Werkstücke mit Vakuum sicher fixieren: SKVTechnik erklärt den Einsatz von Seitenkanalverdichtern an Vakuum-Spanntischen

Vakuum-Spanntische in der industriellen Fertigung: Werkstücke zuverlässig fixieren

In der modernen industriellen Fertigung müssen Werkstücke während der Bearbeitung zuverlässig gehalten werden. Besonders bei CNC-Fräsmaschinen, Bearbeitungszentren und automatisierten Produktionsanlagen ist eine stabile Werkstückfixierung eine wesentliche Voraussetzung für wiederholgenaue Bearbeitungsprozesse.

Neben mechanischen Spannmitteln werden dafür zunehmend Vakuum-Spannsysteme eingesetzt.

Ein Vakuum-Spanntisch hält das Werkstück mithilfe einer Druckdifferenz zwischen der Umgebung und der Kontaktfläche des Werkstücks. Dazu wird die Luft aus dem Bereich zwischen Werkstück und Spannfläche abgesaugt.

Der entstehende Unterdruck ermöglicht es, das Werkstück gegen die Spannfläche zu drücken.

Zur Erzeugung des erforderlichen Unterdrucks können unter geeigneten Bedingungen Seitenkanalverdichter eingesetzt werden.

SKVTechnik bietet FPZ-Seitenkanalverdichter für industrielle Vakuumanwendungen an und unterstützt Anwender bei der Auswahl geeigneter Geräte für die Vakuumversorgung von Spanntischen.

Entscheidend ist dabei nicht allein der erreichbare Unterdruck. Ebenso wichtig ist der Volumenstrom, den der Verdichter unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen bereitstellen kann.

1. Was ist ein Vakuum-Spanntisch?

Ein Vakuum-Spanntisch ist eine Vorrichtung zur Fixierung von Werkstücken mithilfe von Unterdruck.

Die Spannfläche enthält Öffnungen, Kanäle oder entsprechend ausgeführte Vakuumzonen.

Diese sind mit einer Vakuumquelle verbunden.

Wird die Luft aus dem Bereich unter dem Werkstück abgesaugt, entsteht eine Druckdifferenz gegenüber der Umgebung.

Dadurch wirkt eine Kraft auf das Werkstück, die es gegen die Spannfläche drückt.

Die tatsächlich erreichbare Haltekraft hängt unter anderem von der wirksamen Spannfläche und der vorhandenen Druckdifferenz ab.

Auch die Dichtheit zwischen Werkstück und Spannfläche ist entscheidend.

Ein Vakuum-Spanntisch funktioniert deshalb nicht unabhängig von den Eigenschaften des eingesetzten Werkstücks.

2. Warum Vakuumspannung in der CNC-Bearbeitung eingesetzt wird

Bei der CNC-Bearbeitung müssen Werkstücke sicher positioniert werden.

Herkömmliche Spannvorrichtungen verwenden beispielsweise Spannpratzen, Schraubstöcke oder andere mechanische Halteelemente.

Diese können bei bestimmten Bearbeitungsaufgaben den Zugang zum Werkstück einschränken.

Vakuum-Spannsysteme ermöglichen dagegen eine Fixierung über die Auflagefläche.

Dadurch können geeignete Werkstücke auf ihrer Oberseite und an zugänglichen Außenkonturen bearbeitet werden, ohne dass dort mechanische Spannmittel angebracht werden müssen.

Dies kann insbesondere bei flächigen Werkstücken Vorteile bieten.

Allerdings muss die erreichbare Haltekraft für die auftretenden Bearbeitungskräfte ausreichend sein.

3. Typische Anwendungen von Vakuum-Spanntischen

Vakuum-Spanntische werden in unterschiedlichen Bereichen der industriellen Fertigung verwendet.

Dazu gehören unter anderem die Bearbeitung von Kunststoffplatten, Aluminiumplatten, Holzwerkstoffen und geeigneten Verbundmaterialien.

Auch bei der Bearbeitung dünner oder großflächiger Werkstücke kann die Vakuumspannung Vorteile bieten.

