Erstellung eines Loungesessels aus Polystyrol im Maßstab 1:5 CAD/CAM – Praxisprojekt WiSe 2013/2014
Eine Projektarbeit von: Ann-Christin Wolpers – 568063 Svante Marquardt – 567938
Hildesheim, den 19.02.2014
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HAWK Hildesheim – Fakultät Bauen und Erhalten – Labor für Bearbeitungstechnik LBT
Inhalt Einleitung – das Lastenheft ..................................................................................................................... 3 Das Ei ....................................................................................................................................................... 4 Erstellen der Geometrien ........................................................................................................................ 5 Erstellen der Bearbeitungen.................................................................................................................... 6 Konstruktion der Vorrichtungen ............................................................................................................. 7 ............................................................................................................................................................. 8 Fertigung und Formatierung ................................................................................................................... 9 Das Herstellen der Tiefziehform.......................................................................................................... 9 Das Tiefziehen ................................................................................................................................... 10 Das Formatieren ................................................................................................................................ 11 Herstellung des Stuhlgestells ................................................................................................................ 12 Fazit ....................................................................................................................................................... 13
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Einleitung – das Lastenheft Ziel unserer Projektgruppe des CAD-CAM Praxisprojektes war es, ein Modell des Drehsessels Das Ei , entworfen von Arne Jacobsen, durch Tiefziehen und 5-Achs- Fräsen mit reproduzierbarer Qualität im Maßstab 1:5 zu fertigen. Die Sitzschale sollte tiefgezogen, und anschließend im Bereich der Sitzmulde mit einem Polster ausgelegt werden. Anschließend musste ein passender Fuß erstellt werden. Ursprünglich sollte der Fuß additiv gefertigt werden, da aber ein fakultätseigenes 3D-DruckAggregat nicht zum planmäßigen Zeitpunkt angeschafft wurde, und die Kosten bei Fremdfertigung unseres Erachtens zu hoch waren, haben wir davon abgesehen und den Fuß konventionell subtraktiv gefertigt. Die Geometrien des Fuß- und Sitzschalen-Tiefziehformteils mussten in einem CAD System konstruiert
und
in
fertigungsrelevanten
Licom
AlphaCAM
NC-Dateien
über
nachbearbeitet
den
AlphaCAM
werden,
so
Postprozessor
dass
alle
erstellt
und
anschließend gespeichert werden konnten. Schließlich war der letzte Punkt der Aufgabenstellung die Aufbereitung und Publikation der Projektdokumentationen. Planung, Konstruktion, Fertigung und Montage haben die Gruppen selbständig und eigenverantwortlich
durchgeführt.
Während
der
Projektarbeit
sollen
sowohl
Materialkenntnisse erworben, als auch die Bedienung von Maschinen, Werkzeugen und CAD/CAM-Programmen erlernt und geübt werden.
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Das Ei Es handelt sich um einen Sessel, der von Arne Jacobsen (Architekt und Designer) im Jahre 1958
entworfen
und
von
Fritz
Hansen
hergestellt worden ist. Der Originalsessel wurde mit einer zu dieser Zeit erstmalig neuen Technologie gefertigt: Unter der Polsterung befindet sich eine robuste Innenschale aus Polyurethanschaum. Die Abmessungen betragen dabei 107cm in der Höhe, 86cm in der Breite und 79cm in der Tiefe.
Der
Sessel
besteht
aus
http://digitalassets.fritzhansen.com/asset-bank/
einer
glasfaserverstärkten Polyurethan-Schale, die mit
einer
Polsterung
aus
Polyurethan
–
Kaltschaum beklebt ist. Zudem wurde bei späteren
Auflagen
eine
verstellbare
Wippmechanik verbaut, die auf den jeweiligen Benutzer Gestell
abgestimmt besteht
aus
werden einem
kann.
Das
satinpoliertem
drehbaren Säulenrohr aus geschweißtem Stahl und hat einen Durchmesser von 38mm. Daran befindet sich der vier–armige Sternfuß aus Aluminiumspritzguss Fußstopfen.
Der
mit
dazugehörige
KunststoffVerstellgriff
http://www.fritzhansen.com/en/egg-easy-chair-3316
besteht aus blankgezogenem rostfreiem Stahl. Der Stuhl ist mit verschiedenen Stoff- und Leder- Bespannungen erhältlich.
