil nach dem Druck, sobald die geschwächte Stützstruktur und kleine Kontaktfläche nicht mehr genug Support bieten und die Wärme während des Drucks nicht abgeführt werden kann.

Darüber hinaus wäre eine Spanneinheit, die ohne das nachträgliche Vermessen und Ausrichten auskommt weniger zeit- und personalaufwändig, sodass dies für eine Serienproduktion mit großer Losgröße von Vorteil wäre. Durch die vorgestellte alternative Ausrichtung mittels Koordinatentransformation kann derselbe Werkzeugpfad, der einmalig für das ideal platzierte Bauteil erzeugt wird, für alle Bauteile verwendet werden, statt durch die Anpassung in dem CAD Modell jedes Mal neu erzeugt werden zu müssen. Dafür muss jedoch die komplette Koordinatentransformation, bestehend aus Rotation und Translation, vollständig beschrieben werden, wofür weitere Messungen und Versuche nötig sind.

Literatur

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[DINb] DIN 8589-2: 2003-09: Fertigungsverfahren Spanen Teil 2: Bohren, Senken, Reiben. Berlin: Beuth Verlag (siehe S. 6).

[DINc] DIN 8589-3: 2003-09: Fertigungsverfahren Spanen Teil 3: Fräsen. Berlin: Beuth Verlag (siehe S. 4).

[DINd] DIN EN ISO/ASTM 52900: 2022-03: Additive Fertigung - Grundlagen - Terminologie (ISO/ASTM 52900:2021). Berlin: Beuth Verlag (siehe S. 7).

[e-g24] e-gnition Hamburg e.V.: Formula Student. 2024. url: https://www.egnition.

hamburg/formula-student (besucht am 25. 03. 2024) (siehe S. 1).

[Fer22] Ferchow, Julian, Dominik Kälin, Gokula Englberger, Marcel Schlüs

sel, Christoph Klahn und Mirko Meboldt: „Design and validation of integrated clamping interfaces for post-processing and robotic handling in additive manufacturing“. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2022), Bd.: S. 1-27 (siehe S. 14).

[For24] Formula Student Germany: Formula Student Rules 2024, Version: 1.1. 2024. url: https://www.formulastudent.de/fileadmin/user_upload/all/2024/ rules/FS-Rules_2024_v1.1.pdf (besucht am 17. 03. 2024) (siehe S. 2).

[Fri10] Fritz, A. Herbert und Günter Schulze: Fertigungstechnik. Berlin, Heidel

berg: Springer-Verlag, 2010 (siehe S. 5, 6).

[Kef15] Keferstein, Claus P. und Michael Marxer: Fertigungsmesstechnik - Praxisorientierte Grundlagen, moderne Messverfahren. Wiesbaden: Springer Vieweg, 2015 (siehe S. 15, 16).

[Key23] Keyence Deutschland GmbH: Optisches 3D-Koordinatenmessgerät - Model l- reihe VL-700. Neu-Isenburg: Keyence Corporation, 2023 (siehe S. 33).

[Kle06] Klein, Bernd: Toleranzmanagement im Maschinen- und Fahrzeugbau - Form- und Lagetoleranzen - Tolerierungsprinzipien - Tolerierungsverknüpfungen - Maßketten - Oberflächen. Deutschland: Oldenbourg, 2006 (siehe S. 8).

[Klo08] Klocke, Fritz und Wilfried König: Fertigungsverfahren 1 - Drehen, Fräsen, Bohren. Berlin Heidelberg New York: Springer-Verlag, 2008 (siehe S. 4, 5).

[Kos18] Kosche, Thomas: „Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile“. Additive Serienfertigung: Erfolgsfaktoren und Handlungsfelder für die Anwendung (2018), Bd.: S. 167-180 (siehe S. 10).

[mav21] mav: Werkstückhalter: Von Spannfutter bis Nul lpunktspannsystem. 2021. url: https://mav.industrie.de/fertigung/spanntechnik/werkstueckspannung- von-spannfutter-bis-nullpunktspannsystem/ (besucht am 17. 03. 2024) (siehe S. 9-11).

[nor24] norelem: Produktübersicht: Kugel-Ausgleichsscheiben. 2024. url: https : / / norelem . de / de / Produkt % C3 % BCbersicht / Flexibles - Normteilesystem / 07000/Muttern-Schrauben-Unterlegscheiben-Sicherungselemente/Kugel- Ausgleichsscheiben/p/agid.4147 (besucht am 02. 04. 2024) (siehe S. 16).

[Pop05] Poprawe, Reinhart: Lasertechnik für die Fertigung - Grundlagen, Perspektiven und Beispiele für den innovativen Ingenieur. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2005 (siehe S. 7).