Die Eignung hängt jedoch von der Oberflächenbeschaffenheit, der Durchlässigkeit des Materials und den auftretenden Bearbeitungskräften ab.

Nicht jedes Werkstück lässt sich allein durch Vakuum sicher fixieren.

Insbesondere bei kleinen Auflageflächen oder hohen seitlichen Bearbeitungskräften können zusätzliche mechanische Sicherungen erforderlich sein.

4. Wie entsteht die Haltekraft?

Die Haltekraft eines Vakuum-Spanntisches entsteht durch die Druckdifferenz zwischen der Umgebung und dem Bereich unter dem Werkstück.

Vereinfacht lässt sich die theoretische Normalkraft mit folgender Beziehung beschreiben:

F = Δp × A

Dabei bezeichnet F die Kraft in Newton, Δp die Druckdifferenz in Pascal und A die wirksame Fläche in Quadratmetern.

Ein Beispiel verdeutlicht diesen Zusammenhang.

Bei einer wirksamen Spannfläche von 0,1 Quadratmetern und einer Druckdifferenz von 200 Millibar ergibt sich rechnerisch eine Normalkraft von 2.000 Newton.

Dieser Wert beschreibt jedoch zunächst nur die theoretische Kraft senkrecht zur Spannfläche.

Die tatsächlich nutzbare Haltekraft kann durch Leckagen, unvollständige Abdichtung und andere Einflüsse geringer ausfallen.

Außerdem darf die Normalkraft nicht mit der zulässigen seitlichen Bearbeitungskraft gleichgesetzt werden.

Diese hängt unter anderem vom Reibwert zwischen Werkstück und Spannfläche ab.

5. Warum die Werkstückoberfläche wichtig ist

Die Beschaffenheit der Werkstückoberfläche beeinflusst die Funktion eines Vakuum-Spannsystems.

Glatte und ausreichend dichte Oberflächen lassen sich häufig leichter abdichten.

Bei rauen, strukturierten oder porösen Materialien kann dagegen zusätzliche Luft in den Vakuumbereich einströmen.

Diese Luft muss von der Vakuumquelle kontinuierlich abgeführt werden.

Dadurch entsteht ein entsprechender Bedarf an Volumenstrom.

Die Auswahl eines geeigneten Seitenkanalverdichters muss deshalb auch die Eigenschaften des Werkstückmaterials berücksichtigen.

6. Die Bedeutung der Leckage

In einem ideal abgedichteten Vakuumsystem wäre der Luftzustrom nach dem Evakuieren sehr gering.

In der Praxis entstehen jedoch häufig Leckagen.

Diese können beispielsweise durch unebene Werkstückoberflächen, nicht vollständig abgedeckte Vakuumöffnungen oder Undichtigkeiten in den Leitungen verursacht werden.

Auch poröse Werkstoffe können einen kontinuierlichen Luftstrom ermöglichen.

Damit der erforderliche Unterdruck erhalten bleibt, muss die Vakuumquelle den einströmenden Luftvolumenstrom ausreichend ausgleichen können.

Hier können Seitenkanalverdichter bei geeigneten Anwendungen Vorteile bieten.

7. Seitenkanalverdichter als Vakuumquelle

Seitenkanalverdichter sind dynamisch arbeitende Strömungsmaschinen.

Sie können je nach Ausführung für Druck- oder Vakuumanwendungen eingesetzt werden.

Bei einer Vakuumanwendung wird Luft auf der Ansaugseite aufgenommen und auf der Druckseite wieder abgegeben.

Dadurch kann am angeschlossenen System ein Unterdruck entstehen.

Im Unterschied zu bestimmten anderen Vakuumerzeugern zeichnen sich Seitenkanalverdichter durch ihre Fähigkeit aus, kontinuierliche Gasvolumenströme zu fördern.

Dies kann bei Vakuum-Spanntischen mit entsprechenden Leckagevolumenströmen von Bedeutung sein.

Die erreichbare Druckdifferenz ist jedoch begrenzt.

