Weiterentwicklung eines 3-Achs-CNC-Bearbeitungszentrums mit neuen Spindelantrieben

Das Fachthema "Weiterentwicklung eines 3-Achs-CNC-Bearbeitungszentrums mit neuen Spindelantrieben" ist der Teilbereich eines Projektes im Rahmen der Lehrveranstaltung Produktionstechnik Praktikum. Das Thema wurde von Kathrin Liedmann und Benedikt Schulte bearbeitet. Es handelt sich hierbei um eine Weiterentwicklung der Gruppe aus dem Vorjahr.

Aufgabenstellung

Das Projekt lies sich in folgende Aufgaben unterteilen:
1. Weiterentwicklung der 3-Achs-CNC-Bearbeitungszentrums mit neuen Spindelantrieben

Konstruktion der benötigten Teile

Erstellung der benötigten Zeichnungen

Erstellung der Beschaffungsliste

2. Ausstattung der Maschine mit Sicherheitsfunktionen
3. Aufstellen einer Gefährdungsbeurteilung
4. Add-ons

Messuhr

Absaugung

Umrüstung auf 3D-Druck

Einholen eines Angebotes auf Basis des X400 3D-Druckers der Firma German Rep Rap GmbH

Ausstattung der Maschine mit Sicherheitsfunktionen

Der Grundaufbau der CNC-Maschine wies Optimierungspotenzial in Betracht auf die Sicherheitstechnik vor. In Zusammenarbeit mit dem Sicherheitsbeauftragten Herr Dettmann-Müthing erfolgte eine Begehung der Maschine. Herausgearbeitet wurde ein Grundkonzept zur Vermeidung von ausgehenden Gefähren aus dem Betrieb der CNC-Fräse. Der Fokus richtet sich auf folgende Punkte:

1. Absaugung für umherwirbelde Späne

Durch die Absaugung soll verhindert werden, dass die Späne den Fräser zusetzen und dieser so schneller verschleißt oder sogar abbricht. Dazu wurde in die Halterung des Fräsers ein weiteres
Loch angefügt, sodass eine Schelle zum festklemmen eines Staubsaugerschlauches befestigt werden kann.

2. Einhausung / Abgrenzung gegen Herunterfallen von Teilen

Durch zusätzliche Profile an den Stirnseiten der Fräsmaschine soll verhindert werden, dass ein abgebrochener Fräser oder abgetragendes Material umstehende Personen oder Gegenstende verletzt oder beschädigt.

3. Not-Aus Schalter anbringen

An den Stirnseiten der Fräsmaschine wurden zwei Not-Aus Schalter angebracht, die es ermöglichen die Maschine im Notfall durch die betätigung auszuschalten. Sie wurden an den Stirnseiten angebracht, um eine gute Zugänglichkeit zu gewährleisten.

4. Nockenschalter als Hauptschalterbr />

Der neben dem Schaltschrank angebrachte Nockenschalter dient der Abschaltung der Spannungszufuhr der Fräsmaschine. Wenn Arbeiten an der Fräsmaschine durchgeführt werden, kann die Anlage damit Spannungsfrei geschaltet werden. Zusätzlich ist es möglich, den Hauptschalter mit einem Vorhängeschloss vor unbeabsichtigen Einschalten zu sichern.

5. Schaltschrank

Der Schaltschrank dient der Unterbringung der elektrischen Komponenten. Ebenso wird ein direktes Berühren der spannungsführenden Komponenten verhindert. In dem Schaltschrank sind keine brennbaren Materialien verwendet worden, sodass ein gewisser Brandschutz gegeben ist.

6. Materialeinspannung

Durch die Materialeinspannung lassen sich auch kleine Werkstücke fräsen. Diese lassen sich festklemmen, sodass ein fehlerfreies Fräsbild ermöglicht wird.

7. Maschinenfüße mit Schwingungsdämpfung

Die Maschinenfüße sollen einen sicheren Stand der Fräsmaschine garantieren.