[Ric19] Richard, Hans Albert, Britta Schramm und Thomas Zipsner: Additive

Fertigung von Bauteilen und Strukturen - Neue Erkenntnisse und Praxisbeispiele. Berlin Heidelberg New York: Springer-Verlag, 2019 (siehe S. 8).

[Trz14] Trzesniowski, Michael: Rennwagentechnik - Grund lagen, Konstruktion, Komponenten, Systeme. Wiesbaden: Springer Vieweg, 2014 (siehe S. 2).

[VDI] VDI 2221 Blatt 1:2019-11: Entwicklung technischer Produkte und Systeme; Model l der Produktentwicklung (Design of technical products and systems; Model of product design). Berlin: Beuth Verlag (siehe S. 17, 18).

Abbildungsverzeichnis

1.2 CAD Modell der Radbaugruppe des egn

2.1 Übersicht über die Fräsverfahren [Nach DIN 8589-3]

2.2 Übersicht über den Werkzeugeingriff beim Fräsen [Klo08]

2.3 Übersicht über die Bohr-, Senk- und Reibverfahren [Nach DIN 8589-2]

2.4 Das senkrechte Bezugssystem nach der 3-2-1-Regel [Kle06]

2.5 Das Nullpunktspannsystem an der Schnittstelle zum Bauteil [Kos18]

2.6 einige Möglichkeiten zum Spannen additiv gefertigter Bauteile [Deg19]

2.7 Streifenprojektion im Aufbau mit zwei Kameras und Projektor [Kef15]

2.8 Kugel-Ausgleichsscheiben der Firma norelem [nor24]

3.1 Vollständige Anforderungsliste für die Spanneinheit

3.2 Ausschnitt des morphologischen Kastens für die Spanneinheit

3.3 Vollständige Auswertung des morphologischen Kastens

3.4 Konstruktionsmodell der Spanneinheit mit den übereinander platzierten Bremssätteln

4.1 Entwicklung des Modells in CAD, Topologieoptimierung und FEM-Analyse

4.2 Unpassende Schnittstelle für die Platzierung der Spannlasche

5.1 Ausrichtung der einzelnen Scans in der Keyence Software

5.2 Verwendung von Parametern zur Bestimmung der Abhängigkeiten in CAD

5.3 Bezugsflächen für das Einmessen der Spanneinheit in der Maschine

5.4 Vermessung des Bremssattels im Profilschnitt: Abmessungen der Spanneinheit

5.5 Vermessung des Bremssattels im Profilschnitt: Höhe der Bohrungen

5.6 Vermessung des Bremssattels im Profilschnitt: Abstand der Lasche zur Vorderseite

5.7 Vermessung des Bremssattels im Profilschnitt: Abstand der Bohrungen zur abgewandten Seite

5.8 Vermessung des Bremssattels im Profilschnitt: Abstand der Bohrungen und WinkelderEbenen

5.9 Vermessung des Bremssattels im Profilschnitt: Ausrichtung der beiden Modelle

5.105 chematischeDarstellungderKoordinatentransformation

5.106 Schematische Darstellung der Translation und Rotation der Koordinatensysteme

5.107 Flächenvergleich des gedruckten und CAD Modells des Bremssattels aus Münster links

5.108 Flächenvergleich des gedruckten und CAD Modells des Bremssattels aus Münster rechts

5.109 Profilvergleich der Scans des Bremssattels aus beiden Scannern - Längsschnitt

5.110 Profilvergleich der Scans des Bremssattels aus beiden Scannern - Querschnitt

5.111 Profilvergleich vor und nach der Bearbeitung - Längsschnitt Anlageflächen

5.112 Profilvergleich vor und nach der Bearbeitung - Querschnitt Kolbenbohrung

5.113 Profilvergleich vor und nach der Bearbeitung - Längsschnitt Mitte

6.1 Polyurethan Teststück für Kolbenbohrung und -gewinde

6.2 Prototyp aus PLA im 3D Drucker

6.3 PrototypausPLAohneStützstrukturen

6.4 PrototypausPLAinderSpanneinheit

6.5 PrototypausPLAinderFräsmaschine

6.6 Prototyp aus Aluminium auf der Druckplatte

6.7 PrototypausAluminiumvorderspanendenNachbearbeitung

6.8 Prototyp aus Aluminium beim Entfernen der Stützstrukturen

6.9 Blockierter Hydraulikkanal im Aluminium Prototypen

6.108 elagbolzenimAluminiumPrototypen

6.109 Aluminium Prototyp während des Drucktests am egn

6.12 Druckverlauf beim Drucktest des Prototypen im egn

A.1 VollständigermorphologischerKastenfürdieSpanneinheit

A.2 Technische Zeichnung der Schnittstelle zur Maschine der Spanneinheit

A.3 Technische Zeichnung der Schnittstelle zum Bauteil der Spanneinheit

A.4 Technische Zeichnung des vorderen Bremssattels

A.5 TechnischeZeichnungdeshinterenBremssattels

A Anhang

A.1 Morphologischer Kasten

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung A.l: Vollständiger morphologischer Kasten für die Spanneinheit

