Clamping on Schallberts Blog

Vakuumspannen

Schallbert — Tue, 02 Apr 2024

Wie ich im Artikel zur Maker Faire Ruhr 2024 erwähnte, hatte ich große Probleme beim Spannen meiner Werkstücke für die Fertigung von Spirographen.

In diesem Beitrag möchte ich genauer darauf eingehen, eine Analyse der Ursachen vornehmen und schließlich ein paar Lösungsmöglichkeiten vorstellen.

Was ich vorwegnehmen kann: Sämtliche Probleme lassen sich mit Wissen über die Ursachen sowie etwas Zeit-, Planungs- und Materialaufwand beheben.

Das Problem

Ich hatte wie üblich die Bahnplanung für die Spirographen so festgelegt, dass ich erst die inneren Bereiche (Taschen, Teile, Bohrungen) und danach die äußeren Bereiche fräsen lasse. Ganz zum Schluss sollten Ausschnitte und Fasen gefertigt werden. Des Weiteren sah ich vor, die Teile doppelseitig zu bearbeiten, damit auch die Rückseiten der Zahnräder gebrochene Kanten und weiche Übergänge aufweisen würden.

Vakuumverlust

Bei meinem ersten Versuch bin ich so vorgegangen wie ich das im Spirographen-Projekt mit dem Material Acrylglas bereits erfolgreich durchführen konnte: Die Rückseite wird zuerst bearbeitet, aber nicht ganz durchgefräst. Nach dem Wenden des Werkstückes dann soll nur noch mit dem Fasenfräser ausgeschnitten und gleichzeitig die Kanten gebrochen werden.

Dies funktionierte für die erste Aufspannung auch hervorragend.

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Rückseitige Bearbeitung der Spirographen.

Bei der zweiten jedoch ging mit dem Durchstoßen der Oberfläche so viel Unterdruck verloren, dass sich das Material vom Vakuumtisch löste und seine ursprüngliche, leichte Wölbung annahm. Somit musste ich den Fräsvorgang abbrechen und mir eine andere Strategie zum Niederhalten überlegen.

Ich konnte mir zu diesem Zeitpunkt noch nicht richtig erklären, warum jetzt so viel mehr Druck verloren ging als bei der Fertigung in Acrylglas.

Frischhaltefolie

Ich probierte mit Frischhaltefolie dem Druckverlust entgegenzuwirken. Dabei stellten sich gleich mehrere Folgeschwierigkeiten: Fährt der Fräser durch die Folie, so wird sie beim Fräsen geschlossener Konturen vom Fräser erfasst und in Windeseile um selbigen gewickelt. Der Fräser schneidet nun nicht mehr, sondern reibt nur noch am Material, was sehr schnell zu Hitzespuren am Holz führt.

Doch selbst wenn ich die Frischhaltefolie vorab befestige: Da ich Teile ausschneide, ist beim ersten Eindringen in die auf der Unterseite bereits vorhandene Nut der lokale Unterdruck am Teil bereits wieder so klein, dass es sich kaum an Ort und Stelle halten lässt.

Verdrehung des Werkstücks

Für den zweiten Versuch passte ich die Strategie an: Der Schaftfräser würde das Werkstück durchfräsen, so dass ich keine zweite Aufspannung benötigte. Ich wollte die Kantenbrechung auf der Rückseite später optional über eine auf dem Tisch festgespannte Halterung realisieren, in die ich die Teile würde einlegen können.

Während das Ausschneiden der Teile noch problemlos funktionierte (erneut die “inneren” Teile zuerst fräsen), so bekam ich beim Anbringen der Fase bereits auf der Vorderseite große Probleme. Die Zahnräder begannen, sich zu verdrehen und die Schablone mit Hohlrad war überhaupt nicht niederzuhalten.

Zu wenig Zeit

Ich musste also schon bei der Bearbeitung der Vorderseite auf speziell für die Werkstücke angefertigte Halterungen zurückgreifen. Deren Konstruktion und Fertigung nahm Zeit in Anspruch die ich an dieser Stelle so nicht eingeplant hatte.

Vor der Messe konnte ich mich nicht in der Tiefe mit der Analyse beschäftigen - eine schnelle Lösung musste her.

Die Ursachen

Mit ein paar Wochen Abstand kann nun ich sagen, dass mehrere Faktoren zu den Problemen führten. So kommen eine schwierige Geometrie, ungünstige Materialeigenschaften und bestimmte Eigenheiten des Vakuumtischdesigns zusammen. Aber gehen wir dem Ganzen hier mal auf den Grund.

Werkstück

Das Ausgangsmaterial ist mitteldichte Faserplatte von 10mm Stärke. Sie ist einseitig mit 0.75mm starkem Olivenholzfurnier versehen. Dieses Material ist für die Bearbeitung auf einem Vakuumtisch bereits von Grund auf problematisch:

Durch Furnierung und Lagerung sind die Platten leicht gewölbt¹, wollen sich also von meinem Vakuumtisch abheben.

MDF ist luftdurchlässig, sodass die Vakuumpumpe mit größeren Leckageströmen zu tun hat als üblicherweise (so bekomme ich bei Aufspannung der Platte nur -300mBar zusammen statt der üblichen -800mBar ohne Leckströme). Die geringe Materialdicke verstärkt diesen Effekt.
MDF ist nicht nur senkrecht zur Plattenebene luftdurchlässig, sondern auch waagerecht. Dadurch sind die Haltekräfte in der Nähe von Fräsungen stark reduziert, denn Luft kann nun auch seitlich in das Material eindringen und erhöht so zusätzlich die Leckageströme.

Das hier verlinkte Video Youtube: Verschiebekraftmessungen von Anton CNC zeigt anschaulich, wie sich verschiedene Materialien auf einem Vakuumtisch mit poröser Oberfläche verhalten. Ebenfalls sehr empfehlenswert zum Thema ist dieses Video YouTube: Haltekraftermittlung während des Zerspanens von vakuumtischDE um einen Eindruck zu gewinnen, unter welcher Belastung das Werkstück während des Fräsvorganges stehen kann.

Geometrie

Mein Design für die Spirographen lässt sich nicht besonders gut niederhalten:

Die Schablone mit Hohlrad besitzt dünne Wände von nur etwa 2cm Stärke. Am dicksten sind sie an den Seiten links und rechts, weisen in der Mitte aber eine große Aussparung auf, durch die Luft in alle Richtungen in das Material eindringen kann und so die Haltekräfte reduziert.
Das Zahnrad verfügt über Löcher zur Aufnahme von Stiften. Um die Löcher herum ist der Anpressdruck reduziert.
Die Zähne von Hohlrad und Zahnrad liegen so frei, dass sie durch Querströme der Luft im Material praktisch keinen Beitrag zur Haltekraft leisten können. Gleichzeitig bieten die Zahnköpfe aber einen großen Hebel für Verdrehung oder Verschiebung des Werkstücks: Eine ungünstige Paarung.

Nehme ich das als Grundlage für die Praxis, so sind nur die im Bild oben innerhalb des Kreises befindlichen Vakuumlöcher überhaupt in der Lage, nennenswerte Spannkräfte zu erzeugen. Diese sind aber wiederum nahe am Zentrum und bieten folglich nur wenig Widerstand gegen Verdrehen des Werkstücks. Hinzu kommt, dass das Zahnrad hier mehrere Bohrungen und damit zusätzliche “Lecks” aufweist.

Fräskräfte

Die durch das Werkzeug (den Fräser) in das Material eingebrachten Kräfte wirken stets in XY-Richtung, bei V-cut Fräsern und Schaftfräsern mit Spirale/Drall zusätzlich in Z-Richtung.

