Biologisierte Spanntechnik (BioSpann)

Problemstellung
Der zunehmend industrielle Bedarf filigran ausgeführter Bauteile, beispielsweise Halterungen aus schwer zerspanbaren Stahlwerkstoffen, erfordert angepasste Werkstückspannvorrichtungen. Dazu bedarf es einer deformationsarmen Einspannung, die eine präzise und prozesssichere Bearbeitung ermöglicht. Klassische Spannsysteme können infolge der oftmals ungünstig wirkenden Spannkräfte eine kritische Formabweichung und damit die Schädigung dünnwandiger Bauteile begünstigen. Ansätze zur Weiterentwicklung konventioneller Spannvorrichtungen durch eine Maximierung der Reib- und Haltekräfte könnten dazu beitragen, die Spannnormalkräfte zu reduzieren. Als Vorbild dient hierbei die Zeckenart Ixodes ricinus, die mit Kombinationsgreifwerkzeugen aus robusten Klauen und flexiblen Pads durch verhältnismäßig hohe Haltekräfte überzeugen kann.

Projektziel
Ziel des Forschungsprojekts BioSpann ist die Entwicklung einer Vorrichtung mit funktionalisierten Spannflächen für die prozesssichere Werkstückspannung deformationsempfindlicher Bauteile. Hierzu sollen neuartige Ansätze auf mikro- und nanostruktureller Ebene zusammengeführt werden, um eine biologisierte Spannkontaktfläche zu erarbeiten. Dadurch kann anhand eines gesteigerten Reibschlusses zwischen Werkstück und Spannelement eine effiziente Kraftübertragung realisiert werden.

Vorgehensweise
Hierzu sind relevante Charakteristiken des resultierenden Spann- und Bearbeitungsprozesses mittels Sensorintegration zu erfassen, beispielsweise durch repräsentative Referenzfehler bei der Spannung eines deformationsempfindlichen Bauteils. Dadurch kann die Prozesssicherheit gesteigert und die Wirksamkeit der erarbeiteten Werkstückspannflächen evaluiert werden. Von technologischer Seite wird die Oberflächenstrukturierung sowie -beschichtung mittels PVD-Kohlenstoffschichtsystemen auf den spanntechnischen Kontext fokussiert und weiterentwickelt. Ausgewählte Oberflächenmodifikationen werden in einem Prüfstand hinsichtlich ihrer Haltekraft erprobt. Die resultierenden Spannelemente mit optimiertem Reibschluss in der Kontaktzone sind an einem Demonstrator-Werkstückspannsystem für eine belastungsangepasste Spannung zu validieren. Zur Bewertung des Spannprozesses anhand von Spanndruck und Kontaktsituation bei minimierter Bauteildeformation wird die Vorrichtung zusätzlich um eine entsprechende Druck- und Körperschallsensorik erweitert.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Abschließend soll das Demonstratorsystem in Abstimmung mit Endanwendern aus der Kunststoffverarbeitung, Automotive- und Luftfahrtindustrie im industriellen Fertigungsumfeld zu einem prototypischen Spannsystem überführt werden. Nach der Evaluierung ist die Übertragung auf Serienprodukte ein wesentlicher Schritt, die Leistungsfähigkeit der Produktpalette von KMU im Bereich der Fertigung sowie für den Einsatz neuer Werkstoffe nachhaltig zu stärken. Der Beitrag zur Produktivität von Bearbeitungsprozessen wird durch die Reduktion von Ausschussteilen ergänzt, worüber die Effizienz der Material- und Energieausnutzung sowie die ökonomische und ökologische Konkurrenzfähigkeit von KMU im nationalen und internationalen Marktumfeld gesteigert wird.

• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• Technische Universität Dortmund