Filtration in CNC-Vakuum-Niederhalteranwendungen
Filtration in CNC-Vakuum-Niederhalteranwendungen
Mit der Entwicklung unserer Werkzeuge im Laufe der Jahrhunderte hat sich auch die Art und Weise verändert, wie wir sie nutzen und entwickeln. Die Fertigungsindustrie arbeitet heute mit fortschrittlichen Werkzeugen und Geräten, um anspruchsvollere Arbeiten zu erledigen, die oft Präzision erfordern. Ein bestimmter Gerätetyp, die CNC-Maschine (Computerized Numerical Control), hat seit ihrer Einführung eine beachtliche Entwicklung durchlaufen. Heute sind CNC-Maschinen, darunter CNC-Fräsen, CNC-Drehmaschinen, CNC-Laser, CNC-Fräsen, 3D-Drucker und mehr, in der gesamten Industrie zu finden. Dieser Artikel befasst sich mit den Methoden der Vakuumfixierung in CNC-Anwendungen und Filterlösungen zum Schutz der in Vakuumfixierungsprozessen eingesetzten Vakuumgeräte.
Fortschritte bei Bearbeitungs- und Fräsprozessen
Die Bearbeitung von Materialien wie Metall, Holz, Kunststoff und Kohlefaser ermöglicht die Herstellung von Präzisionsteilen für verschiedene Branchen. Ab den 1940er Jahren begann die Entwicklung von NC-Maschinen (Numerical Control). Diese servogesteuerten Bearbeitungsmaschinen sind so programmiert, dass sie eine Reihe von Bearbeitungsfunktionen ausführen, um ein Teil herzustellen. Anfangs geschah dies mithilfe von Lochkarten. Lochkarten sind starre Papierkarten, in die eine Reihe von Löchern gestanzt wurden, um die Bewegungen der Maschine zu steuern oder zu „programmieren“. Mit dem Aufkommen des Computerzeitalters verbesserten sich auch die Programmierung, Kodierung und Steuerung dieser Bearbeitungsmaschinen.
Eine CNC-Lochkarte (oder „Lochkarte“). In die Karte werden Löcher gestanzt, um Rechenanweisungen oder Programme zu definieren.
Heute sind CNC-Maschinen in Produktionsanlagen weit verbreitet. Neben den technologischen Fortschritten zur Steuerung von Maschinenaktivitäten haben sich auch Methoden entwickelt, wie zum Beispiel das Niederhalten von zu bearbeitenden Teilen. Früher wurden Teile während der Bearbeitung mechanisch auf einem Tisch festgeklemmt und in ein fertiges Teil verwandelt. Eine Herausforderung bei dieser Methode besteht darin, dass das Material beim Festklemmen beschädigt werden kann. Selbst bei Verwendung von Schutzpolstern oder -materialien besteht die Gefahr, Teile zu zerkratzen und zu beschädigen, da erheblicher Druck erforderlich ist, um die Materialien während der Bearbeitung am Verrutschen zu hindern. Verrutschen und Bewegen des zu bearbeitenden Materials können einen hohen Nacharbeits- oder Ausschussbedarf zur Folge haben und für den Hersteller kostspielig sein. Eine weitere Herausforderung, insbesondere bei der Fertigung kundenspezifischer Teile, besteht darin, dass Spannvorrichtungen den Bearbeitungsprozess behindern können. Wenn sich das Werkzeug auf dem Tisch bewegt, kann es gegen eine Spannvorrichtung laufen. Dies kann kostspielige Schäden am Werkzeug oder der Spannvorrichtung verursachen.
Vakuum-Niederhalter in CNC-Bearbeitungs- und Fräsanwendungen
In den meisten modernen Bearbeitungsvorgängen gibt es eine Art Vakuumhalterung, die den Bedarf an mechanischen Klemmen minimiert oder eliminiert. Stellen Sie sich vor, Sie halten den Werkstattsauger in Ihrer Garage an Ihre offene Handfläche. Der Sog hält die Düse fest an Ihrer Hand. Dasselbe Prinzip gilt für die Vakuumhalterung in der CNC-Bearbeitung.
