«Entwicklung einer universellen Spannvorrichtung für das Wasserstrahlentgraten von kubischen Hydraulikblöcken»
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In der modernen Fertigungstechnik ist es wichtig, dass Spannvorrichtungen präzise funktionieren. Besonders bei der Hydraulik sind innovative Lösungen bedeutend, da hier hohe Ansprüche an Genauigkeit und Oberfläche gestellt werden. In dieser Diplomarbeit geht es darum, eine universelle Spannvorrichtung für das Wasserstrahlentgraten von kubischen Hydraulikblöcken zu konstruieren und entwickeln. Die Verwendung nur einer Vorrichtung soll die Umrichtzeit verkürzen, die Lagerkapazität optimieren und die Gesamtkosten senken. Die Zusammenfassung zeigt die Ausgangslage, das Vorgehen, das Ergebnis und den Nutzen der entwickelten Lösung.
7. November 2024
Mario Zuercher
Ausgangslage / Problemstellung / Ziele
In der Abteilung Vor- und Nachbearbeitung, speziell beim Wasserstrahlentgraten, werden zur Bearbeitung kubischer Hydraulikblöcke über 200 verschiedene Spannvorrichtungen eingesetzt. Für jedes Werkstück wird dabei eine spezifische Vorrichtung entwickelt und hergestellt, was zu hohen Entwicklungs- und Herstellungskosten führt. Diese grosse Variantenvielfalt an Spannvorrichtungen stellt eine logistische Herausforderung dar, da jede Vorrichtung ihren eigenen Lagerplatz beansprucht. Zudem verursacht diese Spannvorrichtung einen hohen Umrichtaufwand, der beim Wechsel zwischen den Werkstücken entsteht.
Ziel dieser Arbeit ist es, ein Lösungskonzept für kubische Hydraulikblöcke zu entwickeln, welches die hohen Entwicklungs- und Herstellungskosten senken, sowie den zeitaufwendigen Umrichtaufwand und den benötigten Lagerplatz reduzieren soll. Die universelle Spannvorrichtung soll nach ihrer Herstellung, unter Vorbehalt von Anpassungen an der Maschine, sofort im Betrieb einsatzbereit sein, die Umrüstzeit um 80% verkürzen und die Prozesssicherheit gewährleisten. Zusätzlich soll der Return on Investment (ROI) innerhalb von weniger als fünf Jahren erreicht werden.
Vorgehen
Zu Beginn der Arbeit wurde eine umfassende Analyse der bestehenden Spannvorrichtungen, der Vector Jet-Anlagen und der Werkzeugdüsen durchgeführt. Diese Analyse dient als Grundlage für die Entwicklung der universellen Spannvorrichtung. Die Arbeit gliedert sich in mehrere Phasen, von der Informations- und Analysephase über die Konzept- und Entwicklungsphase bis hin zur Ausarbeitung der finalen universellen Spannvorrichtung. Dabei wurden aus der Analysephase zwei Mindmaps erstellt, welche die Grundlage des morphologischen Kastens bilden. In der Konzeptentwicklung wurden vier Konzepte erarbeitet und untersucht, wobei das Lösungskonzept «Stecksystem» als Konzeptfavorit herausstach. In der Ausarbeitungsphase wurden mithilfe der CAD-Software präzise Modelle erstellt, die eine bessere Visualisierung der Spannvorrichtung ermöglicht.
Ergebnis
Die universelle Spannvorrichtung basiert auf einem Kraftspanner, ergänzt mit zwei Grundplatten, die als Basis der Vorrichtung dienen. Der Aufbau der Spannvorrichtung besteht aus zwei Spannplatten, drei Spannbacken und einem Anschlag. Die Spannplatten verfügen über zahlreiche Bohrungen, die ein Lochraster bilden und eine flexible Anordnung der Spannbacken ermöglichen. Die Spannbacken können auf diesem Raster gesteckt und durch Gravuren präzise positioniert werden – ähnlich dem Prinzip des Spiels «Schiffe versenken». Diese einfache Bauweise ermöglicht eine schnelle Positionierungsanpassung, wodurch die Umrichtzeit deutlich reduziert werden kann.
