Säker fastspänning av små paneler med vacuum

ASSTEC Assembly Technology GmbH & Co. KG är specialiserade på att utveckla och skapa ergonomiska arbetsplatser. Produkt- och tjänsteutbudet omfattar allt från leverans av enskilda komponenter för tillverkning av monterings-, test- och leveransarbetsstationer till design och tillverkning av individuella produktionsceller i ett stycke för industriell tillverkning.

När man tillverkar bordsskivor och ytbeläggning, eller arbetar med material för att bygga handelsfixturer, kanaler, lådor och hyllor, använder ASSTEC vanligtvis högtryckslaminerade paneler (HPL) som bearbetas i en CNC-maskin. Dessa paneler spänns fast på ett vakuumbord.

För vakuumgenereringen förlitar sig ASSTEC på en MINK klovakuumpump från Busch. Vakuumpumpen genererar ett konstant högvakuum, vilket gör det möjligt att säkert hålla fast även små arbetsstycken.

Om ASSTEC

De olika avdelningarna på ASSTEC:s huvudkontor i Rottweil (workshops, verktyg, design, implementering) arbetar för att uppnå effektivitet i alla aspekter av produktionsprocesserna inom alla sektorer av tillverkningsindustrin. De erbjuder också ett konsultprogram med särskilda workshops om ämnen som planering av layout och materialflöde, reducering av bearbetningstider, design av ergonomiska arbetsstationer och verkstadshanteringen.

Sammanfattningsvis tar ASSTEC sig an allt som gör tillverkningen snabbare och effektivare, samtidigt som arbetsstationerna blir mer ergonomiska och säkra. Efter att ha arbetat med sina kunder för att utveckla ett koncept använder ASSTEC pappmodell-prototyper i full storlek (1:1) för att utföra tester. Detta steg följs av design och tillverkning av de enskilda arbetsstationerna (fig. 1) och deras utrustning.

Fasthållningspaneler

Vid arbete med paneler använder ASSTEC företrädesvis HPL i olika tjocklekar som sedan bearbetas på en CNC-maskin (fig. 2). Denna maskin används även för att fräsa eller gravera polykarbonat, andra plaster och aluminiumpaneler.

Tillverkaren installerade fyra sugfläktar på maskinen. Var och en av dessa sugfläktar försörjde en av fyra kvadranter, som hela bearbetningsbordet hade delats upp i. Varje kvadrant mätte 3 000 x 500 millimeter. Detta gjorde det möjligt för maskinen att säkert hålla fast paneler på upp till 2 x 3 meter i storlek. Vakuumet som genererades av sugfläktarna var även tillräckligt starkt för att hålla fast paneler som täckte en av bordets fyra kvadranter. Hållkraften var dock för låg för mindre arbetsstycken, vilket gjorde att de ofta gled över bordet under processen.

I ett försök att motverka denna svaghet hos systemet försökte företaget minska maskinens matningshastighet, men denna lösning bedömdes vara otillräcklig. Marc Blessing, verkställande direktör på ASSTEC, började därför leta efter en bättre teknisk lösning och pratade med vakuumspecialisterna hos Busch Vacuum Solutions.

Buschs vakuumlösning och dess fördelar för kunden

De rekommenderade att använda en MINK MV klovakuumpump, som skulle kunna ersätta de fyra befintliga sugfläktarna.

ASSTEC bestämde sig för att implementera denna lösning och ersatte sedan de fyra sugfläktarna med en MINK MV klovakuumpump (fig. 3), som nu genererar tillräcklig kapacitet för att täcka alla fyra vakuumsektorerna – hela bearbetningsbordet. Dessutom är vakuumnivån på 150 millibar (absolut) betydligt högre än vakuumnivån på 800 millibar (absolut) hos de gamla sugfläktarna (fig. 4).

MINK MV klovakuumpumpar är i stort sett underhållsfria. Det är endast oljan i växellådan som behöver bytas vartannat år. Tack vare högvakuumnivån kan även små arbetsstycken spännas fast säkert under bearbetningen.

