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Im Fokus - Archiv April 2010
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Die roten Bereiche dieser Antriebslaterne der ALLWEILER AG sind beim Spannvorgang besonders belastet. In einer weiteren Simulation können nun die die Spannlösung oder die Bearbeitungsparameter variiert werden.
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01.04.2010 -
Mit virtueller Simulation zur optimalen Spannlösung
Wie verformt sich ein Bauteil beim Spannvorgang und bei der Bearbeitung? Welche Spannlösung gewährleistet, dass Werkstücke maßhaltig sind? Wie können vorhandene Spannmittel optimal genutzt werden? Auf diese und ähnliche Fragen liefert die virtuelle Simulation wertvolle Antworten. Mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) lassen sich unter anderem Verformungen und Belastungen von Bauteilen berechnen. So ist es möglich, einzelne Spannoptionen zu vergleichen und zu optimieren. Das erhöht die Prozess- und Investitionssicherheit, verkürzt die Entwicklungszeit, erleichtert die Auswahl geeigneter Spannmittel und senkt die Kosten.
Simulation vermeidet teure Fehlversuche
Wer kennt sie nicht, die überdimensionierten Bauteile und Systeme von früher. Hatten Konstrukteure in der Vergangenheit meist mit gehörigen Sicherheitszuschlägen gearbeitet, reicht heutzutage Sicherheit allein als Maßstab für eine gute Konstruktion bei weitem nicht mehr aus. Um im globalen Wettbewerb zu bestehen, sind Entwickler und Konstrukteure heute viel umfassender gefordert: Sie müssen sowohl Projektierungs- als auch Fertigungszeit einsparen, Massen und damit den Energieverbrauch reduzieren, die Präzision, Robustheit und Langlebigkeit von Teilen und ganzen Systemen erhöhen, künftigen Wartungsaufwand minimieren und vieles mehr. Simulationen liefern dabei wertvolle Ergebnisse: Bereits in der Entwurfsphase, also noch bevor die ersten Prototypen gebaut werden, lässt sich am Computer simulieren, wie sich Bauteile bei der Bearbeitung verhalten, ob die Maßhaltigkeit nach der Bearbeitung gewährleistet ist und ob es aufgrund hoher Spannkräfte zu Gefügeänderungen im Werkstück kommt, die das Material schwächen.
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Bei großen Werkstücken wirken enorme Spannkräfte. Hier lohnt sich die Simulation besonders.
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Simulation lohnt sich besonders bei großen und komplexen Werkstücken
Die präzise Bearbeitung großer, dünnwandiger oder besonders komplexer Teile ist oftmals eine Herausforderung. Auf der einen Seite dürfen die Spannkräfte gewisse Grenzen nicht überschreiten, damit sie die Werkstücke nicht deformieren oder gar zerstören. Auf der anderen Seite muss die Spannung so sicher sein, dass die Schnittkräfte sicher aufgenommen werden. Anhand der FEM-Methode lässt sich erkennen, wie sich das Werkstück beim Spannvorgang und bei der Bearbeitung verhält. Auf Basis der Simulation kann eine optimale Kombination aus Spannmittel, Art der Backengestaltung, Spannhöhe, Spannkraft und Drehzahl entwickelt werden. Sie liefert Erkenntnisse zur Bruchmechanik, Steifigkeit, Lebensdauer und zum Schwingungsverhalten der Teile. Vor allem bei komplexen Geometrien und hohen Präzisionsanforderungen, wie etwa bei Lagern, Zahnrädern, Turbogehäusen, Zylinderköpfen oder Bremsringen, bietet die frühzeitige Simulation enorme Vorteile.
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Um das Verhalten von Bauteilen zu prüfen, wird ein Netz über das Werkstück gelegt. Zuvor wurde definiert, dass das Werkstück in einem 6-Backenfutter gespannt wird.
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Dünnwandige, ringförmige Werkstücke sind besonders deformationsempfindlich. Die Simulation verkürzt die Suche nach einem geeigneten Spannmittel.