Deshalb muss geprüft werden, ob der vorgesehene Seitenkanalverdichter den benötigten Unterdruck beim erforderlichen Volumenstrom bereitstellen kann.

8. Warum der Volumenstrom entscheidend ist

Bei der Auswahl einer Vakuumquelle wird häufig zunächst der maximal erreichbare Unterdruck betrachtet.

Für die Werkstückspannung reicht diese Betrachtung jedoch nicht aus.

Entscheidend ist auch, wie viel Luft während des Betriebs in das System einströmt.

Bei einem vollständig abgedichteten Werkstück kann dieser Wert relativ gering sein.

Bei porösen Materialien oder offenen Spannbereichen kann dagegen ein erheblicher Volumenstrom erforderlich werden.

Ein Seitenkanalverdichter muss den erforderlichen Luftstrom beim vorgesehenen Unterdruck fördern können.

Die entsprechende Leistungsfähigkeit lässt sich aus der Herstellerkennlinie ableiten.

9. Unterdruck und Volumenstrom gemeinsam betrachten

Die Leistungsdaten eines Seitenkanalverdichters enthalten häufig Angaben zum maximalen Volumenstrom und zum maximal erreichbaren Unterdruck.

Diese Werte dürfen nicht miteinander gleichgesetzt werden.

Der maximale Volumenstrom wird unter anderen Bedingungen erreicht als die maximale Druckdifferenz.

Für die technische Auslegung muss deshalb der tatsächliche Betriebspunkt betrachtet werden.

Dieser ergibt sich aus dem Zusammenwirken der Verdichterkennlinie und der angeschlossenen Anlage.

SKVTechnik empfiehlt, für die Auswahl eines geeigneten FPZ-Seitenkanalverdichters die tatsächlichen Anforderungen des Vakuum-Spanntisches zu ermitteln.

10. Welche Rolle die Spannfläche spielt

Die wirksame Spannfläche ist eine wichtige Größe bei der Vakuumspannung.

Je größer die wirksame Fläche ist, desto höher kann bei gleicher Druckdifferenz die theoretische Normalkraft sein.

Allerdings ist nicht automatisch die gesamte geometrische Werkstückfläche als wirksame Spannfläche anzusetzen.

Entscheidend ist, welcher Bereich tatsächlich abgedichtet und mit Unterdruck beaufschlagt wird.

Aussparungen, Bohrungen und offene Bereiche können die wirksame Fläche reduzieren.

Auch die Anordnung der Vakuumkanäle beeinflusst die Spannwirkung.

11. Dichtungen und Spannzonen

Viele Vakuum-Spannsysteme verwenden Dichtungen oder getrennt schaltbare Spannzonen.

Damit kann der Unterdruck gezielt auf bestimmte Bereiche der Spannfläche begrenzt werden.

Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn unterschiedliche Werkstückgrößen bearbeitet werden.

Nicht benötigte Spannzonen sollten entsprechend dem vorgesehenen Systemkonzept geschlossen werden können.

Dadurch lassen sich unnötige Leckagen reduzieren.

Eine geeignete Abdichtung kann den erforderlichen Volumenstrom und damit die Anforderungen an die Vakuumquelle beeinflussen.

12. Vakuumspannung bei Aluminiumwerkstücken

Aluminiumwerkstücke werden häufig in CNC-Bearbeitungszentren verarbeitet.

Bei geeigneter Werkstückgeometrie kann die Vakuumspannung eine Alternative zu bestimmten mechanischen Spannverfahren darstellen.

Besonders flächige Werkstücke können von einer großflächigen Auflage profitieren.

Allerdings entstehen bei der Fräsbearbeitung Kräfte in unterschiedlichen Richtungen.

Deshalb muss geprüft werden, ob die durch Vakuum erzeugte Spannkraft zusammen mit der vorhandenen Reibung und gegebenenfalls zusätzlichen Anschlägen ausreichend ist.

Eine pauschale Eignung für sämtliche Fräsarbeiten lässt sich daraus nicht ableiten.

13. Vakuumspannung bei Kunststoffplatten

Kunststoffplatten können je nach Material und Oberflächenbeschaffenheit für die Vakuumspannung geeignet sein.

