Autor: Kevin Kuhrt
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Göbel

→ zurück zur Übersicht: 3-D-Bearbeitungsmaschine (Projekt des Schwerpunkts GPE im Studiengang MTR)

Einleitung

Im Rahmen des Studiengangs Mechatronik an der Hochschule Hamm-Lippstadt wird im 7. Fachsemester das Praktikum Produktionstechnik belegt. Dieses Praktikum ist Teil des gewählten Schwerpunktes Global Production Engineering. Die Praktikumsaufgabe ist Teil des Hauptprojektes „Aufbau einer 3-D-Bearbeitungsmaschine“ Im folgenden Artikel wird das Teilprojekt Schritt für Schritt erläutert, sodass der Leser einen Einblick in das Projekt bekommt und auch selbstständig unter Anleitung dieses Artikels ein solches Schneidwerkzeug herstellen kann. Des Weiteren soll dieser Artikel als Grundlage für weitere Projekte und Entwicklungen im Bereich des Schneidens von Styropor durch das 2D-Styroporschneidwerkzeug dienen. Das Thema wurde im Wintersemester 2019/2020 erstmalig von Kevin Kuhrt bearbeitet.

Aufgabenstellung

Im Rahmen dieses Teilpraktikums war die Aufgabe, ein 2D-Styroporwerkzeug (Abb.1^[1]) für die 3D-CNC-Bearbeitungsmaschine zu konstruieren und herzustellen. Hierzu sollte eine austauschbare Aufnahme konzeptioniert werden, sowie eine Möglichkeit zum Schneiden von Styropor entwickelt und umgesetzt werden. Das Projekt umfasste die Konzeption, die Konstruktion, die Inbetriebnahme sowie den abschließenden Komponententest und lässt sich in folgende Unterthemen gliedern:

Konstruktion und Aufbau

Konstruktion Aufnahme und Halterung Styroporschneider
Erstellen technischer Zeichnungen für die Fertigung der benötigten Bauteile
Bearbeitung und Fertigstellung der Bauteile
Hardwareaufbau des Styroporschneiders

Funktion und Test

Konzeption einer Möglichkeit zum Schneiden von Styropor
Umsetzung und Durchführung der Konzeptionierung
Herausfinden der richtigen Bearbeitungsparameter
Funktion- und Komponententest

Dokumentation

Dokumentation des Projektfortschritts in SVN nach dem V-Modell (Anforderungsliste, Funktionaler Systementwurf etc.)
HSHL-Wiki-Eintrag erstellen

Projektbeschreibung nach dem V-Modell

Projektanforderungen

Zu Beginn des Projektes mussten zunächst erst einmal die Anforderungen an das Projekt unter der Berücksichtigung der Aufgabe "Konzeptionierug und Umsetzung eines 2D-Styroporwerkzeug für die 3D-CNC-Bearbeitungsmaschine" definiert werden. Hierzu wurde sich in das Thema eingearbeitet und erste Gedanken zur möglichen Umsetzung gemacht. Nachdem mit Herrn Prof. Dr. Göbel Rücksprache gehalten wurde, stellten sich folgende Projektanforderungen heraus:

Pos.	Kapitel	Anforderung
1	Geometrie	Aufbau muss symmetrisch sein und muss den maximalen Arbeitsbreich von Breite: 900 mm, Tiefe: 800 mm und Höhe: 260 mm bedienen können
2	Geometrie	Styroporschneidhalterung muss handlich sein und von einer Person ein- und ausgebaut werden können
3	Geometrie	Die maximale Breite der Styroporschneiderhalterung beträgt: 900 mm
4	Aufbau	Heizdraht muss gespannt sein und darf bei Verwendung nicht reißen oder sich verformen
5	Aufbau	Wärme des Heizdrahtes muss während Schneidprozess überwacht und angepasst weden können
6	Aufbau	Heizdraht muss auf geeignete Temperatur eingestellt und erhitzt werden (Durch Tests)
7	Aufbau	Es muss gewähleistet sein, dass der Heizdraht auf Arbeitstemperatur erhritzt wurde, ehe der Schneidprozess durchgeführt werden kann
8	Aufbau	Heizdraht muss einfach austauschbar und spannbar sein
9	Aufbau	Fixierung und Verdrehschutz Styroporschneidhalterung
10	Schnittstellen	Spannungsversorgung Heitzdraht
11	Schnittstellen	Einstellbare und Überprüfbare Temperatur des Heizdrahtes
12	Schnittstellen	Kopplung Schneidvorrichtung und CNC-Fräse
13	Software	Ansteuerung Heizdraht durch CNC-Fräse
14	Software	Temperatureinstellung und Überwachung Heizdraht
15	Dokumentation	Projektablauf nach dem V-Modell
16	Dokumentation	HSHL-Wiki Artikel verfassen