Der Niederhaltertisch besteht aus einer flachen, perforierten Tischplatte mit einem Raster aus kleinen Löchern über die gesamte Oberfläche. Mithilfe einer Vakuumpumpe wird an der Unterseite des Tisches ein Unterdruck angelegt, der an den Löchern einen Luftstrom und Sog erzeugt. Mit einem richtig dimensionierten Vakuumpumpensystem ist der Sog stark genug, um flache Materialien fest auf dem Tisch zu halten. Diese enorme Haltekraft ermöglicht das Schneiden oder Bearbeiten eines Teils, ohne sich zu bewegen. Sobald das Vakuum unterbrochen oder entfernt wird, können die Teile entnommen werden. Ein Nachteil dieser Niederhaltermethode ist die Steuerung des Luftstroms durch die Perforationen. Wenn zu viele Löcher in der Tischplatte offen sind, erreicht das System nicht das erforderliche Vakuumniveau, um die Materialien während des Bearbeitungsprozesses an Ort und Stelle zu halten. Eine effektive Tischplattenverwaltung erfordert Anpassungen vor und während der Produktion, um sicherzustellen, dass während des gesamten Bearbeitungszyklus ein ausreichendes Vakuum zur Verfügung steht.
CNC-Fräsmaschine mit großem Vakuum-Niederhaltetisch in einer Holzbearbeitungsanlage.
Eine weitere gängige Vakuumhaltemethode verwendet einen Vakuumbehälter. Bei dieser Methode hat der Behälter eine spezielle Form, die dem Profil des zu haltenden Teils entspricht. Um den Umfang des Behälters herum wird Dichtungsmaterial verwendet, um sicherzustellen, dass das bearbeitete Teil fest am Vakuumbehälter gehalten wird. Diese Methode ist deutlich gezielter und konzentriert den Vakuumdruck auf das jeweilige Teil oder die jeweilige Teilereihe. Der Behälter benötigt in der Regel einen deutlich geringeren Durchfluss einer kleineren Vakuumpumpe, da die Oberfläche deutlich kleiner und der zu vakuumierende Bereich sehr spezifisch ist.
Filtrationsherausforderungen bei CNC-Vakuum-Niederhalteranwendungen
Alle Vakuum-Niederhaltemethoden stellen eine Herausforderung für die kritischste Komponente dieses Bearbeitungsprozesses dar: die Vakuumpumpe. Ohne funktionierende Vakuumpumpe gibt es keine Niederhaltung und keine Produktion. Bei reduzierter Kapazität der Vakuumpumpe kann es zu hohen Ausschussraten und einem Zyklusstillstand kommen. Beide Szenarien sind für die Bediener unerfreulich.
Beim Schneiden oder Bearbeiten der Materialien entstehen Partikel wie Staub oder Späne, die durch freie Öffnungen im Lochtisch oder in der Lochkammer zur Vakuumpumpe gelangen. Die meisten Anlagen, die Vakuumniederhalter einsetzen, sind sich der Bedeutung des Schutzes und der Wartung der Vakuumpumpe bewusst. Ein Ausfall der Vakuumpumpe kann zum Stillstand einer gesamten Produktionslinie und zu teuren Reparaturen führen.
Von rechts nach links: Hochleistungs-Vorfilter, der große Partikel aus der CNC-Holzbearbeitung entfernt, bevor ein durchgehender Polyester-Vakuumfilter für feine Partikel zum Einsatz kommt.