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Ablauf der Simulation
Um zu simulieren, wie sich ein Werkstück im Spannmittel und während der Bearbeitung verhält, sind nur wenige Daten nötig:
- 3D-Volumenmodell des Werkstücks, beispielsweise CAD-Daten als STEP-Datei
- Angaben zum Werkstoff
- Zerspanungsparameter und maximale
- Bearbeitungsdrehzahl
- Aufspannskizze mit Spann- und Anlagepunkten
- Vorgaben bezüglich der Haltekräfte/Backenspannkräfte
- Geometrie der Spannbacken, z. B. glatt, Krallenbacken, Pflasterstein
- Maschinendaten, insbesondere Angaben zum Spannzylinder und zur Spindelanordnung
Aus diesen Angaben wird zunächst im CAD-Programm das 3D-Modell der Spannaufgabe modelliert. Anschließend werden im FEM-Programm das Material und die Kontaktflächen der Aufspannung definiert und ein erstes Netz aus einzelnen Elementen mit Anfangs- und Endknoten über die Lösung gelegt. In aufeinander folgenden Lastschritten werden dann die jeweiligen Randbedingungen definiert. So lässt sich beispielsweise in einem ersten Lastschritt simulieren, wie sich das Werkstück verhält, wenn eine definierte Spannkraft an bestimmten Punkten eingeleitet wird. Ein zweiter Lastschritt untersucht, wie sich die Belastung verändert, wenn das Teil beispielsweise in einem Drehfutter hochdreht. Ein dritter Lastschritt schließlich simuliert das Verhalten bei der Bearbeitung.
Nach einer ersten Grobberechnung kann das Netz an besonders kritischen Stellen verfeinert und damit die Aussagequalität der Simulation verbessert werden. Eine 3D-Ansicht bzw. -Animation verdeutlicht für jeden einzelnen Lastschritt, welche radialen oder axialen Verformungen auftreten. Dabei sind insbesondere plastische Verformungen oberhalb der sogenannten Streckgrenze relevant, die sich nach der Bearbeitung nicht wieder zurückbilden. Zudem kann anhand der Simulation geprüft werden, ob sich mit einer Spannlösung beispielsweise eine definierte Rundheit erzielen lässt.
Mit Hilfe der FEM-Methode lassen sich die Auswirkungen unterschiedlicher Aufspannungen, Bearbeitungsparameter, ja sogar unterschiedlicher Krafteinleitungspunkte am Werkstück simulieren. Auch Spannlösungen, bei denen beispielweise Nullpunktspannbolzen direkt im Werkstück verschraubt sind, können simuliert werden. Hier liefert die FEM-Methode Aussagen zur Stabilität des Bolzens und der Schraube sowie zu bleibenden Deformationen des Werkstücks.
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Wie muss ein Ring gespannt werden, um die geforderten Toleranzen auch nach der Bearbeitung einzuhalten? Die FEM-Methode liefert schnell die passenden Antworten.
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Beispiel Spannlösung für eine Antriebslaterne
Ein Beispiel verdeutlicht, was mit Hilfe der FEM-Methode möglich ist: Die ALLWEILER AG ist europaweit Markt- und Technologieführer für Pumpen im Schiffbau, in der Energieerzeugung und in speziellen Industrieanwendungen. Mit Hilfe der Simulation lässt das Unternehmen die Aufspannung von Antriebslaterne aus Gusseisen GG25 untersuchen: Es prüft, ob die Bauteile aus dem Antriebsstrang der Pumpen, die bisher in drei Operationen gefertigt werden, auch in zwei Operationen bearbeitet werden können. Dabei soll unter anderem eine Radialspannung in einem standardisierten 6-Backen-Pendelausgleichsfutter untersucht werden.
Eine erste Simulation zeigt, dass der Rundheitsfehler an der Passung Ø 218 f7 (Toleranz 0,048 mm) nach dem Spannen, Hochdrehen und Bearbeiten 0,054 mm beträgt, also außerhalb des tolerierten Bereichs liegt. Werden in einer zweiten Simulation die Drehzahl erhöht und die Schnittdaten angepasst, gelingt die Operation. Über eine reine Variation der Bearbeitungsparameter kann die ALLWEILER AG die Antriebslaterne also auf einem vorhandenen Standardspannmittel bearbeiten - eine enorme Kosteneinsparung, die ohne eine detaillierte FEM-Analyse kaum oder nur sehr umständlich erreichbar gewesen wäre.
Weil es sich bei der FEM-Methode immer um eine theoretische Berechnung handelt, ist es ratsam, der Simulation einen praktischen Versuch folgen zu lassen. In den meisten Fällen weichen die tatsächlichen Ergebnisse kaum von den berechneten Ergebnissen ab. Allenfalls bei gehärteten Teilen oder Gussteilen mit Gusshaut führen Eigenspannungen im Material manchmal zu einer größeren Differenz.