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Erstellen der Geometrien Zunächst haben wir bei der Recherche auf der Herstellerseite1 DWG Dateien mit 3D Modellen und 2D Ansichten des Möbels heruntergeladen. Die 3D Daten haben sich jedoch schnell als wenig nutzenbringend herausgestellt, da die darin enthaltenen Informationen zu ungenau und für unsere Zwecke schlecht verwertbar waren. Aus den 2D Informationen allerdings konnten wir einen Grundkörper und Konturen ableiten, die es uns ermöglicht haben, Oberflächen, Winkel und Bearbeitungspfade für die spätere Formatierung herauszuarbeiten.
bearbeitete 2D-Daten von http://www.fritzhansen.com/en/egg-easy-chair-3316
Auf den Maßstab 1:5 übersetzt, entsprechen die Maße 214 mm in der Höhe, 172 mm in der Breite, 158 mm in der Tiefe und 116 mm Armlehnenhöhe. Die Positionierung der Kreistasche für die Platzierung des Fußes an der Sitzschale erfolgte dem Original getreu mit Position und Winkel der aus den 2D-Daten entnommenen Vektoren, Zustand
ausbalanciert
ist,
ohne
zusätzliche
damit das Modell im fertigen
Fixierungen
oder
Formabweichungen
hinzuzufügen. Schließlich ist die Oberfläche des entwickelten Grundkörpers noch um die zwei Millimeter Materialdicke der Kunststoffschale nach Innen versetzt worden, um eine möglichst hohe Maßhaltigkeit zu erreichen.
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http://www.fritzhansen.com/en/egg-easy-chair-3316
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Erstellen der Bearbeitungen Die mit Autodesk Autocad erstellten Geometrien und Pfade haben wir nun in Licom AlphaCAM eingefügt und daran die Bearbeitungen erstellt. Der
anhand
der
2D-Daten
entwickelte
Rotationskörper wurde von uns nun so weit gedreht und positioniert, dass einerseits das thermoplastische Material beim Tiefziehvorgang möglichst gleichmäßig gedehnt wird, jedoch vor allem auch eine abschließende Formatierung, unter
Berücksichtigung
Einschränkungen
der
der
räumlichen
CNC-Maschine,
auf
derselben Vorrichtung durchführbar ist. Die wesentlichen Schritte der Bearbeitung sind: Herstellen der Oberfläche, Fräsen der Konturen
Bearbeitungen an Tiefziehform in Licom AlphaCAM
und Setzten der Kreistasche für den Möbelfuss. Durch Einschränkungen bei der maximalen Bearbeitungstiefe, die durch die Länge der vorhandenen Fräswerkzeuge gegeben war, war zum Herstellen der Oberfläche im Drei-AchsBetrieb eine Bearbeitung von fünf Seiten aus notwendig. Für das Schruppen wählten wir einen 20
Millimeter
Schruppfräser
und
ein
Bearbeitungsaufmaß von einem Millimeter aus, um die Bearbeitungsdauer gering zu halten. Auftretende Flankenkräfte haben wir dabei nicht berücksichtigt, da die Aufspannung mit dem Vakuumspannsystem von Innospann fest und komplikationsfrei möglich war. Das nachfolgende
Solid Simulation in Licom AlphaCAM
Schlichten der Oberfläche führten wir mit einem 20
Millimeter
Kugelfräser
durch.
Bei
beiden
Begrenzungsgeometrien verwendet, um die Bearbeitung
Bearbeitungen
haben
wir
unwesentlicher Bereiche am
Werkstück zu vermeiden.
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Die Gesamtbearbeitung wurde hier in mehrere NC-Programme unterteilt, da die weiteren Bearbeitungsschritte an dieser Stelle erst nach dem Tiefziehen fortgesetzt werden konnten. Nach Aufbringen und Abkühlen des Kunststoffs erfolgt die Formatierung simultan im FünfAchs-Betrieb oberflächenparallel entlang einer Polylinie, welche sich aus den auf die Oberfläche projizierten Konturen der 2D-Ansichten ergab. Schließlich wurde die Kreistasche mit dem originalen Vektor, der aus den 2D-Ansichten gewonnen wurde, und mit einem Millimeter Aufmaß gefräst. Um ein Durchstoßen der Kunststoffschale zu vermeiden und einen planen Grund zu erhalten, haben wir uns für eine Kreistasche und gegen eine Bohrbearbeitung entschieden.
Konstruktion der Vorrichtungen Da
die
Schale
formschlüssig
um
die
Vorrichtung herumgreift und erst mit dem letzten Bearbeitungsschritt von der Vorrichtung lösbar wird, war es nötig, die weiteren Schritte so zu gestalten, dass wir ein und dieselbe Vorrichtung für alle Bearbeitungen verwenden konnten. Daher mussten in die bis hierher gefertigte Tiefziehform nun Vakuumkanäle gebohrt werden, um den heißen Kunststoff anzusaugen und die Schalenform möglichst
Tiefzieh-Unterplatte mit Vakuumkanälen
faltenfrei zu definieren. Diese Kanäle zielten auf eine Tasche in der Tiefziehunterplatte.