Nutzen / Mehrwert
Die neue Spannvorrichtung bringt mehrere Vorteile mit sich. Die Umrichtzeit kann von 10 Minuten auf unter 2 Minuten optimiert werden, was eine Einsparung von 80% entspricht. Durch die Verwendung der universellen Spannvorrichtung muss nicht mehr für jedes Werkstück eine eigene Spanvorrichtung hergestellt und gelagert werden, wodurch Kosten und Lagerkapazität gespart werden können.
Wirtschaftlich betrachtet können durch das neue «Stecksystem» jährlich etwa 89'000 CHF gespart werden, da die Umrichtzeit reduziert wird und die Herstellung von verschiedenen Spannvorrichtungen entfallt. Die Investitionskosten für das neue Konzept auf drei Anlagen betragen rund 170'000 CHF. Der Return on Investment wird schon in weniger als zwei Jahren erreicht. Zudem ermöglich es dem Unternehmen, flexibel auf Auftragsänderungen zu reagieren. Sie erhöht die Flexibilität und Effizienz des Wasserstrahlentgratprozesses und trägt zur Optimierung des gesamten Produktionsablaufs bei. Die Investition amortisiert sich in weniger als zwei Jahren und führt danach zu einer deutlichen wirtschaftlichen Entlastung des Unternehmens.
Ausblick
Nach Abschluss des Projekts sollen die Einzelteilzeichnungen erstellt werden, um die universelle Spannvorrichtung «Stecksytem» fertigzustellen und einen Prototyp herzustellen. Die indirekte Spülung der Werkstücke sowie die Automatisierungsmöglichkeiten werden weiterverfolgt. Erste Gespräche und mögliche Anpassung der Anlage wurden schon mit Maschinenhersteller begonnen. Vor der vollständigen Umsetzung wird eine genaue Kostenüberprüfung vorgenommen und das Kamerasystem muss noch einmal genauer ausgearbeitet und verglichen werden.
Der Prototyp soll bis Ende 2024 hergestellt und ohne Kamerasystem getestet werden, um die grundlegende Funktionalität zu bestätigen. Anschliessend wir die Lösung schrittweise auf die weiteren Anlagen ausgeweitet und das evaluierte Kamerasystem integriert.
Universelle Spannvorrichtung «Stecksystem»
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Lessons learned
Der Einstieg in meine Diplomarbeit war herausfordernd, doch mit einem klaren Zeitplan und dem Start der Analyse- und Informationsphase fand ich gut in das Projekt hinein. Das Sprichwort «Aller Anfang ist schwer» traf völlig auf mich zu. Dabei habe ich gelernt, wie wichtig es ist, sich nicht in Details zu verlieren und sich auf das Wesentliche zu fokussieren. Ebenso lernte ich, dass Rückschritte genauso wertvolle Erkenntnisse liefern können wie Fortschritte.
Für zukünftige Projekte nehme ich mit, wie bedeutend klare Kommunikation und konsequente Entscheidungen sind. Es ist wichtig, die einmal getroffene Wahl bewusst weiterzuverfolgen, anstatt alte Konzepte immer wieder erneut zu hinterfragen und dadurch nicht voranzukommen.
Schlusswort
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde eine universelle Spannvorrichtung entwickelt, die den Wasserstrahlprozess optimiert, die Umrichtzeit verkürzt und Kosten einspart, da nicht für jeden Hydraulikblock eine neue Spannvorrichtung konstruiert und hergestellt werden muss. Das Ergebnis trägt zur Prozessverbesserung und Effizienzsteigerung in der Abteilung bei und bietet eine solide Grundlage für zukünftige Projekte und Optimierungen.
Mario Zürcher
Meine Leidenschaft für Technik und Konstruktion zieht sich durch meinen bisherigen Weg und hat sich durch die Weiterbildung zum Maschinenbautechniker HF an der TEKO in Bern weiter gefestigt. Mit dem neuen Wissen und der praktischen Erfahrung freue ich mich darauf, meinen beruflichen Weg weiterzugestalten. In meiner Freizeit treibe ich gerne Sport. Ich bin im Geräteturnen und Turnverein aktiv, wo ich selbst turne und gelegentlich als Leiter Jugendliche trainiere. Mario Zürcher - Konstrukteur EFZ