A.2 Technische Zeichnungen der Spanneinheit

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung A.2: Technische Zeichnung der Schnittstelle zur Maschine der Spanneinheit

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung A.3: Technische Zeichnung der Schnittstelle zum Bauteil der Spanneinheit

A.3 Technische Zeichnungen der Bauteile

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung A.4: Technische Zeichnung des vorderen Bremssattels

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abbildung A.5: Technische Zeichnung des hinteren Bremssattels

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3.1 (siehe S. 20)

Abb. in Leseprobe nicht enthalten

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Fokus dieser Bachelorarbeit über die Nachbearbeitung additiv gefertigter Bremssättel?

Der Fokus liegt auf der Entwicklung eines Konzepts, der Konstruktion und Fertigung einer Spanneinheit zum Spannen additiv gefertigter Bremssättel für ein Formula Student Fahrzeug. Zusätzlich soll die Eignung der Konstruktion anhand eines kompletten Prozessdurchlaufs mit einem Prototypen validiert werden.

Welche Herausforderungen gibt es bei der spanenden Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile?

Herausforderungen umfassen die korrekte spanende Nachbearbeitung unter Berücksichtigung der nachgiebigen Struktur des Bauteils, das Vorhandensein von Eigenspannungen durch Wärmeverzug, und die Entwicklung einer geeigneten Spanntechnik für Bauteile mit weniger geeigneten Spannflächen.

Was ist Selective Laser Melting (SLM)?

Selective Laser Melting (SLM) ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem Metallpulver schichtweise aufgetragen und durch einen Laser gezielt aufgeschmolzen wird, um Bauteile zu erzeugen.

Welche Rolle spielt die VDI-Richtlinie 2221 in diesem Prozess?

Die VDI-Richtlinie 2221 dient als Rahmen für die Produktentwicklung, indem sie den Problemlösungsprozess in die Phasen Planen, Konzipieren, Entwerfen und Ausarbeiten strukturiert. Dies hilft bei der systematischen Entwicklung der Spanneinheit.

Was sind Spannlaschen und wie werden sie in diesem Konzept eingesetzt?

Spannlaschen sind zusätzliche Strukturen, die an das Bauteil gedruckt werden und als Schnittstelle für das Spannen dienen. Nach der Bearbeitung werden diese Laschen entfernt.

Welche Materialien werden für die Fertigung der Spanneinheit verwendet?

Stahl wird als Werkstoff für die Spanneinheit gewählt, da er eine hohe Festigkeit aufweist, gut verfügbar ist und sich gut zerspanen lässt.

Wie werden die additiv gefertigten Bauteile vermessen und ausgerichtet?

Die Bauteile werden mit einem optischen 3D-Koordinatenmessgerät (Keyence VL-700) vermessen, das das Streifenprojektionsverfahren verwendet. Mehrere Scans aus verschiedenen Perspektiven werden zusammengeführt, um ein vollständiges 3D-Modell zu erstellen. Die Ausrichtung des Bauteils erfolgt durch Anpassung von Abhängigkeiten in einem parametrisierten CAD-Modell, basierend auf den Messergebnissen.

Was sind Kugelausgleichsscheiben und welchen Zweck erfüllen sie?

Kugelausgleichsscheiben sind Normteile, die kleine Winkelfehler zwischen zwei Flächen beim Verschrauben ausgleichen können. Sie werden verwendet, um die Einleitung von Spannungen in das Bauteil durch Überbestimmung während des Spannens zu vermeiden.

Welche Vorteile bietet die Topologieoptimierung bei der Herstellung der Bremssättel?

Die Topologieoptimierung ermöglicht es, das Material nur an den Stellen zu platzieren, wo es für die Steifigkeit benötigt wird, wodurch das Gewicht des Bauteils reduziert wird.

Welche Funktionsflächen der Bremssättel müssen spanend nachbearbeitet werden?

Die zu zerspanenden Flächen umfassen die Anlageflächen zum Radträger, die Dichtfläche für den Hydraulikanschluss, die Bohrung für die Entlüftung, die Kolbenbohrung und die Bohrung für den Belagbolzen.