Orginaldatei: Media:Anforderungsliste_2DStyroporschneider.xlsx

Funktionaler Systementwurf

Nachdem die Projektanforderungen definiert worden sind, konnte mit dem funktioalen Systementwurf begonnen werden. Hieru wurde die Funktion des 2D-Styroporschneiders beschrieben. Diese Funktionsübersicht wurde mittels dem in Abbildung 2^[2] zu sehende Schaubild veranschaulicht. Dieses Schaubild beschreibt die lösungsneutralen Funktionen des 2D-Styroporschneiders von der Grundfunktion, dem Schneiden von Styropor, bis hin zum Maschinensignal die Halterung in x- oder z-Richtung zu verfahren.

Orginal-Datei: Media:2DStyroporschneider_Loesungsneutrale_Funktionsstruktur.pptx

Technischer Systementwurf

Im nächsten Schritt wurde aus der ermittelten Lösung ein technischer Sytstementwurf erstellt. Dieser wurde in diesem Projekt durch einen morphologischen Kasten umgesetzt und sollte dabei helfen die Lösungsstrategie zu erörtern. In Abbildung 3^[3] ist dieser morphologische Kasten zu sehen. Dort sind auf der linken Seite die unterschiedlichen Merkmale/Kategorien wie z.B. Schneidwerkzeug, Halterung, Befestigung etc. zusehen. Auf der rechten Seite, passend dazu, die diversen Lösungsmöglichkeiten. Unter Berücksichtigung und Beachtung der Projektanforderungen wurde dann eine gute, einfache und kostengünstige Lösungsidee ausgewählt (siehe Abb. 4^[4])

Orginal-Datei: Media:2DStyroporschneider_Morphologischer_Kasten.xlsx

Komponentenspezifikation

Im letzten Vorbereitungs-Schritt wurde sich mit den Einzelkomponenten beschäftigt. Hierzu wurden zunächst die vorhandenen Komponenten ermittelt und ausgemessen. Es wurde, wie in Abbildung 5^[5] zu sehen, die Aufnahme der CNC-Fräse ausgemessen und nachgezeichnet, um später die Aufnahme für den 2D Styroporschneider passend auf die Aufnahme zu konstruieren. Des weiteren wurde der maximale Arbeitsbereich ausgemessen, welcher für die Bearbeitung des Styroporschneiders möglich ist. Dieser hat die Abmaße 900x1100x260 mm: Damit waren die Gegebenheiten und Voraussetzungen ermittelt und es konnte eine Liste mit allen zu benötigten Bauteilen und Komponenten erstellt werden.

Anmerkung: Diese Komponentenliste wurde während der Entwicklung angefertigt und bearbeitet, da sich einzelne Komponenten erst im späteren Verlauf als notwendig herausstellten

Folgende Komponenten mussten besorgt / bestellt werden:

Pos.	Beschreibung	Anzahl	Datenblatt/Link
1	Regelbares Netzgerät LN-3003 (QUATPOWER)	1	Datenblatt
2	Laborbuchse (Schwarz/Rot) BIL20 (Hirschmann)	2	Datenblatt
3	Isolierte Quetschkabelschuhe 0,1 – 6mm^2 (Klauke)	6	Datenblatt
4	Heizdraht/Schneiddraht d=0,40mm (Kanthal D)	1	Link
5	Messleitung MLB 100/1 Schwarz/Rot (Hirschmann)	2	Datenblatt
6	Bosch Rexroth Strebenprofil 30x30/2000mm - Art.-Nr.: 3842990720	1	Link
7	Bosch Rexroth Winkel 30x30 - Art.-Nr.: 3842523525	4	Link
8	Bosch Rexroth Nutenstein 8, M5 gefedert - Art.-Nr.: 3842529295	16	Link
9	Bosch Rexroth Abdeckkappe 30x30 - Art.-Nr.: 3842548745	4	Link
10	Zylinderkopfschraube M5x12 - Art.-Nr. 00850512	16	Link
11	Zylinderkopfschraube M6x50 - Art.-Nr. 0084650	4	Link
12	Sechskantschraube M5x20 - Art.-Nr. 0057520	2	Link
13	Sechskantmutter M5 - Art.-Nr. 03175	4	Link
14	Aluminium Vollmaterial 200x80x50 mm	1	aus Bestand
15	2 mm Blech 50x50 mm	1	aus Bestand
16	Kunststoffplättchen 50x50 mm	2	aus Bestand
17	Feder	1	aus Bestand

Entwicklung

Konstruktion Rahmen und Aufnahme

Nachdem die Planungs- und Ideenfindungsphase abgeschlossen war, konnte auf Grundlage der ermittelten Informationen und Anforderungen, mit der eigentlichen Konstruktion und Entwicklung des 2D-Styroporschneiders begonnen werden. Hierzu wurde das 3D Zeichnungsprogramm SolidWorks benutzt.

In Abbildung 6^[6] sieht man den gezeichneten Aufnahmeblock für den 2D-Styroporschneider. Dieser ist aus Aluminium und hat eine Längsausfräsung auf der Unterseite. Diese soll den Verdrehschutz gewährleisten, indem die Halterung, wie in Abbildung 9 zu sehen, mit der CNC-Aufnahme "verkantet". Die vier Bohrungen auf dem Bauteil sorgen für die zweifache Absicherung des Verdrehschutzes und für den schnellen und einfachen Werkzeugwechsel. Die Längsfräsung im Block selbst, dient für die spätere Fixierung des Rahmens und sorgt zugleich dafür, dass auch der Rahmen sich nicht Verdrehen lässt. Für die Verbindung der beiden Komponenten sorgen dann die zwei seitlichen Bohrungen. Nachdem die Konstruktion abgeschlossen war, wurde eine technische Zeichnung erstellt und das Bauteil gefertigt.

Im nächsten Schritt wurde dann passend zum Halterungsblock ein Rahmen aus Aluminiumprofil konstruiert (Abb. 7^[7]). Dieser wurde unter Berücksichtigung des maximalen Arbeitsbereiches gezeichnet und für die Veranschaulichung wurde symbolhaft ein "Heizdraht" mit eingezeichnet. Danach wurden die einzelnen Komponenten fertiggestellt und mittels Verbindungswinkeln zusammengebaut.

Nachdem die Halterung und der Rahmen konstruiert und gefertigt waren, musste noch die Aufnahme von der CNC-Fräse bearbeitet werden. Hierzu wurden, wie in Abbildung 8^[8] zu sehen, vier Gewindebohrungen eingezeichnet und in die Aufnahme gebohrt. Diese besitzen die gleichen Abmaße, wie die Bohrungen im Halterungsblock, sodass die beiden Komponenten miteinander verschraubt werden können.

In Abbildung 9^[9] sieht man, wie im letzten Schritt alle Komponenten in SolidWorks zusammengefügt wurden, um sicherzustellen, dass alle Komponenten mit den richtigen Maßen konstruiert worden sind. Nach einer finalen Kontrolle konnten alle Teile gefertigt und zusammengebaut werden.