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Auch Achskombinationen in Automationslösungen simuliert SCHUNK. So können am virtuellen Modell die Belastungen der Komponenten, die Grenzlasten sowie die Lebensdauer der Module beurteilt werden.
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SCHUNK bietet Simulation auf Abruf
Der Spanntechnik und Automationsspezialist SCHUNK verfügt über ein internes Expertennetzwerk, das moderne computergestützte Entwicklungstechnologien (CAE) projektübergreifend koordiniert, effektive Rechenwege nutzt, Erkenntnisse aufbereitet und anschließend wiederverwendbar macht. Dieses hochwirksame Instrument wird sowohl in der Spanntechnik als auch in der Automation eingesetzt.
Weil viele Anwender nicht über eigene Möglichkeiten zur Simulation verfügen, bietet SCHUNK dieses Know-how auch als eigenständige Dienstleistung an. Dabei verschmelzen das Know-how über theoretische Grundlagen und Software mit der Kompetenz im Umgang mit dem System und dem Wissen um mögliche Realisierungsalternativen. Anwender profitieren davon mehrfach: Sie erkennen möglichen Schwachstellen bereits im Vorfeld und können auf Basis der Simulation konkrete Konstruktionsvorgaben und -richtlinien erstellen oder gezielt Spannmittel und die Art der Aufspannung definieren. So vermeiden sie unnötige Investitionen oder überdimensionierte Systeme. Die Simulation leistet damit einen wichtigen Beitrag für eine höhere Effizienz bei der Entwicklung und Fertigung neuer Produkte.
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12.2010
Große Drehteile sicher spannen
Angestoßen durch die Energietechnik hat die Großteilebearbeitung auf Drehmaschinen in den vergangenen Jahren deutlich an Bedeutung gewonnen. Dabei wirken enorme Kräfte, die von den Spannmitteln aufgenommen werden müssen. Umso erstaunlicher ist es, dass viele Anwender bei der Bearbeitung großer Drehteile weiterhin auf althergebrachte Spannlösungen vertrauen, die aufwändig zu rüsten, zu reinigen und zu warten sind. Dabei können moderne Spannmittel inzwischen weitaus mehr als nur für eine sichere Spannung zu sorgen: Sie erhöhen die Präzision am Werkstück, senken die Rüstzeiten und minimieren den Wartungsaufwand. Das gilt für Backenfutter ebenso wie für Spannklauenkästen.
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10.2010
Greifer mit Zusatznutzen
Die Zahlen sprechen für sich: Mehrere Tausend Sensoren hat der Kompetenzführer für Spanntechnik und Greifsysteme SCHUNK allein im vergangenen Jahr für den Einsatz in Handhabungsapplikationen verkauft. Während früher meist nur der Zustand des Aktors abgefragt wurde, verwandeln moderne Sensoren die Greifer in intelligente Helfer, die zugleich messen, prüfen, sortieren und den gesamten Prozess beschleunigen. Wie groß die Effizienzpotenziale sind, zeigt ein Überblick über die aktuellen Sensorsysteme für die Handhabung.
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09.2010
Greiftechnik für Industrieroboter
Industrieroboter arbeiten schnell, zuverlässig und rund um die Uhr. Welchen Output und welche Qualität sie erzielen, hängt maßgeblich von der jeweiligen Peripherie, insbesondere von den Greifsystemen ab. Auf der Suche nach dem optimalen Greifer, müssen Konstrukteure und Anwender eine Vielzahl von Einflussfaktoren berücksichtigen. Zusätzlich zur Wirtschaftlichkeit und Prozesssicherheit spielt dabei auch die Zukunftsfähigkeit der Greifsysteme eine immer größere Rolle.
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07.2010
Effiziente Spannmittel zum automatisierten Werkzeugschleifen
Beim Werkzeugschleifen entscheiden wenige Tausendstel Millimeter über die Qualität der gefertigten Werkzeugschneiden. Eine zentrale Rolle spielen dabei die Spannmittel. Angesichts kleiner Losgrößen und unterschiedlichster Werkzeuge sind regelrechte Alleskönner gefragt: Präzise für exakte Schneidengeometrien und -oberflächen. Schlank für einen ungehinderten Schleifscheibenauslauf. Kräftig, damit auch kurze Einspanntiefen und hohe Schleifabträge möglich sind. Variabel, um viele unterschiedliche Schaftdurchmesser abzudecken. Hinzu kommt, dass immer mehr Betriebe automatisierte Schleifmaschinen einsetzen, um die laufenden Kosten zu senken.