Den fysiska grunden för fastspänning med vakuum
Anledningen till att använda ett vakuumbord för fastspänning är naturligtvis att ett plant arbetsstycke ska kunna hållas fast säkert under bearbetningsprocessen. En annan fördel är att det inte behövs några mekaniska spännelement, vilket innebär att ingen tid slösas bort på att fästa komponenter och inga tryckmärken lämnas på arbetsstyckena. En kombination av olika faktorer avgör om ett arbetsstycke hålls säkert eller inte. Fysikaliskt sett är det egentligen inte vakuumet som håller arbetsstyckena, utan snarare atmosfärstrycket. Vakuumsystemet ger helt enkelt tillräckligt negativt tryck på motsatt sida för att atmosfärstrycket ska kunna uppnå sin fulla effekt. Ur ett tekniskt perspektiv reduceras trycket mellan arbetsstycket och bearbetningsbordet eller dess stödyta under fastspänningen eftersom luft sugs ut.

Tryck, yta, hållkraft
I fysiken definieras tryck som den kraft som verkar på ett specifikt område – vilket gör det till en funktion av kraft och yta (fig. 5). Exemplet nedan visar hur denna funktion beräknas:

En HPL-panel placeras på CNC-maskinens vakuumbord redo för bearbetning. Den mäter 500 x 3 000 millimeter och motsvarar exakt storleken på en av kvadranterna. De övriga tre kvadranterna separeras från vakuumförsörjningen med avstängningsventiler.

Beräkning av hållkraften med en sugfläkt (800 millibar (abs.))



Det innebär att ett differenstryck på 200 millibar mellan atmosfärstryck och det negativa trycket som genereras av sugfläkten ger en hållkraft på 30 000 N. HPL-panelen pressas därför mot bearbetningsbordet med en vikt på tre ton.
Om användaren vill att spänna fast en mindre HPL-panel för bearbetning minskar hållkraften med samma formel. I det här fallet antar man att det fria utrymmet på vakuumbordet är lufttätt och täckt med panelmaterial eller film.
Om en HPL-panel med måtten 150 x 150 millimeter spänns fast är hållkraften endast 450 N, vilket motsvarar en vikt på 45 kg som trycker panelen mot bearbetningsbordet. Beroende på vad användaren gör med panelen kan en hållkraft på 450 N vara för liten för att panelen säkert ska hållas fast.
Om denna lilla HPL-panel nu spänns fast på bearbetningsbordet under samma förhållanden med en MINK klovakuumpump mer än fyrdubblas hållkraften. Orsaken till detta är det ökade differenstrycket mellan atmosfärstryck och vakuumet på 150 millibar som genereras av vakuumpumpen. Matematiskt ökar kraften på 450 N vid fastspänning med en sugfläkt till 1 912 N vid fastspänning med MINK vakuumpump. Vikten som appliceras på panelen ökar från 45 till 191 kilogram.

Av detta kan vi dra slutsatsen att ju mindre en HPL-panel är, desto högre måste vakuumpumpens differenstryck eller vakuumnivå vara.
Dessa beräkningar gäller endast när ytorna på vakuumbordet som inte är täckta av panelen som bearbetas täcks så att de är lufttäta. I annat fall sugs ”läckluft” in i systemet. Om vakuumpumpen är tillräckligt stor och dess kapacitet är tillräckligt hög kommer den ändå att uppnå nödvändig vakuumnivå. Om vakuumpumparna är för små finns det dock risk för att den ”läckluft” som sugs in i systemet påverkar vakuumnivån negativt och därmed även hållkraften.

ASSTEC har använt MINK klovakuumpump sedan början av 2018. Verkställande direktör Marc Blessing betonar att de inte har upplevt några fastspänningsproblem sedan dess och att vakuumpumpen levererar en konstant hög vakuumnivå till deras yttersta belåtenhet.