Vacuüm opspantechnologie

De horizontaal klemkracht van een vacüumopspansysteem — dat wil zeggen de kracht die tijdens de bewerking weerstand biedt tegen schuifkrachten — wordt bepaald door drie factoren:

Fh = A × Δp × μ

• A: het geëvacueerde klemoppervlak tijdens het afdichtingsproces
• Δp: het vacuümniveau, d.w.z. het drukverschil tussen het oppervlak van de klemming en de omgeving
• μ: de werkstukafhankelijke wrijvingscoëfficiënt tussen het opspanmateriaal en het werkstuk

Voor elke drukverschil van 100 mbar ontstaat een verticale klemkracht van ongeveer 1 N/cm². Afhankelijk van de materiaal- en oppervlaktecombinatie variëren de typische wrijvingscoëfficiënten van ongeveer 0,2 tot 0,5.

Aangezien bewerkingskrachten in de praktijk overwegend parallel aan het werkstukoppervlak werken, is de horizontale klemkracht doorgaans de doorslaggevende factor bij het ontwerp van vacüumopspansystemen. Deze wordt berekend door de verticale klemkracht te vermenigvuldigen met de betreffende wrijvingscoëfficiënt.

Een praktisch voorbeeld: een aluminium werkstuk met een klemoppervlak van 600 cm² wordt bij een vacuümniveau van 800 mbar vastgeklemd op een matrixplaat met wrijvings-eilandjes (μ = 0,25). De resulterende horizontaal klemkracht bedraagt 1.200 N – voldoende voor een verspaningscapaciteit van ongeveer 400 cm³/min tijdens het voorbewerken.

De opgegeven waarden dienen uitsluitend ter illustratie, aangezien de daadwerkelijk in de praktijk uitvoerbare bewerkingsprestaties aanzienlijk kunnen variëren. Zelfs botte gereedschappen, hoge voedingssnelheden of ongunstige snijparameters kunnen de bewerkingskrachten aanzienlijk verhogen

Vacüumopspansystemen bestaan uit verschillende op elkaar afgestemde componenten voor de vacuümopwekking, verdeling en bewaking van het vacuüm.

Vacuümklemapparatuur vormt de directe interface met het werkstuk. Afhankelijk van de toepassing worden bijvoorbeeld matrixplaten, vacuüm zuignappen of klemplaten gebruikt die doorzuigen via het vacuüm.

Het vacuüm wordt elektrisch of pneumatisch opgewekt. Afhankelijk van de applicatie en de proceseisen worden systemen met hoog vacuüm of hoge debieten gebruikt. In sommige gevallen zijn de vacuümgeneratoren ook uitgerust met vloeistofafscheiders of energiebesparende regelingen.

Het systeem wordt aangevuld met accessoires en aanvullende elementen zoals positionerings- en aanslagelementen, vacuümbewaking, slangen en componenten voor vacuümverdeling.

Vacuümopspantechnologie is geschikt voor werkstukken met een voldoende glad en dicht contact oppervlak, waardoor een stabiel vacuüm kan worden opgebouwd. De methode is materiaalonafhankelijk en heeft een breed toepassingsgebied.

De methode is met name effectief gebleken bij de houtbewerking en de bewerking van glas. Bij glasbewerking voorkomt de gelijkmatige houdkracht plaatselijke spanningspieken die, vanwege de broosheid van het materiaal, kunnen leiden tot microscheurtjes of breuken.

Bij de houtbewerking wordt schade door plaatselijke mechanische klemkrachten voorkomen. Tegelijkertijd zijn de relatief lage klemkrachten van het vacuüm voldoende voor veel houtgebaseerde materialen, wat korte set-up tijden en een flexibele werkstukhantering mogelijk maakt.

Bij kunststofbewerking voorkomt de gelijkmatige krachtverdeling vervorming en beschermt het kwetsbare oppervlakken tegen drukplekken.

Bij de houtbewerking maken consoletafel-, gristafel- en nesttafelsystemen het snel en flexibel klemmen van grote plaatmateriaaloppervlakken mogelijk, bijvoorbeeld bij de meubelproductie. Korte insteltijden en een hoge flexibiliteit bieden voordelen bij het werken met wisselende werkstukgeometrieën.

Vacuümklemming biedt ook voordelen voor dunwandige of grote metalen werkstukken van aluminium of andere non-ferrometalen. Werkstukken kunnen worden vastgeklemd zonder te vervormen, zonder dat laterale klemelementen de toegang tot het gereedschap beperken of dat plaatselijke klemkrachten vervorming veroorzaken.

De haalbare houdkracht hangt rechtstreeks af van de dichtheid van het gehele systeem. Alleen wanneer er een voldoende afdichting is tussen het werkstuk en het klemoppervlak, kan het vereiste vacuüm worden ontworpen en tijdens de bewerking constant worden gehandhaafd.

Zelfs kleine lekkages of openingen leiden tot drukverlies en verminderen daardoor de overdraagbare houdkracht. Dit heeft met name een negatieve invloed op de betrouwbaarheid van het proces wanneer er sprake is van hoge bewerkingskrachten of dynamische belastingen.

Bij poreuze materialen, sterk gestructureerde oppervlakken of zeer kleine contactoppervlakken kan het opbouwen van voldoende vacuüm verder worden beperkt. Werkstukken met oppervlaktedieptes of oneffenheden van meer dan ongeveer 0,1 mm vereisen daarom over het algemeen aangepaste afdichtlippen of speciale contactoppervlakken om voldoende houdkrachten uit te voeren.

In de vacuümtechniek worden lekverliezen uitgedrukt als een volumestroom in l/min. Zelfs kleine lekken kunnen het haalbare vacuüm verlagen tot onder de minimumwaarde die vereist is voor de klemming.

Als vacuümklemmen alleen daardoor onvoldoende is, kan de bewerkingsstrategie worden aangepast – bijvoorbeeld door de bewerkingskrachten te verminderen of het effectieve klemoppervlak te vergroten, bijvoorbeeld door het werkstuk in een later stadium uit de ruwe plaat te snijden.

Als alternatief kan de opspanning verder worden ondersteund door mechanische aanslagen of aanvullende opspannelementen.

In tegenstelling tot mechanisch opspanmateriaal oefent vacuümopspantechnologie geen plaatselijke krachten uit, maar zorgt deze voor een gelijkmatige houdkracht over het gehele oppervlak. Dit is met name een voordeel wanneer plaatselijke spanningspieken zouden leiden tot vervorming van werkstukken, maatafwijkingen of oppervlakteschade.

Bovendien blijft het gehele oppervlak van het werkstuk toegankelijk, aangezien er geen laterale klemmingen nodig zijn. Dit maakt bewerking aan vijf zijden in één opspanning mogelijk, waardoor het aantal processtappen wordt verminderd.

De gelijkmatig verdeelde krachttoepassing heeft tevens een dempingseffect op trillingen. Dit kan de bewerkingskwaliteit verbeteren, met name bij dunne of niet-magnetische werkstukken van aluminium of kunststof.

Bovendien kunnen vacüumopspansystemen flexibel worden aangepast aan verschillende werkstukafmetingen. Dit maakt korte set-up tijden en een kostenefficiënte productie mogelijk, met name bij de productie van kleine series.

In tegenstelling tot magnetische opspantechnologie is vacuümopspanning niet beperkt tot ferromagnetische materialen. Het kan worden gebruikt voor hout, glas, kunststof, aluminium en andere non-ferrometalen – overal waar schadevrije en vervormingsarme opspanning vereist is.