Wie schützt man seine Vakuumpumpe und hält die Produktion am Laufen? Um diese Frage zu beantworten, ist es wichtig, die Prozessvariablen zu verstehen. Erstens: Welches Material wird geschnitten oder bearbeitet? Zweitens: Welche Art von Vakuumpumpe wird verwendet (Technologie, Durchflussleistung, benötigtes Vakuumniveau usw.)? Drittens: Werden im Bearbeitungsprozess weitere Zusätze wie Kühlschmierstoffe eingesetzt? Nachdem alle vorherigen Fragen beantwortet sind, kann ein maßgeschneidertes Vakuumsystem mit der passenden Filterlösung bereitgestellt werden.
CNC-Fräsen mit Vakuumniederhaltung wird häufig in der Holzverarbeitung eingesetzt. Nahezu jedes Möbelstück besteht aus Platten oder Rahmen, die von einer CNC-Maschine aus Holz oder Spanplatten geschnitten wurden. CNC-Bearbeitung und Vakuumniederhaltung werden auch für die Bearbeitung anderer Materialien wie Legierungen, Schaumstoff, Kohlefaser, Harz und vielen anderen eingesetzt. Allen Materialien gemeinsam ist, dass die während des Bearbeitungsprozesses entstehenden Prozessrückstände in den Vakuumstrom gesaugt werden. Je nach bearbeitetem und/oder geschnittenem Material gibt es Unterschiede in der Konsistenz der Rückstände. Beispielsweise erzeugt Holz größere Staubpartikel, während Kohlefaser deutlich feinere Partikel erzeugt. Beim Schneiden von Metalllegierungen wird üblicherweise eine Schneidflüssigkeit verwendet, die den Prozess unterstützt und in die Vakuumpumpe gesaugt werden kann. Angesichts der Komplexität und Vielzahl der bei CNC-Fräs- und Bearbeitungsmaschinen verwendeten Materialien tragen ein Vakuumsystem und eine Filterlösung, die die spezifischen Prozessanforderungen erfüllen, dazu bei, die Prozessverfügbarkeit und Betriebseffizienz zu maximieren.
Partikelverunreinigungen in Vakuumhalterungen
Verunreinigungen in Form von Staub und Pulverpartikeln treten häufig beim Holz- und Harzfräsen auf. Bei der Auswahl der richtigen Filterung für die Vakuumpumpe ist es wichtig, Größe und Volumen der aus dem CNC-Prozess mitgeführten Partikel zu berücksichtigen. Abhängig von den Prozessvariablen und Partikeleigenschaften kann ein einzelner Inline-Vakuumpumpenfilter bei geringer Staubbelastung die richtige Lösung sein. Bei höherer Staubbelastung kann ein komplexes mehrstufiges Filtersystem mit speziellen Filtermedien erforderlich sein. Holzfräsanwendungen erzeugen typischerweise große Mengen an Staubpartikeln, die in den Vakuumstrom gelangen. In diesem Fall empfiehlt sich eine zweistufige Filterlösung. Die erste Stufe entfernt größere Partikel und verlängert die Lebensdauer des primären Filters der zweiten Stufe. Beispielsweise Solberg Spinmeister Filter kann genutzt werden, um den Großteil des Materials durch Zentrifugalkraft herauszuschleudern. Der Primärfilter wäre ein traditioneller gefalteter 5-Mikron- oder 1-Mikron-Filter Polyester-Filterelement um den feineren Staub aufzufangen, der möglicherweise über die erste Stufe hinausgetragen wird.
Von rechts nach links: Ein Hochleistungs-Vorfilter fängt große Partikel vor einem Inline-Vakuumpumpenfilter in einer CNC-Anwendung zur Holzverarbeitung auf.
