Über die Ergänzung der universitären Lehre durch zugeschnittene Anschauungsmittel freut sich jeder Studierende im Ingenieurswesen. Ein studentisches Duo konnte nun diesen Wunsch am Institut für Spanende Fertigung (ISF) der Technischen Universität in Dortmund erfüllen und realisierte eine komplexe und gleichzeitig kompakte Modell-Fräsmaschine.

Ein Beitrag von Prof. Dirk Biermann, Ivan Iovkov, Tobias Brunsmann und Christoph Riebold

Wie ist eine Werkzeugmaschine aufgebaut? Welche Komponenten und Schnittstellen beinhaltet eine Fräsmaschine und wie gestaltet sich die Entwicklung? Diese und weitere Fragen stellten sich die Maschinenbaustudenten Christoph Riebold und Tobias Brunsmann an der TU Dortmund im Rahmen ihrer wissenschaftlichen Projektarbeit am Institut für Spanende Fertigung. Als Ergebnis konnte eine hochwertige, vollfunktionsfähige Modell-Fräsmaschine mit drei Achsen in Fahrständerbauweise als Prototyp realisiert werden.

Eine echte Werkzeugmaschine realitätsnah abbilden
Bei der Umsetzung wurde ein besonderes Augenmerk auf die geeignete konstruktive Ausarbeitung mit der Integration aller notwendigen Funktionskomponenten, hinreichender Toleranzen sowie einer bedienerfreundlichen Schnittstelle gelegt. Grundlage der realisierten Steuerung bildet ein Raspberry Pi, auf dem das Benutzerinterface und der gesamte Funktionsumfang programmiertechnisch umgesetzt wurden. Die Bedienung erfolgt dabei über ein modernes Touchscreen. Unter anderem können ein manueller (Jog-)Betrieb und ein automatischer Modus zum Verfahren der drei werkzeugseitig umgesetzten Maschinenachsen verwendet werden. Ferner ist eine Referenzfahrt durchführbar. Besonders sticht die Möglichkeit des Einlesens vom CNC-Code (G-Code) heraus, was bei modernen Werkzeugmaschinen den Stand der Technik widerspiegelt.

 Ebenso wurden gängige Sicherheitstechniken/-mechanismen implementiert. Somit wird der Arbeitsraum softwareseitig begrenzt; durch vorgesehene Mikro-Endschalter werden ebenso Kollisionen hardwareseitig verhindert. Sollte es zu Gefahrensituationen kommen, kann die Stromversorgung der Antriebseinheiten über den realisierten Not-Aus-Schalter der Stoppkategorie 0 nach EN 60204-1 vollständig spannungsfrei geschaltet werden. In Summe ermöglicht die Maschine durch die zusätzlich vorgesehene Werkzeugeinspannung auch die tatsächliche Fräs- beziehungsweise Bohrbearbeitung von Modellbaumaterialien.

 Angetrieben werden die Bewegungsachsen der knapp 15 kg schweren Maschine durch Schrittmotoren, welche über einen Trapezgewinde-Mutter-Trieb und Zahnriemen mit den AchsKomponenten verbunden sind. Die Werkzeugspindel wird von einem Gleichstrommotor in Rotation versetzt, wobei die Drehzahl mittels Pulsweitenmodulation eingestellt werden kann.

Ein vollständiger Konstruktions- und Entwicklungsprozess
 zur Umsetzung der Aufgabenstellung wurden die an den methodischen Konstruktionsprozess der VDI-Richtlinie 2222 angelehnten Entwicklungsphasen durchlaufen. Aufbauend auf einer Anforderungsliste und ersten aufgestellten Konzeptideen konnte eine Handskizze als Grundlage erstellt werden. Im Anschluss wurde ein detailliertes Gesamtmodell der Fräsmaschine in einer CAD-Umgebung geschaffen. Nach Fertigung der Maschinenkomponenten, Beschaffung von Zukaufteilen und diversen Testläufen erfolgten die vollständige Montage sowie die Inbetriebnahme. Besonders zeichnet sich das Projektergebnis durch seinen offenen Aufbau und die einfache Zugänglichkeit der eingesetzten Maschinenelemente aus.

Die Studierenden arbeiteten zwischen Vorlesungen und Klausuren an der Umsetzung, welche daher eine Herausforderung darstellte. Wie durch Riebold betont, »war sowohl das Zeitmanagement als auch der Gesamtüberblick über das Projekt eine wichtige Aufgabe«. Durch die Realisierung der Fräsmaschine in Differentialbauweise in Verbindung mit Aluminiumleichtbauteilen sowie gezielt an das Design angepasste 3D-Druck-Komponenten konnte ein sehr geringes Gewicht von m < 15 kg des batteriebetriebsfähigen Gesamtsystems erzielt werden. Durch den Einsatz eines Akkumulators wurde die mobile Nutzung der Maschine innerhalb von Lehrveranstaltungen ermöglicht beziehungsweise erleichtert. »Das Projekt war ein voller Erfolg und wir können mit unserer Arbeit sehr zufrieden sein«, beschreibt Brunsmann das Endergebnis nach erfolgreicher Präsentation in der Vorlesung.