Bei glatten und ausreichend dichten Werkstücken kann eine wirksame Abdichtung erreicht werden.

Bei strukturierten oder durchlässigen Materialien kann dagegen ein erhöhter Luftvolumenstrom notwendig sein.

Auch die Verformbarkeit des Werkstücks muss berücksichtigt werden.

Ein zu hoher Unterdruck kann bei empfindlichen Bauteilen zu unerwünschten Verformungen führen.

Deshalb müssen Spannkraft und Werkstückeigenschaften aufeinander abgestimmt werden.

14. Vakuumspannung bei Holzwerkstoffen

Im Bereich der Holzverarbeitung werden Vakuum-Spannsysteme unter anderem an CNC-Bearbeitungsmaschinen eingesetzt.

Holzwerkstoffe unterscheiden sich jedoch hinsichtlich ihrer Luftdurchlässigkeit.

Während bestimmte beschichtete Platten vergleichsweise gut abdichten, können andere Werkstoffe einen höheren Luftdurchsatz aufweisen.

Für solche Anwendungen ist die Fähigkeit der Vakuumquelle zum kontinuierlichen Lufttransport besonders wichtig.

Ob ein Seitenkanalverdichter geeignet ist, hängt vom benötigten Betriebspunkt ab.

15. Werkstückwechsel und Rüstzeiten

Ein Vorteil geeigneter Vakuum-Spannsysteme kann im vereinfachten Werkstückwechsel liegen.

Mechanische Spannmittel müssen je nach Anwendung einzeln gelöst und wieder befestigt werden.

Bei einer Vakuumspannung kann das Werkstück nach dem vorgesehenen Abschalten oder Belüften der Spannzone entnommen werden.

Dadurch lassen sich bei passenden Anwendungen Rüstabläufe vereinfachen.

Die tatsächlich erreichbare Zeitersparnis hängt von der Konstruktion des Spanntisches und vom Produktionsprozess ab.

16. Wiederholgenauigkeit und Positionierung

Bei der CNC-Bearbeitung ist eine wiederholgenaue Positionierung des Werkstücks erforderlich.

Ein Vakuum-Spanntisch kann hierzu beitragen, wenn das Werkstück definiert aufliegt und zuverlässig gegen geeignete Anschläge positioniert wird.

Der Unterdruck übernimmt dabei die Fixierung.

Die Positionierung selbst muss durch das Spannsystem sichergestellt werden.

Eine Vakuumspannung ersetzt deshalb nicht automatisch alle erforderlichen Positionier- und Sicherungselemente.

17. Bearbeitungskräfte berücksichtigen

Während der Zerspanung wirken Kräfte auf das Werkstück.

Diese können sowohl senkrecht als auch parallel zur Spannfläche auftreten.

Die durch Unterdruck erzeugte Normalkraft trägt zur Fixierung bei.

Die Widerstandsfähigkeit gegen seitliches Verschieben hängt jedoch unter anderem vom Reibwert und von zusätzlichen Anschlägen ab.

Deshalb muss die Werkstückspannung für die vorgesehenen Bearbeitungskräfte ausgelegt werden.

Besonders bei hohen Schnittkräften oder kleinen Werkstücken kann eine zusätzliche mechanische Sicherung erforderlich sein.

18. Warum ein Vakuum-Spanntisch nicht jede Spannaufgabe ersetzt

Vakuum-Spannsysteme bieten bei geeigneten Werkstücken technische Vorteile.

Sie sind jedoch nicht für jede Anwendung gleichermaßen geeignet.

Kleine Spannflächen, stark poröse Materialien oder hohe seitliche Bearbeitungskräfte können die Einsatzmöglichkeiten begrenzen.

Auch bei sicherheitskritischen Bearbeitungsschritten muss die erforderliche Werkstückfixierung nachgewiesen werden.

Die Entscheidung für ein Vakuum-Spannsystem sollte deshalb auf einer konkreten technischen Bewertung beruhen.

