Was fliegt denn da?

Im Rahmen einer Diplomarbeit entwickelte ein Design-Student das Modell einer „VOC-Drohne“. Der unbemannte fliegende Informationsübermittler kann je nach Einsatzzweck mit Kameras, Laser- und Radargeräten sowie anderen Ortungsmitteln ausgerüstet werden. Bei der Herstellung des Modells, speziell beim Fräsen der teilweise filigranen Elemente, standen sowohl fertigungstechnische als auch wirtschaftliche Anforderungen im Vordergrund. Eine wichtigen Beitrag zur Problem-lösung leisteten dabei Fräser von Ingersoll.

Die Idee kam Dominik Schwemmlein, Absolvent der Fachhochschule Coburg, Studiengang Integriertes Produktdesign, beim Fernsehen: Um wie viel einfacher und effektiver ließen sich beispielsweise Rettungseinsätze organisieren und steuern, wenn sich die Helfer vor Ort mit Hilfe von Luftbildern und Detailaufnahmen einen schnellen Überblick verschaffen könnten. Diese Vorstellung nahm immer konkretere Formen an und wurde schließlich im Rahmen seiner Diplomarbeit als Modell „VOC-Drohne“ (Viewer Operation Control) realisiert. Dabei handelt es sich um ein modulares System, das aus einem Hauptkörper mit vier Doppelflügeln und schwenkbaren Propellern besteht. Der Haupt- oder Drohnenkörper dient als Trägerplattform und kann je nach Einsatzzweck verschiedene Sekundäreinheiten oder eine Zweitdrohne mitführen. Wahlweise einsetzbare Kameras, Laserentfernungsmesser, Radarsysteme sowie andere optische und akustische Ortungsmittel erweitern die systemspezifischen Vorzüge der Drohne und ermöglichen ein universelles Anpassen des fliegenden Informationsübermittlers an die jeweilige Aufgabe. Für den Antrieb der Drohne mit den VTOL-Flugeigenschaften sorgen vier ummantelte Propeller, die ihre Energie aus einer Brennstoffzelle beziehen. Dass die Idee realisierbar und praxistauglich ist, bestätigt eine Machbarkeitsstudie des Luft- und Raumfahrtkonzerns EADS in Ottobrunn. Nach der virtuellen Festlegung des Modells und der CAD-Umsetzung sollte ein detailgetreues, etwa 1.500 x 1.500 x 1.000 mm großes Ansichtsmodell hergestellt werden. Für diese Aufgabe fand Dominik Schwemmlein die Unterstützung der Firma rWS Formenbau GmbH in Neuhaus-Schierschnitz/Thüringen. Als Partner der Automobilindustrie, der Medizintechnik und des Gerätebaus stellen die 22 Beschäftigten des 1989 gegründeten Unternehmens auf einer Produktionsfläche von 1.500 m² hochwertige Spritzgussformen her. Die Unterstützung erstreckte sich auf die Nutzung einer 5-Achs-Fräsmaschine nach Arbeitschluss und am Wochenende sowie die fachliche und organisatorische Hilfestellung durch Jürgen Peter, Leiter Arbeitsvorbereitung und technischer Verantwortlicher für den Modellbau. Der Fachmann für die Metallbearbeitung erwartete sich von dem Projekt „Drohne“ wichtige Erfahrungen bei der Zerspanung von Hartschaum. Dass diese Hoffnung durchaus berechtigt war, zeigten schon die ersten Fräsversuche. Mit den verschiedenen Fräsern eines namhaften Werkzeugherstellers ließen sich zwar die größeren Flächenanteile bearbeiten, aber bei dem schwierigeren Part, der Feinarbeit an den filigranen Elementen, begannen diese zu vibrieren und die Fräser hinterließen Spuren, die im Hinblick auf die zu lackierende Oberfläche nicht akzeptiert werden konnten. Erfolg versprechend schienen dem Leiter Modellbau die Einschraubkopierfräser aus der Reihe FormMaster+ der Ingersoll Werkzeuge GmbH. Ihre Rundplatten mit der weich schneidenden, positiven Geometrie sind zum Schruppen und Schlichten ausgelegt und üben mit der Schneidengeometrie für Aluminium einen sehr geringen Fräsdruck auf das Modell aus – eine unabdingbare Vorraussetzung bei den labilen Freiformflächen mit Auskragungen bis zu 150 mm. Nach eingehender Beratung mit den Ingersoll-Spezialisten stand fest, dass die Fräsarbeiten an der Drohne in der gewünschten Oberflächenqualität mit nur zwei Kopierfräsern zu bewältigen sein mussten: Nenndurchmesser 35 mm mit vier Zähnen zum Schruppen und Nenndurchmesser 20 mm mit zwei Zähnen zum Schlichten. Beide Werkzeuge sollten mit Rundplatten, 10 Ø x 3,8 mm, mit polierter Al-Geometrie, bestückt werden. Die Firma rWS Formenbau arbeitet ausschließlich mit den auf den Formenbau zugeschnittenen CAD-CAM-Lösungen von Visi-Series. Dank der durchgängigen Datenformate können die benötigten Maße direkt vom Rechner in der Werkstatt abgenommen werden. Dieser Zeit und Kosten sparende Weg erleichterte auch die Arbeiten an der Drohne. Die als Step-Dateien vorliegenden Konstruktionsdaten wurden auf Visi-CAD eingelesen und für das 5-Achs-Fräsen aufbereitet. Durch Simulation der Fräswege beim Schruppen und Schlichten konnten kritische Abläufe vermieden, Operationen der Fräsmaschine optimiert und die Datenerstellung vereinfacht werden. Die optimierten CAM-Daten wurden dann für die Maschinenprogrammierung über das Netzwerk direkt an die 5-Achsen-Fräsmaschine DMU V70 gesandt. Wegen der Einmaligkeit des Demonstrationsmodells und den besonderen Bedingungen für eine Diplomarbeit wurden nach verschiedenen Ansätzen beim Fräsen der Modellteile aus dem Vollen mit einer Drehzahl von n = 12.000 1/min, einer Schnittgeschwindigkeit vc = 1.300 m/min und einer Vorschubgeschwindigkeit vf = 9.500 mm/min die günstigsten Schnittwerte ermittelt. Zur Vermeidung von Werkstückresonanzen entschieden sich die Zerspanungsspezialisten für eine Schnitttiefe von ap = 2,5 mm beim Schruppen und 0,25 mm beim Schlichten. Die flächenmäßig größten Teile der Drohne, die vier Doppelflügel, wurden in einem Erowa-Palettenspannsystem aufgenommen. Dies ermöglichte das Fräsen auf Umschlag auch an den „tiefsten“ Stellen der Innenflächen. Da auch die Körper der ummantelten Propeller mit ihren beiden Schaufelringen fehlerfrei und mit bester Oberflächenqualität gefräst wurden – das gesamte Modell erforderte nur etwa vier Stunden Zeit für das manuelle Nachschleifen an verschiedenen Übergängen –, stand das Demonstrationsmodell trotz der stark eingeschränkten Arbeitszeit nach insgesamt zwölf Tagen konturgetreu für die Endlackierung bereit. Dominik Schwemmlein, seit November 2006 als Assistent der Geschäftsleitung bei rWS Formenbau tätig, wurde für das Konzept und Design der Flugdrohne vom Verband Deutscher Industriedesigner im Rahmen eines Nachwuchswettbewerbes für Designer ausgezeichnet.

www.ingersoll-imc.de

www.rwsgmbh.de