Fertigungszeichnungen als PDF:

Media:Fertigungszeichnug_Halterung_2D-Styroporschneider.PDF

Media:Fertigungszeichnung_Rahmen_Heizdraht_2D-Styroporschneider.PDF

Media:Bemaßung_Aufnahme_CNC-Fräse_mit_Bohrungen.PDF

Orginaldateien der Bauteile als SLDPRT- und STEP-Datei:

Media:Aufnahme_CNC_Fräse_bearbeitet.SLDPRT
Media:Aufnahme_CNC_Fräse_bearbeitet.STEP
Media:Aufnahme_Rahmen_2D-Styroporschneider.SLDPRT		Media:Aufnahme_Rahmen_2D-Styroporschneider.STEP
Media:Rahmen_2D-Styroporschneider.SLDPRT
Media:Rahmen_2D-Styroporschneider.STEP
Media:Baugruppe_2D-Styroporschneider.SLDASM
Media:Baugruppe_2D-Styroporschneider.STEP

Orginaldateien der Zeichnungen als SLDRW- und DXF-Datei:

Media:Aufnahme_Rahmen_2D-Styroporschneider.DXF

Media:Rahmen_2D-Styroporschneider.DXF

Funktion und Umsetzung Heizdraht

Nachdem die Konstruktionsphase und der Zusammenbau der benötigten Bauteile abgeschlossen war, konnte sich der Schneidfunktion gewidmet werden. Um zu verstehen, wie ein solcher Heizdraht Styropor schneiden kann, muss zunächst erst einmal die Funktion von einem Heizdraht erläutert werden. In Abbildung 10^[10] ist ein Schaubild mit der Funktion des Heizdrahtes zu sehen. Dieser Heizdraht ist ein Widerstandsdraht aus leitfähigem Material (FeCrAl). Legt man nun eine Spannung an zwei Punkten auf diesem Heizdraht an, so kann ein Strom fließen und der Heizdraht wandelt die entstehende elektrische Leistung in thermische Leistung um und der Heizdraht erwärmt sich. Die Temperatur des Heizdrahtes lässt sich mit Hilfe eines einstellbaren Netzteils regulieren. Diese Funktion wurde für die Umsetzung des 2D-Styroporschneiders ausgenutzt und verwendet. Nachdem ein Versuchsaufbau mit allen Komponenten erstellt worden ist, konnte durch diverse Schneidtests, die optimale Parametereinstellung für das Netzteil gefunden werden. Diese liegt bei einer Spannung von ca. 21V und bewirkt einen Stromfluss von 2,6A. Das entspricht einer elektrischen Leistung von 54,6W ( $P = U \cdot I$ ).

Im nächsten Schritt konnte nun der Heizdraht auf Grundlage seiner Funktion gefertigt werden. Hierzu wurde der Draht auf die passende Länge geschnitten und die Enden mit Ringkabelschuhen versehen. Dies hat den Vorteil, dass der Draht schnell austauschbar ist. Anschließend musste eine Befestigung am Rahmen umgesetzt werden. Dafür wurde, wie in Abbildung 11^[11] zu sehen, zwei Kunststoff Platten an den beiden Enden des Rahmens montiert. Hierdurch ist sichergestellt, dass der Rahmen vom Heizdraht elektrisch isoliert bzw. getrennt ist. Im nächsten Schritt wurde die Spannungsversorgung mit dem Heizdraht auf beiden Seiten verbunden. Dieses wurde durch eine elektrisch leitende Schraube erreicht. Des Weiteren wurde nun auf einer Seite eine Feder montiert, um den Heizdraht spannen zu können. Auf der anderen Seite wurde dieser an der elektrisch leitenden Schraube fixiert. Nun war der Heizdraht montiert und die Funktion "Styropor Schneiden" gewährleistet. Abschließend wurden die Zuleitungen verlegt und die Spannungsversorgung steckbar gestaltet, damit man diese bei einem möglichen Werkzeugwechsel schnell abstecken und das Werkzeug wechseln kann.

Im letzten Schritt wurde die gesamte Baugruppe nun mit der CNC-Fräse verbunden. Hierzu wurde der Fräskopf entfernt und der 2D-Styroporschneider, wie in Abbildung 12^[12] zu sehen, auf die Aufnahme gesteckt und mit vier Schrauben befestigt. Somit war die Entwicklung und Umsetzung des 2D-Styroporschneiders abgeschlossen und es konnte mit dem Komponententest gestartet werden.