19. Schutz vor Spänen und Verunreinigungen

Bei der CNC-Bearbeitung entstehen Späne und andere Verunreinigungen.

Diese dürfen nicht unkontrolliert in die Vakuumquelle gelangen.

Je nach Anwendung sind deshalb geeignete Filter, Abscheider oder weitere Schutzmaßnahmen erforderlich.

Die Auswahl richtet sich nach Art und Menge der zu erwartenden Verunreinigungen.

Auch die Druckverluste dieser Komponenten müssen bei der Dimensionierung berücksichtigt werden.

20. Die Bedeutung der Rohrleitungen

Zwischen dem Vakuum-Spanntisch und dem Seitenkanalverdichter befinden sich üblicherweise entsprechende Leitungen.

Diese verursachen Strömungswiderstände.

Die Druckverluste hängen unter anderem von Leitungslänge, Durchmesser und Volumenstrom ab.

Auch Bögen, Armaturen und Filter beeinflussen die Druckverhältnisse.

Deshalb sollte die Leitungsführung bei der Anlagenplanung berücksichtigt werden.

21. Filterwartung und Betriebssicherheit

Filter können sich während des Betriebs zusetzen.

Dadurch steigt der Strömungswiderstand.

Dies kann den Betriebspunkt des Verdichters verändern und die verfügbare Vakuumleistung am Spanntisch beeinträchtigen.

Eine regelmäßige Kontrolle und Wartung der vorgesehenen Filter ist deshalb wichtig.

Die Wartungsintervalle müssen sich nach den tatsächlichen Einsatzbedingungen richten.

22. Kontinuierlicher Betrieb

In automatisierten Fertigungsanlagen können Vakuum-Spannsysteme über längere Zeiträume betrieben werden.

Bei der Auswahl eines Seitenkanalverdichters muss deshalb berücksichtigt werden, ob das jeweilige Modell für den vorgesehenen Betriebszustand und die erforderliche Einschaltdauer geeignet ist.

Auch die zulässigen thermischen Betriebsgrenzen sind zu beachten.

Die maßgeblichen Angaben ergeben sich aus den Herstellerunterlagen.

23. Wärmeentwicklung und Aufstellung

Während des Betriebs entsteht im Seitenkanalverdichter Wärme.

Die Wärmeentwicklung hängt von den Betriebsbedingungen ab.

Deshalb müssen die vom Hersteller vorgesehenen Aufstellbedingungen eingehalten werden.

Eine ausreichende Kühlung und die Einhaltung der zulässigen Umgebungstemperaturen sind wichtig.

Bei einer Aufstellung innerhalb einer Maschinenverkleidung muss die Wärmeabfuhr besonders sorgfältig geprüft werden.

24. Geräuschentwicklung

Auch die Geräuschentwicklung kann bei der Auswahl einer Vakuumquelle eine Rolle spielen.

Seitenkanalverdichter erzeugen während des Betriebs Strömungs- und Antriebsgeräusche.

Die tatsächliche Geräuschentwicklung hängt unter anderem von Baugröße und Betriebspunkt ab.

Bei entsprechenden Anforderungen können geeignete Schalldämpfer oder herstellerseitig vorgesehene Schallschutzlösungen berücksichtigt werden.

Dabei dürfen die zulässigen Betriebsbedingungen nicht beeinträchtigt werden.

25. Überwachung des Unterdrucks

Für bestimmte Anwendungen kann eine Überwachung des tatsächlich vorhandenen Unterdrucks sinnvoll oder erforderlich sein.

Damit lässt sich feststellen, ob die vorgesehenen Spannbedingungen erreicht werden.

Je nach Sicherheitskonzept können geeignete Drucksensoren und Steuerungsfunktionen eingesetzt werden.

Die Auslegung solcher Überwachungsfunktionen ist Aufgabe des Maschinen- beziehungsweise Anlagenbauers.

Insbesondere muss festgelegt werden, wie die Maschine bei unzureichender Werkstückspannung reagieren soll.

26. Verhalten bei Ausfall der Vakuumversorgung

Fällt die Vakuumversorgung aus, kann die Haltekraft abnehmen.