Diese
Unterplatte
wiederum hat auf ihrer Unterseite einen Anschluss für einen Staubsauger und auf ihrer Oberseite, neben der erwähnten Tasche, noch weitere,
über
die
Fläche
der
Tasche
hinausgehende Kanäle, um auch seitlich ein gleichmäßiges Vakuum um die Tiefziehform herum aufzubauen.
Unterseite der Tiefzieh-Unterplatte mit Staubsauger Anschluss
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Außerdem hat diese Unterplatte eine umlaufende Nut, in die eine Moosgummidichtung eingesetzt wurde, die den Luftdichten Anschluss zum Rahmen zu gewährleisten, mit welchem die Kunststoffplatte über die Tiefziehform gestülpt wurde.
Links oben: Tiefzieh-Unterkonstruktion mit zweiteiligem Rahmen Oben: Tiefziehform mit Vakuumkanälen auf der Unterkonstruktion Links: tiefgezogene Polystyrol-Schale
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Fertigung und Formatierung Das Herstellen der Tiefziehform Um die Sitzschale des Sessels zu erstellen benötigten wir ein sehr flexibles Material, da die Schale aus einem Stück besteht und zudem eine recht große Wölbung aufweist. Für die vorgesehene Verarbeitungsweise waren wir also auf ein vorhandenes Thermoplast, in diesem Falle Polystyrol, festgelegt. Zunächst haben wir einen Probekörper aus Styrodur-Schaum gefräst und anhand der Probefräsung
Komplikationen
und
mögliche
Fehlerquellen
bei
verschiedenen
Bearbeitungsstufen aufzeigen und beheben können. Auf spezielle Haltevorrichtungen konnten wir verzichten, da wir die Bearbeitungen an der CNC-Maschine so gesetzt haben, dass die Fräsaggregate kollisionsfrei von fünf Seiten an das Werkstück angreifen konnten; eine Bearbeitung von der Unterseite und ein Umspannen war also nicht notwendig. Dies wäre nicht der Fall gewesen, hätten wir uns stattdessen für eine Negativ-Tiefziehform entschieden. Diese hätte sich in allen Schritten als nachteilig erwiesen, zumal es mit der vorhandenen Einrichtung nicht möglich war ein so genau bemessenes
Vakuum
herzustellen,
dass
ein
Einsaugen
des
Polystyrols
in
die
Vakuumkanäle verhindert hätte werden können. Das eigentliche Rohteil haben wir mit Polyurethan-Leim aus Obomodulan Plattenmaterial verleimt. Als Haltevorrichtung diente uns ein einfacher Zuschnitt aus einer Stabholzplatte, den wir mit zwei Positionierungsbohrungen und den identischen Gegenbohrungen im Werkstück, sowie einer Schraube gegeneinander fixiert haben.
Fräsen des Testkörpers aus Styrodur
Tiefziehform aus Obomodulan 9
Das Tiefziehen Nach dem Herstellen der Oberfläche und dem Bohren der Vakuumkanäle konnten wir die erste Form tiefziehen. Dazu haben wir eine fünf Millimeter dicke Polystyrolplatte zugeschnitten und zwischen einen zweiteiligen Rahmen geschraubt. Der Zuschnitt der Platte und die Dimensionierung von Rahmen und Unterplatte entsprechen in etwa der vierfachen Grundfläche der Tiefziehform, um eine zu starke Ausdünnung des Polystyrol beim Tiefziehen zu vermeiden. Bei späteren Versuchen haben wir Polystyrol in verschiedenen Dicken verwandt. Letztendlich hat sich eine Materialdicke von vier Millimeter als bester Kompromiss zwischen Gewicht und Steifheit bewährt. Für den Tiefziehvorgang haben wir die Form zusammen mit der Unterplatte und dem gerahmten Polystyrol in einem Ofen bis auf eine Temperatur von 175 Grad Celsius erhitzt, um von vornherein ein gleichmäßiges Erwärmen der Form zu erreichen. Vorher haben wir geprüft, ob das Moosgummi bei dieser
Temperatur
Abmaßen
zeigt.
Veränderungen
Tatsächlich
haben
in wir
seinen eine
Längenreduzierung von etwa fünf Prozent feststellen können.