Wie wird die Dichtigkeit der Bremssättel überprüft?

Die Dichtigkeit wird durch einen Drucktest überprüft, bei dem der Bremssattel mit Bremsflüssigkeit unter Druck gesetzt wird. Der Druck wird gemessen und auf Undichtigkeiten geprüft.

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Details

Titel: Konzeption und Konstruktion einer Spanneinheit zur spanenden Nachbearbeitung additiv gefertigter Formula Student Bremssättel
Hochschule: Technische Universität Hamburg-Harburg (Institut für Produktionsmanagement und -technik)
Note: 1,7
Autor: Thorben Ehlers (Autor:in)
Erscheinungsjahr: 2024
Seiten: 69
Katalognummer: V1499639
ISBN (PDF): 9783389067345
ISBN (Buch): 9783389067352
Sprache: Deutsch
Schlagworte: additive Fertigung Topologieoptimierung Formula Student Bremssattel Spannsystem 3D-Druck Koodinatentransformation Fertigungstechnik SLM Selective Laser Melting Pulverbettverfahren Rapid Prototyping FSG Zerspanung Fräsen 5-Achs-Fräsmaschine 5-Achs-Bearbeitungszentrum VDI-Richtlinie 2221 3D-Scanner Keyence
Produktsicherheit: GRIN Publishing GmbH

Arbeit zitieren: Thorben Ehlers (Autor:in), 2024, Konzeption und Konstruktion einer Spanneinheit zur spanenden Nachbearbeitung additiv gefertigter Formula Student Bremssättel, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1499639

Konzeption und Konstruktion einer Spanneinheit zur spanenden Nachbearbeitung additiv gefertigter Formula Student Bremssättel

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Stand der Wissenschaft und Technik

2.1 Spanende Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide

2.1.1 Fräsen

2.1.2 Bohren

2.1.3 Gewindebohren

2.1.4 Reiben

2.2 Additive Fertigung: Selective Laser Melting (SLM)

2.3 Spanntechnik

2.3.1 Fräsmaschinen

2.3.2 Additiv gefertigte Bauteile

2.4 Vermessung von additiv gefertigten Bauteilen

2.5 Herausforderungen bei der spanenden Nachbearbeitung additiv gefertigter metallischer Bauteile

2.6 VDI-Richtlinie 2221

2.7 Zielsetzung und Vorgehensweise

3 Entwicklung und Fertigung der Spanneinheit

3.1 Konzeptfindung nach VDI-Richtlinie 2221

3.1.1 Erstellung einer Anforderungsliste

3.1.2 Erstellung eines morphologischen Kastens

3.1.3 Auswertung mittels gewichteter Faktoren

3.2 Konstruktion und Fertigung

4 Topologie-Optimierung der Bauteile unter Beachtung des Spannkonzeptes

4.1 Anpassung der Topolgieoptimierung

4.2 Festlegung der zu zerspanenden Flächen des Bauteils

Vermessung und Ableitung der CAD Baugruppe

5.1 Ausrichtung des Bauteils

5.1.1 Alternative Ausrichtung mittels Koordinatentransformation

5.2 Verzugsdetektion aufgrund freigesetzter Eigenspannungen

6 Prozessdurchlauf mit einem Prototypen

6.1 Spanende Nachbearbeitung

6.2 Validierung des Prozessdurchlaufs

7 Bewertung und Interpretation des Spannkonzeptes

8 Zusammenfassung und Ausblick

Literatur

Abbildungsverzeichnis

A Anhang

A.1 Morphologischer Kasten

A.2 Technische Zeichnungen der Spanneinheit

A.3 Technische Zeichnungen der Bauteile

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Fokus dieser Bachelorarbeit über die Nachbearbeitung additiv gefertigter Bremssättel?

Welche Herausforderungen gibt es bei der spanenden Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile?

Was ist Selective Laser Melting (SLM)?

Welche Rolle spielt die VDI-Richtlinie 2221 in diesem Prozess?

Was sind Spannlaschen und wie werden sie in diesem Konzept eingesetzt?

Welche Materialien werden für die Fertigung der Spanneinheit verwendet?

Wie werden die additiv gefertigten Bauteile vermessen und ausgerichtet?

Was sind Kugelausgleichsscheiben und welchen Zweck erfüllen sie?

Welche Vorteile bietet die Topologieoptimierung bei der Herstellung der Bremssättel?

Welche Funktionsflächen der Bremssättel müssen spanend nachbearbeitet werden?

Wie wird die Dichtigkeit der Bremssättel überprüft?

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