Kräfte durch Vorschub: Je schneller durch das Material gefahren wird, desto stärkere Kräfte in XY-Richtung wirken auf das Material in Verfahrrichtung.
Kräfte durch Fräserdrehung bzw. Gleich- oder Gegenlauf: Verwendet man einen Schaftfräser ohne Drall, so entstehen Kräfte orthogonal in der Ebene der Verfahrrichtung. Fahre ich also in positive X-Richtung, wird der Fräser auch in Y-Richtung eine Kraft ausüben, die durch seine Eigendrehung eingebracht wird: Im Gleichlauf möchte der Fräser dem Material ausweichen, wird also nach Y+ abgelenkt (wie in diesem Artikel anschaulich gezeigt). Im Gegenlauf ist die Ablenkrichtung invers und der Fräser möchte nach Y- ausweichen.
Kräfte durch Fräsergeometrie: Weist der Fräser eine Spirale auf oder ist er in der Geometrie abgeschrägt, so wirken zusätzlich Kräfte in Z-Richtung. Bei Vcut- und Downcut-Fräsern wird das Material auf das Maschinenbett gedrückt, bei Upcut-Spiralfräsern hingegen wird der Span wie gewünscht ausgeworfen. Das Werkstück erfährt aber auch eine Kraft, die es im Extremfall vom Maschinenbett abheben kann.
Wird in der Vollnut gefräst (d.h. der Fräser ist statt an der Werkstückkante entlang zu fahren über seinen kompletten Durchmesser im Eingriff), erhöhen sich die Kräfte quer zur Fräsrichtung sogar noch: Im Bild fährt er am oberen Rand der Nut im Gegenlauf, was den Fräser “vom Material weg”, im Bild also nach unten, drückt. Gleichzeitig fährt er am unteren Nutrand im Gleichlauf, was ihn “in das Material” zieht - ebenfalls nach unten.

Vakuumspannsystem

Wie in den Artikeln über Vakuumpumpen und Vakuumtische beschrieben, verfüge ich über eine trockenlaufende Drehschieberpumpe, angeschlossen an einen Lochrastervakuumtisch. Bei der Bearbeitung poröser Werkstoffe ist diese Kombination ebenso wie Rastervakuumtische mit kleinvolumigen Pumpen problematisch:

Mein Lochrastervakuumtisch besitzt Löcher mit einem Vakuumkanal von 0.5mm Durchmesser. Durch diese Engstelle wird die Pumpe zwar bei offenliegenden Löchern entlastet, denn sie muss nicht den vollen Luftstrom bringen, die das 5mm große Sackloch ermöglicht. Allerdings kann das Loch durch den begrenzten Luftstrom in Kombination mit MDF weniger Unterdruck aufbauen.
Durch die hohen Leckströme ist meine Vakuumpumpe mit ihrem Volumenstrom an ihrer Grenze. Hier sind andere Pumpentypen deutlich besser geeignet (siehe Radialgebläse, Seitenkanalverdichter).
Ein Vakuumtisch spannt generell nur nach unten (in Z-Richtung). Allerdings müssen auch Kräfte in XY-Richtung abgefangen werden, damit es nicht zu einer Verschiebung oder Drehung des Werkstückes kommt. Diese sind über den Haftreibkoeffizienten µ zwar an den Unterdruck am Werkstück gekoppelt (und lässt sich über Materialpaarung und Oberflächenbeschaffenheit beeinflussen), wenn Letzterer aber zu niedrig ausfällt, wird das Werkstück nicht zuverlässig gehalten.

Obwohl sich die Vakuumkanäle im 10mm-Raster befinden, beträgt der für den Leckstrom maßgebliche Abstand nur 5mm. Die Ränder der Sacklöcher (je 5mmDurchmesser) befinden sich nämlich in diesem Abstand zueinander, sodass der Luftstrom quer zum Material eine geringere Distanz zurücklegen muss als durch das Material hindurch.

Vergleich zum Widerstandsnetzwerk

Die tatsächliche Spannkraft lässt sich gut abschätzen wenn man sich Pumpe, Vakuumtisch und Werkstück als elektrisches Netzwerk vorstellt. Ich habe hierfür ein Modell vorbereitet und stelle es im Folgenden vor.

Widerstände: Vakuumtisch, Werkstück

Die Sauglöcher des Vakuumtisches stellen Widerstände für den Luftstrom dar, welche sich in einer Parallelschaltung befinden. In Reihe dazu ist das Werkstück erneut als Widerstand geschaltet, was mit seinem anderen Pol an “Masse”, also dem Umgebungsluftdruck, liegt.

Vakuumverteiler = Schalter, Manometer = Spannungsmesser

Das Manometer im Saugkanal kann als Spannungsmessgerät gesehen werden. Den Vakuumverteiler mit seinen Ventilen zum Schalten der Vakuumsektionen sehe ich als elektrische Schalteinrichtung. Ist der Schalter geschlossen, so stellt er die Verbindung zwischen Pumpe und Vakuumtisch her. Ist er geöffnet, so blockiert er den Luftstrom.

Vakuumpumpe = Spannungsquelle

In diesem Bild stellt die Pumpe eine Spannungsquelle dar, die in meinem Falle maximal U = 8V entsprechend -800mBar bereitstellen kann. Durch den bei realen Spannungsquellen vorhandenen inneren Widerstand von 0.2Ohm kann sie einen Kurzschlussstrom von I = 40A erzeugen, analog zu den 40m³/h Durchsatz. Dieser Vergleich ist physikalisch natürlich nicht korrekt, denn ich müsste hier mit Masse- statt Volumenströmen arbeiten. Außerdem hängt die Fördermenge nicht überall im Kennfeld linear mit dem Druck zusammen und die von mir angenommenen Widerstandswerte sind nur Richtgrößen. Zur Modellierung des Sachverhaltes eignet es sich meiner Meinung nach trotzdem.

Bei Werkstückmaterialien wie Acrylglas oder Metall ist der Luftdurchfluss nahe Null, ihr “Widerstand” ist also extrem hoch. Dadurch fällt hier der allergrößte Teil der Spannung (Unterdruck) ab, sodass das Werkstück fest gespannt wird.

Bei Verwendung luftdichter Materialien ist die Welt entsprechend in Ordnung: Das Manometer zeigt beim noch unbearbeiteten Werkstück den den Druck auf dem Material korrekt an an. Selbst bei Durchfräsungen wird lediglich der Widerstand des Materials “in Reihe” zu den betroffenen Sauglöchern zu Null gesetzt. So wird der Unterdruck und damit Haltekraft am Teil selbst kaum reduziert.

Schaut man genau hin, so ist zu erkennen, dass das Manometer die Druckdifferenz vor dem Vakuumverteiler misst. Sein Wert ist also nur dann auch aussagekräftig für die Spannkraft, wenn das Werkstück einen sehr hohen Durchströmungswiderstand bietet.

Sonderfall poröse Werkstoffe

Ganz anders sieht das Bild bei porösen Werkstoffen wie MDF aus:

Hier liegt der Durchgangswiderstand des Materials nur knapp eine Größenordnung über dem der Vakuumlöcher. Ich habe die Werte durch Versuche am Vakuumtisch ermittelt. Sie basieren auf Druckmessungen und Berechnungen von Werkstückfläche und der Anzahl vom Material abgedeckter, aktiver Sauglöcher. Besonders hervorzuheben sind hier zwei Effekte, die mir das Niederhalten zusätzlich schwer gemacht haben:

Augenmerk auf die Widerstände im Material in Parallelschaltung zum Durchgangswiderstand in Z-Richtung. Sie entstehen dadurch, dass die Luft sich nun auch “zwischen den Löchern” durch das Material bewegen kann.
Auf der rechten Seite des Bildes ist zu erkennen, was passiert, wenn das Werkstück in einen inaktiven Vakuumbereich hineinragt: Die Sauglöcher sind untereinander praktisch ohne Widerstand mittels Vakuumkanälen im Tisch verbunden. Da das Werkstück “Querluftzug” in XY-Richtung ermöglicht, muss durch Verbindung der Sauglöcher deutlich weniger Widerstand überwunden werden, als für die Durchdringung in Z. Hierdurch liegen nur noch R29 und R22||R21 in Reihe. Überdeckt das Werkstück mehrere inaktive Lochfelder, geht R22 gegen 0.