Materialien, die feinere Staubpartikel produzieren, wie z. B. Kohlefasern, erfordern spezielle Filterlösungen. Bei der Bearbeitung von Kohlefasern entsteht feiner Staub, dessen Konsistenz Talkumpuder ähnelt. Bei Anwendungen mit hoher Staubbelastung kann dieser Feinstaub Standard-Polyesterfiltermedien schnell verstopfen. Für diese Anwendung Reverse-Pulse-Technologie ist die ideale Lösung zur Bekämpfung hoher Feinstaubbelastungen. Das Rückwärtsimpulssystem verwendet ein spezielles Filterelement aus einem taktarmen Filtermedium mit hervorragenden Abscheideeigenschaften. Das Filterelement ist so konstruiert, dass es periodischen Druckluftstößen standhält, die den aufgenommenen Staub in einen Auffangbehälter befördern. Diese selbstreinigende Filtertechnologie ermöglicht einen kontinuierlichen Luftstrom durch den Vakuumprozess und verlängert die Wartungsintervalle. Die Rückwärtsimpulskonfiguration kann so optimiert werden, dass die Impulse je nach Bedarf eingesetzt werden, um den Prozess am Laufen und sauber zu halten.
Flüssigkeitskontamination im Vakuumniederhalter
Bei der Bearbeitung von Metalllegierungen ist es üblich, Kühlschmiermittel zur Kühlung der Werkzeuge einzusetzen. Bei dieser Vakuum-Niederhalteanwendung treten Verunreinigungen sowohl in flüssiger als auch in partikulärer Form auf. Ein mehrstufiges Knockout-System ist im Allgemeinen die beste Lösung, um hohe Flüssigkeitsmengen zu bewältigen und die Vakuumanlage sicher zu halten. Die meisten mehrstufigen Filtersysteme verwenden Leitbleche, Geschwindigkeitsregler und einen Partikelfilter in der Endstufe, um die Schadstoffwanderung zur Vakuumpumpe zu minimieren. Bei hoher Flüssigkeitsbelastung oder ständiger Entleerung können automatische Ablasssysteme eingesetzt werden, um Flüssigkeit aus dem Abscheidebehälter zu entfernen, ohne den Vakuumprozess zu unterbrechen. Durch die Automatisierung entfällt die Notwendigkeit, den Flüssigkeitsstand zu überwachen und den Abscheidebehälter manuell zu entleeren. Automatische Ablasssysteme tragen dazu bei, das Potenzial menschlicher Fehler zu minimieren und sind für den Schutz von Vakuumpumpen in Vakuum-Niederhalteanwendungen, in denen Flüssigkeiten vorhanden sind, von entscheidender Bedeutung.
Ein Inline-Vakuumfilter Auffangen feiner Metallpartikel (Mitte links) und Flüssigkeitsabscheider Auffangen von Schneidflüssigkeit (oben rechts), bevor sie in die Vakuumpumpe einer CNC gelangt.
Fazit: Schützen Sie Ihre Vakuumpumpe
Vakuumpumpen spielen eine wichtige Rolle in CNC-Produktionsprozessen. Bei ausreichendem Vakuum ist die Vakuumhaltung eine hochwirksame Methode zur sicheren Befestigung von Teilen. Angesichts der hohen Partikel- und Flüssigkeitsmengen, die während des Prozesses freigesetzt werden, ist der Schutz der Vakuumpumpe vor schädlichen Verunreinigungen für den reibungslosen Betrieb der CNC-Produktionsanlagen unerlässlich. Bei allen Vakuumpumpentechnologien kann es zu Leistungseinbußen und Ausfällen kommen, wenn zu viele Verunreinigungen aufgenommen werden. Die Kosten für den Umbau oder Austausch einer Vakuumpumpe sind deutlich höher als die Implementierung und Wartung einer Filterlösung.
Wie bereits erwähnt, stehen zahlreiche Standard- und kundenspezifische Filteroptionen zur Verfügung, um jeden Vakuum-Niederhalteprozess zu optimieren, egal wie anspruchsvoll er ist. Die Wahl des richtigen Filter- und Abscheideschutzes für ein Vakuum-Niederhaltesystem kann Betreibern von CNC-Produktionsanlagen viel Zeit, Geld und Ärger ersparen.