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06.2010
Pick & Place Lösungen im Vergleich
Um Bauteile zügig und präzise zu montieren, können Anwender zwischen unterschiedlichsten Pick & Place Lösungen wählen. Die Leistungsmerkmale der Systeme weichen dabei beträchtlich voneinander ab. Wer die optimale Lösung sucht, sollte also genau hinsehen und die jeweiligen Vorteile und Einschränkungen abwägen. Ein Vergleich zeigt, wo die Unterschiede liegen und welche Lösungen sich bei welchen Anwendungen am besten rechnen.
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05.2010
Energieeffizientes Greifen
Energieeffiziente Automationsmodule schlagen im Idealfall zwei Fliegen mit einer Klappe: Zum einen sorgen sie dafür, dass der Energieverbrauch eines Handhabungssystems sinkt. Zum anderen lassen sie Taktraten und damit den Output steigen. Das tut sowohl der Umwelt als auch dem Geldbeutel gut. Es lohnt sich für Anwender, wenn sie auf Maßnahmen setzen, die beides können.
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04.2010
Erfolgsfaktor Engineering -
Mit virtueller Simulation zur optimalen Spannlösung
Wie verformt sich ein Bauteil beim Spannvorgang und bei der Bearbeitung? Welche Spannlösung gewährleistet, dass Werkstücke maßhaltig sind? Wie können vorhandene Spannmittel optimal genutzt werden? Auf diese und ähnliche Fragen liefert die virtuelle Simulation wertvolle Antworten. Mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) lassen sich unter anderem Verformungen und Belastungen von Bauteilen berechnen. So ist es möglich, einzelne Spannoptionen zu vergleichen und zu optimieren. Das erhöht die Prozess- und Investitionssicherheit, verkürzt die Entwicklungszeit, erleichtert die Auswahl geeigneter Spannmittel und senkt die Kosten.
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03.2010
Magnetspanntechnik - hocheffizient bei unterschiedlichsten Aufgaben
Der Magnetismus gehört zu den faszinierendsten und zugleich einflussreichsten Kräften unseres Universums. Dieselbe Kraft machen sich Ingenieure und Techniker zunutze, um Werkstücke blitzschnell zu spannen oder Bauteile sicher zu heben. Inzwischen hat sich die Magnetspanntechnik in unterschiedlichsten Bereichen etabliert: Beim Schleifen ebenso wie beim Fräsen und beim Drehen, bei mobilen Lasthebeeinheiten in der Fertigung ebenso wie bei riesigen Krananlagen. Längst ist es kein Geheimtipp mehr, dass Magnetspannlösungen Rüstzeiten um bis zu 80 Prozent reduzieren, dass sie Werkstücke vollkommen deformationsfrei spannen oder selbst Coils sicher transportieren.
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02.2010
EU-Förderung macht Servicerobotern Beine
Experten sagen der Servicerobotik eine große Zukunft voraus. Kein Wunder: Moderne Roboteranwendungen bieten enorme Potenziale für Wirtschaft und Gesellschaft. Erste Pilotanwendungen zeigen bereits heute, wie der Roboter immer mehr zum intelligenten Helfer des Menschen werden kann. Zusätzlich zu Universitäten und anderen Forschungseinrichtungen sollen künftig vor allem auch Industrieunternehmen die Entwicklung in diesem Bereich vorantreiben und in die Realität übertragen. Aus diesem Grund hat sich die Europäische Union entschlossen, den Know-how-Transfer zwischen Forschungseinrichtungen und Industrie finanziell zu fördern und zu intensivieren.
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01.2010
Flexibel packen und palettieren
Bei großer Variantenvielfalt und häufigen Sortimentswechseln sorgen adaptive Handhabungssysteme für Dynamik und Wirtschaftlichkeit
Jede Woche eine neue Welt - immer schneller wird eine Produktgeneration von der nächsten abgelöst. Was im Handel für neue Impulse sorgt, ist für den Verpackungsprozess eine echte Herausforderung: Gefragt sind immer häufiger schnelle, prozesssichere und zugleich hochflexible Automatisierungslösungen. Mit ihnen lassen sich die Handlingkosten auch bei wachsender Produktvielfalt unter Kontrolle halten.
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Im Fokus - 2013
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