In der Folge werden die Widerstände vor R19, nämlich R18||(R29+(R21||R22)) so klein, dass die Pumpe hier praktisch nur noch Umgebungsluft zieht und an der Stelle kaum Spannkraft aufbringen kann. Über R25 wirkt sich der Querluftstrom außerdem auf den Druckabfall von R17, R15 aus.

Jetzt wirken die kleinen Sauglöcher als Spannungsteiler, sodass an ihnen ein nicht unerheblicher Teil des Unterdrucks “hängen” bleibt.

Also stimmt auch der auf dem Manometer angezeigte Druck überhaupt nicht mehr mit den Gegebenheiten am Werkstück überein: Obwohl ich hier noch immer -200mBar angezeigt bekomme, reduziert sich die Spannkraft genau an den für das Niederhalten empfindlichsten Stellen

am Rand des Werkstücks
in angrenzenden Bereichen zu denen, wo das Werkstück nicht aktiv angesaugt wird
sowie an jeder Durchfräsung und einem gewissen Umkreis

auf nahe null.

Für alle anderen Bereiche gelten die Kirchhoff’schen Gesetze: Gebildet wird ein Spannungsteiler bestehend aus Innenwiderstand der Pumpe, Vakuumsystem sowie dem Durchdringungswiderstand des Werkstücks. Nur die noch am Werkstück abfallende Spannung bestimmt die Niederhaltekraft. Sie ist - ich wiederhole mich jetzt - unter Umständen viel geringer als der Blick auf das Manometer vermuten lässt.

Lösungen

Ganz schön viel Theorie für die banale Erkenntnis, dass mir das Werkstück auf dem Maschinenbett verdreht wird, oder? Folgende Lösungen habe ich für ein solches Problem im Köcher:

Pumpe / Vakuumtisch

Bei der Arbeit mit porösen Werkstoffen ist es wichtig, dass der Tisch selbst einen geringen Durchströmungswiderstand aufweist. Nur so fällt der Großteil des Unterdrucks am Werkstück ab, was zu höherer Spannkraft führt. Hier wäre nach dem Motto “viel hilft viel” also eine Pumpe mit mehr Durchsatz, ein Tisch mit größeren Saugöffnungen und ein Vakuumverteiler mit größeren Schlauchdurchmessern angemessen. Kommt für mich aber überhaupt nicht in Frage.

Haftvermittler

Ich könnte probieren, eine grobmaschigere Gummimatte zu verwenden. Mit einem 20mm Lochraster etwa verdreifacht sich der Widerstand für den Querluftstrom, sodass Außenbereiche nicht mehr so stark vom Druckverlust betroffen sind. Zudem besitzt eine solche Matte mehr Gummifläche, was die Haftreibung erhöht.

Klebeband statt Frischhaltefolie auf der Materialoberfläche löst das Problem des Verfangens im Fräser und verschließt lokal die Poren des Werkstoffes, kann also die Haltekraft in kritischen Bereichen verbessern.

Natürlich können auch auf einem Vakuumtisch gängige Methoden wie die Aufbringung doppelseitigen Klebebandes oder das Festschrauben des Werkstückes angewandt werden. Mache ich aber nicht - denn dann müsste ich mir ja eingestehen, dass mein Vakuumtisch nicht für alle Fälle geeignet ist.

Haltestege, Spannvorrichtung

Diese Lösung zielt darauf ab, Verdrehen und Verschieben des Werkstückes zu vermeiden. Der Vakuumtisch wird hier nur noch zum Niederhalten verwendet, während eine passend angefertigte Halterung Kräfte in XY-Richtung aufnimmt. Im Bild sind Halterungen für die Schablone sowie das Zahnrad zu erkennen, die ebendiese Aufgabe erfüllen. Sie werden auf dem Maschinenbett befestigt und benötigen einen präzisen Nullpunkt, um die Kanten versatzfrei brechen zu können.

Ich verwende eine Spielpassung mit 0.1mm Luft zwischen den Komponenten. Ist das Spiel kleiner, benötige ich zu viel Kraft, den Rohling einzusetzen. Setze ich größere Werte an, lassen sich die Werkstücke zu stark verdrehen.

Mit dieser Variante kann ich verzogene Werkstücke geradeziehen, weiterhin sehr feine Gravuren anfertigen und gehe trotzdem sicher, dass mir nichts mehr verrutscht.

Nachteilig sind der Zeit- und Materialaufwand für Planung und Herstellung individueller Halterungen bzw. Schablonen.

Modifikation des Werkstückes

Dies liegt auf der Hand: Ich kann das Werkstück in seinen Eigenschaften so verändern, dass es undurchlässiger wird für Luft. So kann ich z.B. die Unterseite mit einer Folie bekleben und damit zusätzlich die Haftreibung verbessern.

Wer wie ich nicht so gerne Plastik verwendet: Ich habe herausgefunden, dass Backpapier / Frischhaltepapier aus ungebleichtem Zellstoff kaum Luft hindurch lässt. Demnächst probiere ich mal aus, Materialien damit zu bekleben bzw. von Durchfräsung betroffene Bereiche damit abzudecken statt mit Kunststofffolie.

Liegt ein solches Problem regelmäßig vor, sind Rastervakuumtische mit Dichtschnur eine hervorragende Lösung: Hier mittels einer linienförmigen Dichtung an den Außenkanten des Werkstückes gegen den Umgebungsluftdruck abgedichtet, sodass Werkstückkanten keine Chance bekommen, sich hochzuwölben. Bei meinem Lochrastertisch jedoch wirkt die gesamte Fläche der Gummimatte als Dichtung, sodass die Wölbung in Form einer Kontaktlinie auf der Matte vorliegt. Linien haben jedoch keinen Flächeninhalt, und nur durch jenen kann mein Tisch niederhalten. Dies ist übrigens auch der Grund, warum biegsame Materialien wie Folien so leicht vom Vakuumtisch abgezogen werden können. ↩︎

Vakuumpumpen

Schallbert — Fri, 28 Oct 2022

Was ist das?

Eine Vakuumpumpe ist ein Gerät, welches ein Gefäß evakuieren kann. Es ist also in der Lage, eine Menge an Gasatomen aus einem Gefäß zu entnehmen, sodass dieses schließlich weniger Atome pro Volumeneinheit enthält als das umgebende Medium. Dies erzeugt in dem Gefäß einen Unterdruck. Hier auf der Erde scheint es nicht möglich zu sein, die Zahl der Atome in einem Gefäß auf null zu senken, aber das ist natürlich für unsere Zweck auch nicht erforderlich. Ein technisches Grobvakuum ist hier vollkommen ausreichend.

Es gibt verschiedene Typen von Vakuumpumpen, jeder optimiert für andere Einsatzbedingungen. Doch mehr dazu später.

Wie kann die Vakuumpumpe Werkstücke festhalten?

Für Niederhalten und Spannen von Werkstücken mittels Vakuumpumpe wird ein Vakuumtisch (siehe mein Beitrag zum Thema) beziehungsweise eine Unterdruckklemmvorrichtung benötigt. Hier sind wir an der Druckdifferenz zur Umgebungsluftdruck (103000Pa = 10.3N/cm² = 1kg/cm²) interessiert. Dies ist die maximale Niederhaltekraft pro Fläche, die mit einem Vakuumtisch und dazu passend ausgelegter Pumpe theoretisch erreicht werden kann.

