Sicheres Spannen von kleineren Platten mit Vakuum

(openPR) Die Entwicklung und Realisierung von ergonomischen Arbeitsplätzen ist die Kernkompetenz der Firma ASSTEC Assembly Technology GmbH & Co. KG. Von der Lieferung einzelner Komponenten zur Herstellung von Montage-, Prüf- und Versandarbeitsplätzen bis hin zur Gestaltung und Herstellung von individuellen One-Piece-Flow-Fertigungszellen für eine komplette industrielle Produktion reicht dabei das Produkt- und Dienstleistungsspektrum. Für Tischplatten, Verblendungen oder als Material zum Bau von Warenträgern, Schütten, Schubladen oder Regalen verwendet ASSTEC meist HPL-Platten (High-Pressure-Laminate), die auf einer CNC-Oberfräse bearbeitet werden. Das Spannen der Platten erfolgt mit Vakuum auf einem Vakuumtisch. Bei der Erzeugung des Vakuums verlässt man sich bei ASSTEC auf eine Mink Klauen-Vakuumpumpe von Busch. Sie erzeugt ein konstant hohes Vakuum, sodass auch kleinere Werkstücke sicher gehalten werden können.

ASSTEC beschäftigt sich am Firmensitz Rottweil in verschiedenen Bereichen mit der Effizienz von Produktionsabläufen in vielen Branchen im produzierenden Gewerbe. Dazu gehört ein Beratungsprogramm mit speziellen Workshops, die sich u.a. mit Themen wie Layout- und Materialflussplanung, Rüstzeitreduktion, Ergonomie der Arbeitsplätze oder dem Shopfloor-Management beschäftigen. Auch die Entwicklung verschiedener Tools, die Konstruktion und die Realisierung gehören zum ganzheitlichen Angebot - kurzum alles, was Produktionen schneller und effizienter sowie Arbeitsplätze ergonomischer und sicherer macht.
Die mit den Kunden zusammen erarbeiteten Konzepte werden dann mit Cardboard-Engineering Prototypen im Maßstab 1:1 modelliert und getestet. Danach erfolgt die Konstruktion und Realisierung der einzelnen Arbeitsplätze beziehungsweise von deren Ausstattung.
Als Plattenmaterial wird bei ASSTEC mehrheitlich HPL in verschiedenen Stärken verwendet, das auf einer CNC-Fräsmaschine bearbeitet wird. Auf dieser Fräsmaschine werden auch Polycarbonat- und andere Kunststoffplatten sowie Aluminiumplatten gefräst oder graviert.
Die Fräsmaschine war vom Hersteller mit vier Sauggebläsen ausgestattet. Jedes dieser Sauggebläse versorgte jeweils einen von vier Quadranten, in die der gesamte Bearbeitungstisch aufgeteilt war. Jeder dieser Quadranten hat die Abmessungen 3000 auf 500 Millimeter. Dadurch konnten Platten von bis zu zwei mal drei Meter sicher festgehalten werden. Auch zum Halten von Platten, die einen der vier Quadranten des Tisches abdeckten, reichte der von den Sauggebläsen erzeugte Unterdruck aus. Allerdings wurde die Haltekraft bei kleineren Werkstücken zu gering, sodass sie sich auf dem Tisch während der Bearbeitung verschoben. Durch einen geringeren Vorschub des Fräsers versuchte man dieses Manko auszugleichen, was allerdings keine befriedigende Lösung darstellte. Marc Blessing, Geschäftsführer bei ASSTEC, suchte deshalb nach einer technisch besseren Lösung und sprach die Vakuumspezialisten von Busch Vakuumpumpen und Systeme an. Sie empfahlen ihm eine Mink MV Klauen-Vakuumpumpe, die die vier bestehenden Sauggebläse ablösen könne.
ASSTEC entschied sich für diese Lösung und ersetzte die vier Sauggebläse mit einer Mink MV Klauen-Vakuumpumpe. Diese erbringt genügend Saugvermögen, um alle vier Vakuumsektoren, also den kompletten Bearbeitungstisch, zu versorgen. Außerdem ist das Vakuumniveau mit 150 Millibar (absolut) erheblich höher als bei den zuvor verwendeten Sauggebläsen mit einem Vakuumniveau von 800 Millibar (absolut). Mink MV Klauen-Vakuumpumpen sind annähernd wartungsfrei. Lediglich das Getriebeöl muss alle zwei Jahre erneuert werden. Durch das hohe Vakuumniveau werden jetzt auch kleine Werkstücke während der Bearbeitung sicher gehalten.