Diese
Veränderung
haben
wir
bei
Steuerungspanel des Ofens dem
nächsten
Moosgummizuschnitt
berücksichtigt und die Dichtung dann durch Erhitzen auf ihre Endlänge vorkonditioniert. Bei etwa 160 Grad Celsius begann das Polystyrol plastisch verformbar zu werden, und nach weiteren fünfzehn Minuten Aufenthalt im 175 Grad Celsius heißen Ofen war der Rahmen um den Kunststoff soweit auf die Unterplatte herabgesunken, dass wir die gesamte Vorrichtung aus dem Ofen genommen, den Rahmen auf die Unterplatte gepresst und den laufenden Staubsauger in die Anschlussbohrung unterhalb der Unterplatte gesteckt haben. Bei Materialdicken von unter vier Millimeter kam es
ausgesschnittene Tiefziehform mit Polystyrol-Schale
dabei zum Einreißen des Polystyrol nahe eines Vakuumkanals, was allerdings keine Auswirkung auf den erfolgreichen Tiefziehvorgang hatte. Der Kunststoff kühlte rasch auf unter 150 Grad Celsius ab und verließ den plastischen Zustand, in welchem sich die Form noch sehr gut mit einer Klinge aus dem Rahmen entfernen ließ. 10
Das Formatieren Nun konnte die Schale wieder auf die CNC-Maschine aufgespannt werden um die Kreistaschenfräsung für den Fuß, sowie die abschließende Formatierung im Fünf-AchsBetrieb durchzuführen. Die Bearbeitung war so eingestellt, dass das Fräswerkzeug dabei stets und in jedem Punkt seiner Bahn senkrecht zu der Werkstückoberfläche stand. Die Eintauchtiefe war dabei so bemessen, dass nachfolgende Kunststoffschalen durch die zwei Zehntel Millimeter tiefen Bearbeitungsspuren noch besser an der Form gehalten wurden – der entstandene Wulst würde bei jedem Formatierungsvorgang wieder wegfallen. Zum Abschluss fügten wir noch zwei Bahnen hinzu, welche die eng an die Form anliegende Kunststoffschale auf zwei Seiten aufsprengen sollte, um ein unkompliziertes Entfernen der formatierten Schale zu gewährleisten.
Polystyrol-Schale nach dem Formatieren
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Herstellung des Stuhlgestells Das Gestell ist dem Original nachempfunden und hat die Maße, die wir den 2D Informationen der Fritz Hansen Web-Datenbank2 entnommen haben, übersetzt, wie das gesamte Modell, auf den Maßstab 1:5. Es handelt sich um einen vier-armigen Sternfuß, der in diesem Maßstab durchaus filigran ist und nach einem steifen, homogenen Material verlangt. Hier bot sich das vorhandene Obomodulan in einer Variante mit höherer Dichte an, aus der auch die Tiefziehform gefertigt worden ist.
Die
Haltevorrichtung
Spanplattenabschnitt,
auf
ist dem
ein mit
einfacher
doppelseitigem
Klebeband die Rohlinge fixiert werden. Das Fräsen selbst unterteilt sich in Schruppen und Schlichten, wobei mit einem Schlichtfräser und einem Aufmaß von einem Millimeter in der Höhe, aber ohne Aufmaß an den Seiten geschruppt wurde, da die filigranen Flanken
und
Rundungen so bereits mit einem Durchgang sauber mit der Werkzeugflanke ausgefräst worden sind. Geschlichtet wurde die Oberfläche dann mit einem acht Millimeter Kugelfräser. Die Verbindung zwischen Fuß und Sitzschale haben wir mit einem Abschnitt einer Dübelstange aus Buche mit acht Millimeter Durchmesser realisiert. Anschließend haben wir das Gestell lackiert, und nach
Stadien der Entstehung des Möbelfußes für das Ei
dem Aushärten des Lackes dann Gestell und Sitzschale mit Cyanacrylat miteinander verklebt.
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http://www.fritzhansen.com/en/egg-easy-chair-3316
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Fazit Die Konstruktion der Schale hat bei unserer Gruppenarbeit die meiste Zeit in Anspruch genommen. Das Nachentwickeln einer Tiefziehform aus den zur Verfügung stehenden 2DInformationen war sehr interessant, aber auch mit einigen Fehlversuchen verbunden. Das eigentliche Fräsen und Tiefziehen ist ohne größere Komplikationen vorangeschritten, nur das Zusammenfügen der projizierten Konturen, mit Hilfe derer wir die Schale formatieren konnten nahm wiederum mehr Arbeitszeit in Anspruch. Dass wir den Fuß nicht additiv fertigen konnten warf uns in Bezug auf Motivation und Zeitplan zurück. Diese Unstimmigkeit in unserem Ablaufplan ließ sich aber letztendlich doch zu unserer Zufriedenheit beheben, indem wir den Fuß erfolgreich subtraktiv gefertigt haben. Abschließend lässt sich sagen, dass uns dieses Seminar umfassende Erfahrungen und den sicheren Umgang mit CAM Software und CNC-Steuerung im fünf-Achs-Betrieb vermittelt hat.
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