Volumenförderstrom vs. Unterdruck

Die wichtigsten Parameter einer Vakuumpumpe sind - wie bei anderen Pumpentypen auch - die maximal erreichbare Förderleistung, gemessen in m³/h (bei niedriger Druckdifferenz), sowie geringster erreichbarer Absolutdruck im vakuumierten Gefäß in hPa (bei niedrigem Volumenstrom) auf der Saugseite. Die Druckseite ist bei Vakuumpumpen logischerweise uninteressant.

Das erinnert mich ein wenig an die elektrische Welt, wo z.B. Leerlaufspannung (max. Druckdifferenz) und Kurschlussstrom (max. Volumenstrom) eine Spannungsquelle charakterisieren und es darum geht, einen optimalen Arbeitspunkt zu finden.

Wenn man auf eine Spannung aus ist, kann man eine Quelle nur mit einem geringen Strom belasten und so die Spannung oben halten. Anders herum kann bei geringer Spannung ein hoher Strom aus der Quelle bezogen werden. In jedem Falle ist auch bei der Vakuumpumpe ein optimaler Arbeitspunkt zu finden und den Pumpentyp entsprechend auszuwählen. Einige Pumpentypen nämlich sind auf Durchsatz optimiert und damit für andere Zwecke gut geeignet als Pumpen, die große Unterdrücke bei geringerem Volumenstrom erreichen.

Wird viel von beidem benötigt, steigen Kosten und Energiebedarf der Pumpe stark an - es kommt also wieder einmal darauf an, was man braucht, denn die “Alleskönnerpumpe” ist ökonomisch oft nicht sinnvoll.

Charakteristika der Pumpen

Ich habe mir mal die Mühe gemacht, Volumenstrom über Druckdifferenz in einem Diagramm einzutragen und für verschiedene Pumpentypen in ähnlicher Leistungsklasse auszuwerten. Dann zog ich eine Linie durch die beiden Punkte (sicher, das ist nur eine Annäherung, der wahre Verlauf ist eher asymptotisch), um sie besser vergleichbar zu machen.

Für das Beispiel habe ich willkürlich eine elektrische Leistung der Pumpe von rund 1.5kW angenommen. Die Werte habe ich aus online abrufbaren Datenblättern verschiedener Pumpenhersteller entnommen.

Natürlich ist das nur eine grobe Annäherung und gilt eher für Pumpentypen mit großem Durchsatz als für diejenigen mit hoher Druckdifferenz. Die Funktion letzterer sieht eher aus wie ein hyperbolisches Parabolid (siehe Abbildung weiter unten), da erreichbare Druckdifferenz von Leckströmen stark gemindert wird.

Wir können solch eine Kurve gut für die Arbeitspunktbestimmung verwenden: Der Hersteller des Vakuumtisch empfiehlt meist den erforderlichen Volumenstrom für das jeweilige Produkt. Dieser wird nun auf der Linie markiert, und schon ergibt sich das dann erreichbare Vakuum. Am Schluss des Artikels komme ich hierauf zurück und versuche, ein paar Empfehlungen zu geben.

Pumpentypen

Es gibt viele verschiedene Pumpentypen zur Vakuumerzeugung in der Industrie. Sie haben teils verschiedene Wirkprinzipien und selbstverständlich unterschiedliche Einsatzzwecke. Ich konzentriere mich hier auf die vier Typen, die im Hobbybereich meiner Ansicht nach am Häufigsten zum Einsatz kommen.

Radialgebläse (Sehr hoher Volumenstrom)
Seitenkanalverdichter (Hoher Volumenstrom)
Kolbenpumpe (Tiefes Vakuum)
Drehschieberpumpe (Tiefes Vakuum)

Radialgebläse

Radialgebläse beschleunigen die Luft zwischen ihren Schaufeln. Luft wird axial in Mitte des Gebläses angesaugt und durch Fliehkräfte radial nach außen gedrückt, wo sie über einen Kanal an einer Stelle radial austreten kann.

Radialgebläse werden für sehr viele Anwendungen gebaut. Sie kommen beispielsweise in Großfeuerungen von Kraftwerken, in Hüpfburgen und dem Automotive-Bereich vor und waren vor fast zwei Jahrzehnten sogar auf Grafikkarten häufiger anzutreffen (Ich hatte mal einen auf meiner ATI Radeon X1900XT). Sie sind sehr einfach im Aufbau, kostengünstig herzustellen und sind in der Lage, einen unglaublich hohen Luftdurchsatz bereitzustellen. Nachteilig sind die hohen Laufgeräuschpegel und die im Vakuumbereich relevanten, geringen erreichbaren Unterdrücke.

Wenn allerdings mit Plattenmaterial und großflächigen Werkstücken gearbeitet wird, kann diese Vakuumlösung trotzdem sehr gut passen. Im Hobbybereich können hier oft sogar günstige Staubsauger (mit Fremdkühlung durch einen eigenen Lüfter) verwendet werden.

Seitenkanalverdichter

Seitenkanalverdichter kombinieren einen hohen Volumenstrom mit mittleren Druckdifferenzen. Man kann sie als ein- oder mehrstufige Systeme erwerben (Serienschaltung). Dadurch sind sie gut auf die Bedürfnisse der Kundschaft anpassbar. Wie Radialgebläse interagieren sie nur mit dem Medium und verschleißen nicht durch Teil-zu-Teil-Reibung. Dadurch sind sie ebenso wartungsarm und tolerieren auch Dämpfe und staubige Umgebungen.

Wünscht man einen Seitenkanalverdichter mit hohen Druckdifferenzen, muss man einen sehr leistungsfähigen Motor wählen, denn die charakteristische Kurve verläuft recht flach. Die Geräuschbelästigung kann durch beidseitige Verwendung von Schalldämpfern gut reduziert werden. Dennoch sind sie bei vergleichbaren Leistungswerten teurer als Radialgebläse.

In dieser Aufzählung sind sie die eierlegende Wollmilchsau: Sie können einen passablen Unterdruck bei hohem Volumenstrom erzeugen, ihr Preis ist moderat, sie benötigen kaum Wartung und ihr unangenehmes, turbinenartiges Geräusch lässt sich mit ein paar technischen Maßnahmen in den Griff bekommen.

Ich fand diese tiefgehende Erklärung von Seitenkanalgebläsen ebenfalls nützlich: Link geht zur “GutmbH”. Und dieses Youtube-Video zeigt einen herrlich verspielten Einsatz als Verdichter.

Kolbenpumpe

Der Klassiker. Kolbenpumpen werden sowohl für Kompressoren als auch für Vakuumpumpen verwendet. Sie stellen bei vergleichbar geringen Volumenströmen hohe Druckdifferenzen bereit, benötigen nicht viel Platz in der Werkstatt, und sind schon allein durch die hohen Produktionsvolumen günstig in der Anschaffung.

Auf der anderen Seite bieten sie nur einen pulsierenden Luftstrom und sind konzeptbedingt eher laut. Überdies können nur speziell dafür angefertigte Modelle mit Flüssigkeiten (Flutkühlung) oder Stäuben umgehen und benötigen mehr Wartung als die obengenannten Typen. Ich habe längst nicht so viele Anwendungsbeispiele dieses Pumpentyps für Vakuumtische gefunden wie bei den anderen. Das heißt aber nicht, dass ich sie für diese Einsatzzwecke als ungeeignet einstufe.

Drehschieberpumpen

Drehschieberpumpen teilen sich wiederum in zwei Klassen: Trockenlaufend und ölgeschmiert. Während trockenlaufende Drehschieberpumpen gleicher Leistung bei etwas höherem Durchsatz ähnliche Unterdrücke erzeugen können wie Kolbenpumpen, sind ihre ölgeschmierten Pendants in der Lage, deutlich größere Unterdrücke zu erreichen. Zudem benötigen sie weniger Energie zum Betrieb als ihre trockenlaufenden Kollegen.

Auf der anderen Seite benötigen sie eine Warmlaufzeit für das Öl und einen Entgasungszyklus vor ihrer Abschaltung. Zudem benötigen sie durch Ölwechsel und leichte Ölnebel in der Abluft mehr Wartungsaufwand.