Komponententest

Im anschließenden Komponententest wurden auf Basis der Projektanforderungen die jeweiligen Anforderungen auf Funktion getestet. Zum einen wurde die Aufnahme und der Rahmen an sich getestet, ob diese nach dem Einbau sich noch verdrehen lässt oder nicht. Außerdem wurde überprüft, ob sich die gesamte Aufnahme schnell und einfach einbauen und wieder ausbauen lässt. Im nächsten Schritt wurde der Heizdraht auf Funktion getestet und ob dieser sich über das Netzteil schalten lässt. Des Weiteren wurde getestet, obei welchen Einstellungen der Heizdraht die optimale Arbeitstemperatur erreicht und sich das Styropor optimal schneiden lässt. Allerdings konnte aus Zeitgründen die Verbindung (Kommunikation) zwischen CNC-Fräse und Styroporschneider nicht umgesetzt werden.

Folgende Schlussfolgerung ergab sich aus dem Komponententest:

Rahmen und Aufnahme sind gegen Verdrehung gesichert
Einfacher und schneller Umbau der Aufnahmen gegeben
Heizdraht ist funktionsfähig und lässt sich über ein Netzteil ein- und ausschalten
Heizdraht wird auf optimale Arbeitstemperatur erhitzt
Styropor lässt sich schneiden
Max. Arbeitsbereich zum Schneiden: 860x300x800 mm
Fachgerechte Verkabelung und Verbindung CNC-Fräse
Fehlende Ansteuerung Schneidwerkzeug durch CNC-Fräse

Zusammenfassung und Fazit

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass das Styroporschneiden der 3D-CNC-Bearbeitungsmaschine im Rahmen dieses Teilprojektes erzielt werden konnte. Der 2D-Styroporschneider ist voll funktionsfähig und entspricht den gestellten Anforderungen. Er ist gegen das Verdrehen während des Schneidprozesses gesichert und er kann ohne viel Aufwand schnell ein- und ausgebaut werden. Dieses Projekt stellte eine sehr interessante und spannende Herausforderung dar und es konnten die bereits erlernten Studieninhalte aus Mechanik, Elektrotechnik und Projektplanung angewendet und vertieft werden.

Ausblick

Für eine Gruppe aus nachfolgenden Studiengängen würde dann die Kommunikation zwischen der CNC-Fräse und dem 2D-Styroporschneider im Vordergrund stehen. Des Weiteren könnte man im Rahmen der Styroporbearbeitung, G-Codes oder Programme zum Schneiden von Styropor schreiben, sodass in Zukunft die CNC-Fräse beispielsweise automatisch Buchstaben aus Styropor schneiden kann.

Erledigte Aufgaben:

Aufnahme und Halterung wurden konstruiert und umgesetzt
Heizdraht wurde implementiert und ist funktionsfähig
Konstante und überwachbare Arbeitstemperatur
Styropor schneiden in 2. Achsen ist möglich

Weitere Aufgaben:

Kommunikation CNC-Fräse und Styroporschneider
Verkabelung CNC-Fräse und Styroporschneider
Weitere Schneidtests durchführen
G-Codes für Formen wie z.B. Buchstaben schreiben und ausprobieren
Entlüftung implementieren
Umsetzung einer Halterung zum Einspannen von Styropor

Quellen

↑ Abbildung 1: eigene Quelle
↑ Abbildung 2: eigene Quelle
↑ Abbildung 3: eigene Quelle
↑ Abbildung 4: eigene Quelle
↑ Abbildung 5: eigene Quelle
↑ Abbildung 6: eigene Quelle
↑ Abbildung 7: eigene Quelle
↑ Abbildung 8: eigene Quelle
↑ Abbildung 9: eigene Quelle
↑ Abbildung 10: eigene Quelle
↑ Abbildung 11: eigene Quelle
↑ Abbildung 12: eigene Quelle

Orginaldatein und Links

Orginaldatein

SVN Links

HSHL-Wiki

3D-CNC-Bearbeitungsmaschine