Aufstellen einer Gefährdungsbeurteilung

Eine Gefährdungsbeurteilung betrachtet alle von der Fräsmaschine ausgehenden Gefahren, die bei der Tätigkeit mit der Maschine anfallen können. Um eine sichere Verwendung der Maschine gewährleisten zu können werden im weiteren Schritt Maßnahmen erarbeitet, um diese Gefahren abzustellen. Diese Maßnahmen sind in jedem Falle vor Gebrauch der Fräsmaschine zu kontrollieren und von jedem Benutzer einzuhalten.

Mögliche ausgehende Gefährdung	Maßnahmen zur Beseitigung
Verletzungen durch Einziehen der Hände, Ärmel, Haare am Werkzeug oder am offenen Wellenende	Schutzhaube, falls vorhanden benutzen. Haarnetz tragen, enganliegende Kleidung benutzen. Keine Handschuhe verwenden
Schnittverletzung bei Säubern der Maschine	Absaugung der Späne vorhanden, ggf. Spänehaken und Besen verwenden
Augenverletzung durch wegfliegende Späne	Schutzbrille tragen
Fußverletzung durch Herabfallen schwerer Teile	Einhausung des Arbeitsbereichs durch Bosch-Profile Schutzschuhe tragen
Verletzungen durch Kontakt mit elektronischen Bauteilen	Unterbringung der elektronischen Komponenten im Schaltschrank Nockenschalter als Generalschalter
Brandschutz	Verwendung nicht-brennbarer Materialien sowie sachgemäßer Isolierung
Gefährung durch unsachgemäßes Einschreiten in den Bearbeitungsprozess	2 Notaus-Schalter an den Stirnseiten
O.g. und ggf. weitere Gefährdungen	Unterweisen der Mitarbeiter

Add-ons

Messuhr

Eine Messuhr soll zukünftig der Qualitätssicherung dienen und dient auch bei der Kalibrierung mit einem präzisen Prüfverfahren. Eingespannt in den Werkzeughalter, an welcher der Fräskopf sitzt, lässt sich mit der Messuhr über den Verfahrweg feststellen, wo und an welcher Stelle Unebenheiten auftreten. Um das Lot herzustellen wurde eine Halterung für die Messuhr konstruiert, die diese einspannt und mit den Achsen mitführt.

Absaugung

Für ein sauberes und präzises Arbeiten und nicht zuletzt auch aus sicherheitstechnischen Aspekten wird die CNC-Fräse mit einer Absaugung ausgestattet. Sie dient dazu um umherwirbelnde Späne einzufangen und somit Verunreinigungen am Werkstück und auch mögliche Gefahren auszuschließen. Hierfür wurde ein herkömmlicher Werkstattsauger verwendet. Zur Umsetzung wurde zusätzlich ein verlängernder Staubsaugerschlauch, sowie Adapterstücke und letztlich eine Halterung mit flexibler Ausrichtung des Saugkopfes benötigt. Als Vorteile für eine flexible Halterung sprechen:

1. Anpassung des Saugwinkels je nach Frästiefe
2. Anpassung des Saugers je nach Fräskopf
3. Variable Positionierung bei weiteren Add-ons wie Raspberry Pi Kamera

Durch den Einsatz eines Kugelgelenkes mit Gewindebolzen ließ sich durch eine entsprechende Gewindebohrung im Werkzeughalter die Anbringung realisieren und die Absaugung wird stetig mitgeführt.

Ausblick: Umrüstung auf 3D-Druck

Das 3-Achs-Bearbeitungszentrum wird durch die Umrüstung mit einem 3D-Druckkopf zu einem Multifunktionsgerät. Um dies zu realisieren ist es notwendig, die Funktionsweise eines 3D-Druckers zu analysieren und durch Beschaffung, Montage und Implementierung der erforderlichen Komponenten in die vorhandene Steuerung zu realisieren.

Funktionsweise

Ein herkömmlicher 3D-Drucker ist so gestaltet, dass die Extruder, die einen Kunststoffdraht (Thermoplast) bei 185-245°C Düsentemperatur aufschmelzen und ausgeben, auf 2 horizontal verfahrbaren Achsen verfahren. Zusätzlich gibt es eine Achse, die jedoch nicht die Extruder, sondern den Drucktisch vertikal positioniert und das Modell schichtweise aufbaut. Gesteuert wird das System über eine vom Hersteller mitgelieferte Software.