Das Wirkprinzip: Ein Motor treibt eine auf seiner Welle befindliche geschlitzte Scheibe an, welche exzentrisch in einem Gehäuse montiert ist. In den Schlitzen sind kleine Platten eingelassen, die sich radial frei bewegen können. Startet der Motor nun, werden die Platten durch Fliehkräfte an die Wände der Kammer gedrückt und schließen diese beinahe luftdicht gegen die anderen Kammern ab. Durch die Exzentrizität ist das Volumen dieser Kammern über einen Umlauf variabel und verkleinert sich in Richtung Auslass, sodass auf der Saugseite ein Unterdruck und am Auslass ein Überdruck entsteht.

Drehschieberpumpen sind nur für kompressible Medien geeignet, benötigen Staubabscheider am Einlass und vertragen keine Flüssigkeiten im Medium. Dafür liefern sie einen kontinuierlichen Saugstrom und sind im Betrieb vergleichsweise leise. Die Drehschieber sind Verschleißteile, die irgendwann ersetzt werden müssen - besonders bei den trockenlaufenden Geräten. Im Vergleich zu Seitenkanalverdichtern gleichen Volumenstroms liegen ihre Kosten zur Zeit des Verfassens dieses Artikels um den Faktor zwei bis drei höher.

Weitere Details gefällig? Wie oben bereits erwähnt halte ich diese Seite von GutmbH für lesenswert.

Das Werkstück bestimmt die Pumpe

Um eine gute Wahl für eine Vakuumpumpe treffen zu können, sollte der Einsatzzweck also klar und der zu verwendende Vakuumtisch eine bekannte Größe sein.

Wie in der Zeichnung zu erkennen ist, hängt die erreichbare Niederhaltekraft stark von der Größe der Oberfläche des Werkstücks ab - je kleiner sie ist, desto größer muss der Unterdruck sein, den die Pumpe liefert, um dieselbe Niederhaltekraft zu erreichen. Leider ist der Unterdruck wie oben beschrieben durch das absolute bzw. das durch die gewählte Pumpe erreichbare technische Grobvakuum limitiert. Trotzdem können Vakuumtische sehr homogene Niederhaltekräfte bieten.

Was wir vermeiden wollen, ist, dass das Werkstück durch das Werkzeug beim Eingriff vom Maschinentisch gelöst wird. Ebenfalls möchten wir Parallelverschiebung oder Drehung des Werkstücks durch das Werkzeug verhindern. Um ein paar Anhaltspunkte zu bekommen, können wir zuerst die Niederhaltekraft für unser Werkstück berechnen. In einem zweiten Schritt dann können wir abschätzen, wie viel Widerstand uns dies gegen laterale Verschiebung oder Drehung bietet. Solange die vom Werkzeug in das Werkstück eingebrachte Kraft unter dieser Losbrechkraft liegt, sind wir auf der sicheren Seite und können möglicherweise eine preisgünstigere Pumpe wählen.

Niederhaltekraft

Die Klemmkraft, die das Werkstück auf dem Maschinentisch festhält, ist leicht zu berechnen:

$$f_{clamp}= F_N = \Delta p A + F_g $$

Sie wird in Newton angegeben und ergibt sich aus der Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite des Werkstücks und der Erdanziehungskraft, die das Werkstück nach unten drückt.

Der erforderliche Wert hängt stark von der Werkzeuggröße- und Geometrie, Werkstückmaterial sowie vom Vorschub und gewählter Drehzahl ab. So wird wesentlich mehr Klemmkraft bei harten und zähen Materialien wie Hochdrucklaminaten oder Stahl benötigt, wenn Werkzeuge mit großen Durchmessern oder Drallwinkeln eingesetzt werden, die zudem bei großen Vorschüben und geringer Drehzahl durch das Material gehen als bei Weichhölzern, wo gern mit hohen Drehzahlen und gerade geschliffenen Fräsern gearbeitet wird.

Die Berechnung der Zerspankräfte, insbesondere der hier für uns interessanten Vorschubkraft, würde einen eigenen Artikel erforderlich machen. Für den Hobbybereich sind meine Erfahrungswerte, dass Werkstücke kleiner als 80x80mm nur mit großen Unterdrücken um -0.8Bar gehalten werden können, wenn man nicht gerade im Schneckentempo arbeiten möchte. Andersherum reichen bei 600x600mm großen Platten ohne Durchfräsungen bereits -0.1Bar, um die Platte sicher zu halten.

Parallelverschiebung

Um Niederhaltekraft in Widerstand gegen Parallelverschiebung umzurechnen, führe ich hier den statischen Reibungskoeffizienten $µ_s$ ein.

Nehmen wir an, wir legen eine Lage Gummi zwischen unser (metallisches) Werkstück und den Vakuumtisch. Nehmen wir weiter einen statischen Reibungskoeffizienten µs = 0.7 zwischen Gummi und Werkstück an - den Wert habe ich online gefunden - was für mich aus mehreren Gründen nach einer konservativen Schätzung aussieht: Erstens klammern wir die Oberflächenrauigkeit von Gummimatte und Werkstück aus, und zweitens wird das Werkstück durch den Unterdruck etwas in die Gummimatte hineingedrückt, was die Losbrechkräfte durch Formschluss nochmal deutlich erhöht.

Egal, denn alles was zu tun bleibt, ist die oben berechnete Kraft mit dem Reibungskoeffizienten zu multiplizieren.

$$F_s = F_N µ_s$$

Hier kann man also an zwei Stellschrauben drehen: Der Materialpaarung und dem von der Pumpe bereitgestellten Anpressdruck. Es gibt auch spezielle Vakuumvliese, welche besonders hohe Reibungskoeffizienten besitzen und bei Anlegen des Vakuums durch Eindrücken des Werkstücks in das Vlies für zusätzlichen Widerstand gegen Verschiebung und Rotation sorgen.

Rotation

Hier wird die Berechnung schwierig. Interessanterweise wird weniger Kraft benötigt, ein Werkstück von seiner Position wegzudrehen, als es parallel zu verschieben. Das kann man sich aber zum Glück recht leicht klarmachen:

Wenn Sie z.B. Ihr Mobiltelefon auf dem Tisch um seinen Mittelpunkt herum drehen (etwa durch Berührung der rechten oberen Kante mit dem Zeigefinger), müssen nicht alle denkbaren Punkte auf dem Smartphone denselben Weg zurücklegen. Punkte, die sich näher am Drehpunkt befinden, legen eine geringere Distanz für den selben überstrichenen Winkel zurück als solche, die weiter in Richtung Kante des Smartphones liegen. Für eine Paralellverschiebung hingegen muss jeder Punkt einen gleich großen Weg zurücklegen, für den ein entsprechender Energieeinsatz erforderlich ist.

Für das Spannen auf dem Vakuumtisch sind lange, schmale Werkstücke besonders anspruchsvoll. Sie bieten mit ihren langen Kanten einen großen Hebel und bieten zudem keine große Oberfläche, die der Unterdruck zum Niederhalten nutzen kann. Daher lassen sie sich leicht versehentlich verdrehen.

Am einfachsten zu bearbeiten sind daher runde oder quadratische Werkstücke, zumal wenn sie nahe an ihrem geometrischen Mittelpunkt gefräst werden.

Welche Vakuumpumpe wird nun also benötigt?

Ok, fassen wir zusammen:

Es ist immer eine Kombination aus Werkstückmaterial (leicht/ schwer zu bearbeiten, niedrige/hohe Reibungskoeffizienten), -Größe (je mehr Oberfläche, desto einfacher sind hohe Klemmkräfte realisierbar), Bedürfnissen durch die Bearbeitung wie Durchfräsungen (Toleranz gegenüber Leckageströmen), Vakuumtischgröße- und Typ sowie Bearbeitungsparametern, die die Auswahl der Vakuumpumpe bestimmt.