Dies muss bei der Sicherheitsbetrachtung der Maschine berücksichtigt werden.

Je nach Anwendung können zusätzliche Maßnahmen erforderlich sein.

Dazu gehören beispielsweise geeignete Überwachungseinrichtungen, mechanische Sicherungen oder definierte Reaktionen der Maschinensteuerung.

Die konkrete Lösung hängt von den Risiken des jeweiligen Bearbeitungsprozesses ab.

27. Energiebedarf der Vakuumversorgung

Der Energiebedarf eines Vakuum-Spannsystems hängt unter anderem von der gewählten Vakuumquelle und den tatsächlichen Betriebsbedingungen ab.

Auch Leckagen beeinflussen die erforderliche Förderleistung.

Eine sorgfältige Abdichtung und die passende Dimensionierung des Seitenkanalverdichters können deshalb wirtschaftlich relevant sein.

Die tatsächliche elektrische Leistungsaufnahme muss anhand der Herstellerdaten und des vorgesehenen Betriebspunkts beurteilt werden.

28. Warum eine Überdimensionierung nicht automatisch sinnvoll ist

Ein größerer Seitenkanalverdichter stellt nicht automatisch die wirtschaftlichste Lösung dar.

Entscheidend ist, ob der benötigte Unterdruck beim erforderlichen Volumenstrom erreicht wird.

Eine unnötige Überdimensionierung kann höhere Anschaffungskosten verursachen.

Auch die elektrische Leistungsaufnahme kann ungünstig ausfallen.

Deshalb sollte die Auswahl auf den tatsächlichen Anforderungen beruhen.

29. Technische Auslegung durch SKVTechnik

SKVTechnik unterstützt Kunden bei der Auswahl geeigneter FPZ-Seitenkanalverdichter für industrielle Vakuumanwendungen.

Für eine erste technische Bewertung sind insbesondere Angaben zur erforderlichen Druckdifferenz und zum benötigten Volumenstrom wichtig.

Darüber hinaus sollten die Betriebsdauer, die Art des Fördermediums und die vorhandenen Betriebsbedingungen bekannt sein.

Bei Vakuum-Spanntischen sind zusätzlich Informationen über Werkstückgrößen, Werkstoff und zu erwartende Leckagen hilfreich.

Auf dieser Grundlage kann eine geeignete Verdichterausführung geprüft werden.

30. Vorteile der Vakuumspannung zusammengefasst

Vakuum-Spannsysteme können bei geeigneten Anwendungen eine Reihe technischer Vorteile bieten.

Dazu gehören eine weitgehend frei zugängliche Werkstückoberseite, vereinfachte Spannabläufe und die Möglichkeit, flächige Werkstücke zu fixieren.

Besonders bei wiederkehrenden Bearbeitungsaufgaben kann dies die Produktionsabläufe unterstützen.

Voraussetzung ist jedoch immer eine ausreichend sichere Werkstückspannung.

Die Vakuumversorgung muss deshalb passend zum jeweiligen Spanntisch ausgelegt werden.

Fazit

Vakuum-Spanntische sind eine interessante Lösung für die Werkstückfixierung in der industriellen Fertigung.

Sie ermöglichen die Fixierung geeigneter Werkstücke durch eine Druckdifferenz zwischen der Umgebung und der Spannfläche.

Seitenkanalverdichter können dabei die erforderliche Vakuumversorgung bereitstellen.

Besonders bei Anwendungen mit kontinuierlichen Leckagevolumenströmen kann ihr Förderprinzip von Vorteil sein.

Entscheidend sind jedoch die tatsächlichen Anforderungen des Spanntisches.

Neben der erforderlichen Druckdifferenz müssen der Volumenstrom, die wirksame Spannfläche und die auftretenden Bearbeitungskräfte berücksichtigt werden.

SKVTechnik unterstützt Anwender, Konstrukteure und Maschinenbauer bei der Auswahl geeigneter FPZ-Seitenkanalverdichter für industrielle Vakuumanwendungen.

Weitere Informationen:

https://www.skvtechnik.de/