Die physikalischen Hintergründe beim Spannen mit Vakuum
Sinn und Zweck des Spannens auf einem Vakuumtisch ist selbstverständlich, ein flächiges Werkstück während dessen Bearbeitung sicher zu halten. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine mechanischen Spannelemente benötigt werden, deren Anbringung mehr Zeit in Anspruch nimmt und die womöglich Druckstellen im Werkstück hinterlassen. Ob ein Werkstück sicher gehalten wird, hängt vom Zusammenspiel mehrerer Faktoren ab. Physikalisch betrachtet ist es nicht das Vakuum, welches das Werkstück hält, sondern der Atmosphärendruck. Das Vakuumsystem sorgt lediglich für ausreichenden Unterdruck auf der Gegenseite, sodass der Atmosphärendruck seine Wirkung entfalten kann. Technisch gesehen vermindert man beim Spannen also den Druck zwischen dem Werkstück und dem Bearbeitungstisch beziehungsweise dessen Auflagefläche, indem man dort die Luft absaugt.
Druck, Fläche, Haltekraft
Druck ist physikalisch als Kraft definiert, die auf eine bestimmte Fläche wirkt. Er ist somit eine Funktion zwischen Kraft und Fläche. Wie diese Funktion berechnet wird, zeigt folgendes Beispiel:
Eine HPL-Platte wird zur Bearbeitung auf den Vakuumtisch der CNC-Fräsmaschine gelegt. Mit ihren Abmessungen 500 x 3000 Millimeter entspricht sie genau der Größe eines Quadranten. Die anderen drei Quadranten sind durch Absperrhähne von der Vakuumversorgung getrennt.

Berechnung der Haltekraft mit Sauggebläse (800 Millibar (abs.)):
Atmosphärendruck: 1.000 mbar
Unterdruck Sauggebläse: 800 mbar
Maße Holzplatte: 3.000 x 500 mm

Auflagefläche = Spannfläche
3.000 x 500 mm = 1.500.000 mm2 = 1,5 m2

Druckdifferenz:
1000 mbar – 800 mbar = 200 mbar = 20.000 Pa [N/m2]

Haltekraft
F = p x A
F = 20.000 N/m2 x 1,5 m2 = 30.000 N
= 3.000 kg

Das bedeutet, die Druckdifferenz von 200 Millibar zwischen Atmosphärendruck und dem vom Sauggebläse erzeugten Unterdruck führt zu einer Haltekraft von 30.000 N. Die HPL-Platte wird also mit einem Gewicht von drei Tonnen auf den Bearbeitungstisch gepresst.
Soll eine kleinere HPL-Platte zur Bearbeitung gespannt werden, verringert sich bei gleicher Berechnung die Haltekraft. Dies unter der Annahme, dass die freie Fläche auf dem Vakuumtisch luftdicht mit Plattenmaterial oder Folie abgedeckt ist.
Wird eine HPL-Platte mit den Abmessungen 150 x 150 Millimeter gespannt, beträgt die Haltekraft nur noch 450 N, was einem Gewicht von 45 Kilogramm entspricht, das die Platte auf den Bearbeitungstisch drückt. Je nachdem, wie die Platte bearbeitet wird, kann die Haltekraft von 450 N zu gering sein, um ein sicheres Halten zu gewährleisten.
Wird nun diese kleine HPL-Platte, unter gleichen Bedingungen auf dem Bearbeitungstisch mit einer Mink Klauen-Vakuumpumpe gespannt, erhöht sich die Haltekraft um mehr als das Vierfache. Der Grund ist der höhere Differenzdruck zwischen Atmosphärendruck und dem von der Vakuumpumpe erzeugten Vakuum von 150 Millibar. Rechnerisch erhöht sich der Wert von 450 N beim Spannen mit einem Sauggebläse auf 1912 N beim Spannen mit der Mink Vakuumpumpe. Das Gewicht, das auf die Platte wirkt erhöht sich von 45 auf 191 Kilogramm.

Daraus kann man schließen, dass je kleiner eine HPL-Platte ist, umso höher der Differenzdruck beziehungsweise das Vakuumniveau der Vakuumpumpe sein muss.
Diese Berechnungen gelten nur, wenn die Flächen des Vakuumtischs, die nicht von der zu bearbeitenden Platte bedeckt sind, luftdicht abgedeckt sind. Ist dies nicht der Fall, wird „Falschluft“ angesaugt. Ist die Vakuumpumpe ausreichend groß dimensioniert mit einem dementsprechend hohen Saugvermögen, erreicht sie das notwendige Vakuumniveau dennoch. Bei zu klein dimensionierten Vakuumpumpen besteht aber die Gefahr, dass sich die angesaugte „Falschluft“ negativ auf das Vakuumniveau und somit auf die Haltekraft auswirkt.

Bei ASSTEC ist die Mink Klauen-Vakuumpumpe seit Anfang 2018 in Betrieb. Geschäftsführer Marc Blessing betont, dass es seitdem keinerlei Probleme beim Spannen gab und dass die Vakuumpumpe zur vollsten Zufriedenheit das konstant hohe Vakuumniveau liefert.