Daher sollten ein paar Erfahrungswerte vorliegen und klare Wünsche formuliert werden können: Wie groß sind die Werkstücke typischerweise? Werden oft Teile aus Plattenmaterial ausgeschnitten? Welche Materialien sollen verarbeitet werden? Werden Kühlschmierstoffe benötigt? Muss mit aggressiven Parametern vorgegangen werden, um Fertigungszeiten niedrig zu halten?

Ein paar Vorschläge meinerseits:

Aluminium, kleine Werkstückgröße, keine Durchfräsungen: Kleinvolumige Kolben- oder Drehschieberpumpe mit einem Lochrastertisch
Holz und MDF, große Werkstücke, Nesting und eine Menge Durchfräsungen: Radialgebläse oder einstufiger Seitenkanalverdichter, Vakuumtisch mit poröser Oberfläche oder Rastervakuumtisch mit Vakuumvlies
Hochdrucklaminate, kleine Werkstücke, viele Durchfräsungen: Drehschieberpumpe mit großem Volumenstrom oder mehrstufige Seitenkanalgebläse sowie ein Lochrastervakuumtisch. Zudem Verwendung von an das Werkstück angepassten, speziellen Frässtrategien im CAM: späte Durchfräsungen in Kombination mit geringerer Tiefenzustellung.

Meine Wahl

Da ich auf meiner Maschine Platten mit 60x60cm Größe in einem Rutsch bearbeiten möchte, habe ich mich für einen recht großen Lochrastervakuumtisch (730 x 655 mm) mit 0.5mm Durchgangsbohrungen in einem 10mm Raster entschieden. Da ich noch immer eine Menge verschiedener Materialien auf meiner Maschine ausprobiere und hauptsächlich Prototypen anfertige, sehen meine Werkstücke selten ähnlich aus und haben sehr unterschiedliche Abmessungen (kleinstes Werkstück bis dato: 14x26mm). Daher musste ich in den sauren Apfel beißen und einen Haufen Geld in eine großzügig dimensionierte, trockenlaufende Drehschieberpumpe investieren, die für kleine Werkstücke einen hohen Unterdruck zur Verfügung stellt und dennoch eine Menge nicht abgedeckter Sauglöcher toleriert, ohne in die Knie zu gehen.

Vergleich mehrerer Drehschieberpumpen (Bild bereitgestellt von Stritzelberger GmbH) ^[1]

Die Pumpe stellt einen Volumenstrom von 40m³/h zur Verfügung und kann maximal 880mBar unter Umgebungsluftdruck gefahren werden. Sie wiegt in etwa 40kg und wird von einem 3-Phasen Asynchronmaschine mit einer Nennleistung von 1.3kW angetrieben.

Durch einen Umbau läuft meine Pumpe auf nur einer Phase. Ich habe zudem einen Motorschutzschalter hinzugefügt, um die Maschine vor Überlast zu schützen.

Ist die Pumpe laut?

Na ja, 68dB(A) aus einem Meter Abstand sind nicht so richtig leise. Das Geräusch erinnert mich an das Außengerät einer Klimaanlage, die bei voller Last läuft. Ist die Fräsmaschine allerdings in Betrieb, so geht das Geräusch der Pumpe in den Fräsgeräuschen praktisch unter.

Aber überzeugen Sie sich selbst; ich habe ein kleines Video vom Betrieb der Pumpe erstellt:

Drehschiebervakuumpumpe: Inbetriebnahme↗

Vakuumtisch für die CNC

Schallbert — Fri, 21 Oct 2022

Nehmen wir mal an, Sie sind nicht durch Zufall beim Surfen durch das Internet auf diesen Beitrag gestoßen. Sie wissen also bereits was ein Vakuumtisch ist (falls nicht: hier weiterlesen). Sein Wirkprinzip wird im Bild auf der rechten Seite erläutert. Wahrscheinlich wissen Sie außerdem bereits, dass es verschiedene Typen Vakuumtische für unterschiedliche Zwecke gibt, und vielleicht auch schon, dass Sie einen anschaffen möchten.

Hervorragend! Dieser Artikel beschreibt sowohl meinen eigenen Weg hin zu einem Vakuumtisch, soll aber ebenfalls als Entscheidungshilfe für Sie dienen. Beginnen wir mit einem kleinen Interview.

Warum möchten Sie einen Vakuumtisch haben?

Gleich zu Anfang die wichtigste Frage.

🤩 Weil er toll aussieht, eine Menge Gewicht auf die Waage bringt, stabil und teuer ist?
😪 Weil Sie keine Lust mehr haben, sich ständig über das richtige Klemmen des Werkstücks Gedanken zu machen?
😖 Oder weil Sie bereits ein paar Fräser verschlissen haben beim Versuch durch Klemmen zu fahren?
😨 Oder doch weil sich Doppelklebeband als nicht stark genug erwiesen hat und Ihr Werkstück fliegen ging?
😎 Professionalisieren Sie Ihr Gewerk vielleicht gerade und Sie versuchen, Produktionszeit einzusparen?
😕 Vielleicht ist auch die Qualität Ihrer Werkstücke nach Bearbeitung unzureichend oder Sie haben Probleme, Plattenware plan zu bekommen?

Meine Gründe: Qualität und höhere Fertigungsgeschwindigkeit

Dies hier soll mein Vakuumtisch in den Griff kriegen:

Bei Gravuren machen nicht vollkommen plan aufliegende Werkstücke mir einen Strich durch die Rechnung, da die Gravurbreite ungleichmäßig wird. Dies ist leider nicht nur auf Holzwerkstoffe beschränkt.
Momentan arbeite ich mit Anbindungen, um Frästeile in Position zu halten. Meine Frästeile benötigen also manuelle Nacharbeit und die Anbindungen am Werkstück können danach immer noch erahnt werden.
Wenn ich keine Anbindungen wünsche, muss ich eine “Zwiebelhaut” übrig lassen, kann also nicht ganz durchfräsen. Das macht die Bearbeitung der Rückseite z.B. mit einem Gravurfräser erforderlich, was durch die genaue Positioniererfordernisse viel Zeit in Anspruch nimmt.
Mit einem Vakuumtisch werden ballige Werkstücke für die Bearbeitung plan gezogen, sodass Probleme ungleicher Gravuren, nicht erwünschter Durchfräsungen usw. behoben sind.
Unter bestimmten Bedingungen leidet Meine Maschine an Vibrationen, besonders bei Verwendung langer Zweizahnfräser bei großer Tiefenzustellung und größeren Geschwindigkeiten. Das zusätzliche Gewicht und die flächige Kraftverteilung durch den Vakuumtisch könnten dieses Problem lösen.

Welcher Typ Vakuumtisch?

Ok, nun sollten wir herausfinden, welche Art Vakuumtisch sich am besten für Ihren Einsatz und für Ihre Randbedingungen eignet. Vakuumtische sind prinzipbedingt nur dann sinnvoll, wenn Plattenmaterial mit entsprechend großer Oberfläche bearbeitet wird. Zudem sollte das Plattenmaterial nicht zu biegsam oder sehr porös sein - Folien, Gummimatten und Weichschäume beispielsweise können von einem Vakuumtisch kaum gehalten werden, da durch die Fräskräfte angehobene Kanten des Plattenmaterials sofort das Vakuum kollabieren lassen.

Es gibt drei Typen Vakuumtische:

Rastervakuumtische
Lochrastervakuumtische
Vakuumtische mit poröser Oberfläche

Rastervakuumtisch

Ein Rastervakuumtisch (Bild zur Verfügung gestellt von Stritzelberger GmbH) ^[1]

Viele Rastervakuumtische haben nur einen Vakuumanschluss, der in der Mitte des Tisches platziert ist. Der Bereich, in dem Unterdruck das Werkstück halten soll, wird mittels einer in das Raster gelegten (Schaum-) Gummidichtung bestimmt. Hierbei muss sich die Dichtung stets innerhalb des Werkstückes befinden.

Da die Dichtung bei Einschalten des Vakuums zusammengepresst wird und damit Vakuumtisch und Werkstück luftdicht miteinander verbindet, muss die Pumpe nur einen geringen Volumenstrom zur Verfügung stellen. Zudem hält das Werkstück bei entsprechend starkem Unterdruck sehr großen Zug- und Scherkräften stand, ohne sich zu lösen. Durch die flexible Dichtung können auch nicht ganz plan aufliegende Werkstücke oder solche mit rauen Oberflächen auf dieser Art Tisch gut bearbeitet werden.

Bei all den Vorteilen haben sie aber zwei gewichtige Nachteile: Werden erstens verschieden große Werkstücke verarbeitet, ist die Verlegung der Dichtung stets anzupassen. Außerdem muss beachtet werden, dass durch das meist in der Mitte befindliche Absaugloch auch die Werkstücke zentriert werden müssen; Anschläge für das vereinfachte Kantenfinden sind daher oft nicht verwendbar.

Zweitens darf nicht “innerhalb der Dichtung” durchgefräst werden. Tut man es doch, wird das Vakuum sofort zusammenbrechen, da die Pumpe plötzlich einen riesigen Luftstrom bewältigen muss. Daher darf das Werkstück nicht zu klein werden (das Raster ist das Maß der Dinge) oder man muss zusätzlich Arbeit in Klemmen oder Halterungen stecken, die dieses Problem lösen.

Kurzgesagt:

Rastervakuumtische funktionieren sehr gut, solange man nicht durchfräst.
Rastervakuumtische stellen geringe Anforderungen an die Pumpe und halten auch unebene oder verzogene Werkstücke sicher.
Rastervakuumtische sind günstig, benötigen aber bei unterschiedlichen Werkstückgrößen, kleinen Werkstücken oder Durchfräsungen extra angepasste Halterungen.

Lochrastervakuumtisch

Ein Lochrastervakuumtisch (Bild zur Verfügung gestellt von Stritzelberger GmbH) ^[2]

Lochrastervakuumtische verfügen über - wie der Name schon sagt - in einem Raster angeordnete Sacklöcher, über die Luft abgesaugt wird. In jedem dieses Sacklöcher befindet sich eine winzige Durchgangsbohrung, die zu einem im Tisch befindlichen Kanalsystem führt. Der Durchmesser der Durchgangsbohrung wird vom vorrangig zu bearbeitenden Material vorgegeben - sie sind etwas größer bei “porösen” Materialien wie Holz und MDF, und kleiner für die Aluminium- oder Stahlbearbeitung.

Zumeist sind sie in zuschaltbare Segmente unterteilt, sodass bei kleineren Werkstücken nicht der ganze Tisch abgedeckt werden muss um Leckströme zu vermeiden. Dennoch ist es sinnvoll, weiterhin freiliegende Löcher abzudecken und damit den Vakuumdruck zu erhöhen.

Diese Vakuumtische bestehen meist aus drei Teilen: Dem Unterbau zur Montage auf dem Maschinenbett, einer mittleren Ebene mit Vakuumanschlüssen und dem Kanalsystem sowie einer oberen Ebene mit Lochraster, was zudem oft eine Bearbeitungsreserve zum Planfräsen aufweist.

Sie sind in der Lage, Werkstücke jeglicher Form niederzuhalten, vorausgesetzt sie besitzen eine ebene Fläche auf der Unterseite. Die kleinen Durchgangsbohrungen ermöglichen auch das Durchfräsen: die betroffenen Löcher liefern zwar keinen Beitrag mehr zur Klemmkraft, überfordern mit dem geringen Leckstrom aber auch die Vakuumpumpe nicht, sodass sie den Unterdruck bei den anderen Löchern aufrecht erhalten kann (solange man es mit der Anzahl freiliegender Löcher nicht übertreibt). Das Ausrichten des Werkstücks ist auf solchen Tischen ebenfalls einfach, da das Lochraster einfach mit Zentrierstiften bestückt werden kann, die einen Anschlag o.Ä. bilden.

Nachteile dieses Tischtyps sind ihr hoher Preis durch das aufwendige Design, mehr benötigtes Zubehör wie Vakuumverteiler bei einem Mehrkammersystem (und alles muss leckfrei gehalten werden), sowie hohe Anforderungen an die Vakuumpumpe bei Durchfräsungen.

Kurzgesagt:

Lochrastervakuumtische sind für jedes feste Werkstück mit genügend Oberfläche und glatter Unterseite geeignet.
Lochrastervakuumtische tolerieren Durchfräsungen und freiliegende Löcher, erfordern dann aber großzügig dimensionierte Vakuumpumpen.
Lochrastervakuumtische vereinfachen die Positionierung von Werkstücken ungemein.
Lochrastervakuumtische sind komplex in der Fertigung und daher vergleichsweise teuer.

Vakuumtische mit poröser Oberfläche

Ein Porenvakuumtisch (Bild zur Verfügung gestellt von 'Jens´ Vakuumtische') ^[3]

Diese Art Vakuumtisch benötigt weder sichtbare Löcher noch Kanäle an seiner Oberfläche: Stattdessen ist die Oberfläche selbst luftdurchlässig. Für das Fräsen von Leiterplatten wird als Material oft Aluminiumschaum verwendet. Im Hobbybereich gibt es auch gute Erfahrungen mit überplanter mitteldichter Faserplatte. Bei Letzterer ist es beim Durchfräsen nicht einmal schlimm, wenn man sich mit der Materialdicke vertan hat, da MDF solche Fehler gut verzeiht und bei Bedarf einfach eine frische Platte aufgelegt werden kann.

Die Tische sind leicht und - mit viel Hintergrundwissen über Werkstoffe und Dünwwandfräsen - sogar als “Marke Eigenbau” zu fertigen. Im Netz gibt es dazu viele Beispiele.

Sie funktionieren am besten über einen großen Volumenstrom und arbeiten daher meist mit geringen Unterdrücken - sie erhalten ihre Klemmkraft also über die Fläche. Besser noch als Lochrastervakuumtische sind sie also für Durchfräsungen geeignet. Zudem sind sie in der Anschaffung günstig und können sogar mit Staubsaugern betrieben werden, deren Motoren auch ohne Förderstrom durch ein eigenes Gebläse gekühlt werden.

Ihre Nachteile: Durch ihr geringes Gewicht sind sie anfälliger für Vibrationen. Sie benötigen Werkstücke mit eher großer Oberfläche um adäquate Klemmkräfte zu realisieren und bei hohen Unterdrücken bleibt das poröse Obermaterial nicht maßhaltig, es “schrumpft” also bei aufgelegtem Werkstück etwas. Außerdem sind sie nicht geeignet bei Verwendung von Kühlschmierstoffen und haben einen ungünstigen statischen Reibungskoeffizienten (Je nach Werkstückpaarung bieten sie keinen besonders guten Halt gegen laterale Verschiebung).

Kurzgesagt:

Porenvakuumtische sind günstig zu erwerben und zu betreiben.
Porenvakuumtische sind für größere Werkstücke und Materialien, die keine Kühlschmierstoffe benötigen, gut geeignet.
Porenvakuumtische sind bei Durchfräsungen sehr gut geeignet.
Porenvakuumtische sind bei Verwendung von MDF nicht präzise in Z-Richtung.

Was alle diese Vakuumtische gemeinsam haben

Die Klemmkraft auf das Werkstück in Z-Richtung kann für einen gegebenen Unterdruck auf identische Art berechnet werden. Aber vorsicht, dieser Unterdruck ist bei Durchfräsungen und anderen Quellen für Leckagen am Werkstück geringer als auf dem Manometer angezeigt.

Werden keine Durchfräsungen gefertigt, lässt sich die volle Werkstückoberfläche zur Berechnung der Klemmkraft hinzuziehen (und nicht nur die Summe der Fläche aller Löcher im Bereich unter dem Werkstück im Falle des Lochrastertisches). Das kommt daher, dass mikroskopisch kleine Unebenheiten auf der Oberfläche von Werkstück und Tisch einen geringen lateralen Luftfluss an der Grenzschicht zulassen.

Andererseits gilt dies auch für die Ränder des Werkstücks. Nutzt man also keinen Rastervakuumtisch, wird es immer Leckageluftströme geben. Fräst man zusätzlich komplett durch das Material, werden weitere Randzonen erzeugt, die wiederum geringere Klemmkräfte aufweisen als der Rest des Werkstücks.

Welches Zubehör für einen Vakuumtisch?

Ohne Pumpe funktioniert der Vakuumtisch natürlich gar nicht. Und obacht, werden hohe Unterdrücke und gleichzeitig große Volumenströme verlangt, bewegt sich der Preis für die gewünschte Pumpe ganz schnell in derselben Liga wie der Vakuumtisch. Aber das führt hier zu weit - ich habe den Vakuumpumpen einen eigenen Artikel gewidmet. Aber es wird weiteres Zubehör benötigt:

Schrauben, Unterlegscheiben, Nutensteine / Muttern um den Tisch auf der Maschine zu befestigen
Sortiment verschieden dicker Unterlagsbleche für die plane Montage des Tisches gegenüber der Z-Achse der Maschine
Einen Vakuumverteiler, falls der Vakuumtisch mehrere Zonen besitzt
Vakuumleitungen
Einen Schalter mit Motorschutz für die Vakuumpumpe
gegebenenfalls ein Vakuumvlies (Holz-, Kunststoffbearbeitung) oder eine Lochrastermatte aus Gummi (Alu, Stahl)
Dichtband (für Rastervakuumtische)

Zusammenfassung

Alles in allem will die Anschaffung eines Vakuumtisches gut überlegt sein - gerade wegen des großen Kosten- und Zeitaufwandes für Montage, Einrichtung und Betrieb des Tisches. Entscheidet man sich dennoch dafür, so wird man bei zweckmäßigem Einsatz mit höherer Fertigungsqualität durch die flächige Auflage des Werkstücks, kürzerer Richtzeit durch Wegfallen der Klemmen und einfacherer Jobplanung belohnt - denn Materialanbindungen sind nun passé.

Meine Wahl

Ich arbeite ausschließlich mit Plattenmaterial. Ich fertige bisher Produkte aus Holz, Hochdrucklaminaten, Acrylglas, mitteldichter Faserplatte oder Aluminium-Verbundmaterial. Zumeist muss ich Konturen aus einer größeren Platte ausschneiden (Durchfräsen) und wende Nestingverfahren an, um möglichst wenig Abfall zu erzeugen. Ich arbeite oft zweiseitig, was eine genaue Lokalisierung des Werkstückes auf dem Maschinentisch erfordert. Daher kommt ein Rastervakuumtisch für mich nicht infrage.

Um die Kanten auf der Werkstückunterseite anzufasen, schneide ich im ersten Arbeitsgang meist nicht ganz durch, sondern lasse einen V-Fräser diesen letzten Schritt auf der Unterseite erledigen. Da ich hierfür eine sehr exakte Bestimmung der Werkstückhöhe benötige und der Unterdruck sich bei Auffräsen einer Kontur durch den Fasenfräser verringert, muss die Oberfläche des Vakuumtisches starr sein - daher kommt ein Porenvakuumtisch mit Oberfläche aus MDF für mich nicht in Frage.

Stattdessen habe ich einen Hersteller für Vakuumtische direkt kontaktiert, um ein paar kleine Lochrastervakuumtische zu kaufen, die ich unabhängig voneinander einschalten und damit je nach Größe des Werkstücks Segmente auf meiner CNC mit Unterdruck versorgen könnte. Dieser meinte, dass die einfachere und bessere Lösung ein für meine Maschine angepasster Vakuumtisch sei, da bei Zusammenstellen mehrerer Tische Höhenunterschiede und Undichtigkeiten entstehen würden und die Zuführung der Vakuumleitung erschwert würde.

Also habe ich gespart und mir den teureren, großen Tisch zugelegt. Hierfür habe ich dem Hersteller Zeichnungsdaten meiner Maschine zur Verfügung gestellt und nach ein paar Gesprächen und Vorschlägen seitens des Herstellers hatte ich dann einen an meine Bedarfe angepassten Entwurf.

Lieferung des Tisches

Der von mir ausgewählte Hersteller sitzt nicht zu weit von meinem Wohnort entfernt. Also bin ich hingefahren für eine kleine Führung durch die Produktion und konnte den Tisch dabei direkt mitnehmen. Da ich für die Montage meine alte Werkstückunterlage vom Maschinentisch nehmen musste, konnte ich in einem Zug direkt Schalldämmung im Maschinenrahmen anbringen. So wird die Maschine nochmal etwas leiser.

Danach habe ich den Vakuumtisch mit M6 Maschinenschrauben und T-Nut Muttern am Rahmen befestigt. Für eine ebene Oberfläche (gemessene Abweichung in Z über die gesamte Fläche des Maschinentisches unter 15/100mm, Messuhr siehe Bild unten links) habe ich Unterlegbleche verwendet und stundenlang nachkontrolliert und -justiert, bis ich zufrieden war.

Parallelität der Z-Achse prüfen↗

Für noch bessere Ergebnisse könnte man:

Den Vakuumtisch einmal komplett planfräsen
Dn Tisch wieder herunternehmen und den Maschinenrahmen so nachrustieren, dass die Profile exakt waagerecht aufliegen und die Oberseiten aller Rahmenteile auf das Hundertstel genau auf einer Ebene enden.

Dies erschien mir als unverhältnismäßig großer Aufwand angesichts der vorhandenen Maschinentoleranzen (Immerhin handelt es sich hier um einen Eigenbau), also gebe ich mich mit den oben erreichten Werten zufrieden.

Anschluss des Vakuumverteilers

Als ich einfach drauflos die dünnen Vakuumleitungen zur Verbindung von Tisch und Verteile zurechtschnitt, dachte ich mir: “Warte mal eine Sekunde. Wäre es nicht klüger, die 9mm-Leitungen so kurz wie möglich zu halten, und lieber die 18er-Leitung zur Pumpe länger zu lassen und so den Druckabfall zu reduzieren?” Also habe ich mich erst einmal mit dem Taschenrechner zurückgezogen.

Mein Tisch hat etwa 4900 Sauglöcher mit je 0.5mm Durchmesser. Ihre zusammengerechnete Oberfläche beträgt $A_{table}=962mm^2$, was in etwa einem Loch mit 35mm Durchmesser entspricht (ich ignoriere hier komplett die Widerstände an den Lochrändern.)
Die sieben Vakuumleitungen zum Verteiler haben einen Durchmesser von 9mm. Zusammengenommen liegt ihre Oberfläche bei $A_{hose}=445mm^2$, entsprechen also einem Loch mit 24mm Durchmesser; deutlich weniger also als der Gesamtquerschnitt der Löcher des Tisches.
Für den Saugschlauch mit 18mm Innendurchmesser sieht es sogar noch schlimmer aus: $A_{pump}=254mm$ liegt bei unter 30% des Querschnitts auf dem Tisch.

Wenn ich jetzt also von einem gleichmäßigen Leckagestrom über die sieben Segmente meines Tisches ausgehe, macht es Sinn, die Pumpenzuleitung so kurz wie möglich zu wählen, da sie bei vielen offenen Sauglöchern die höchste Flussgeschwindigkeit und damit den höchsten Druckverlust aufweist. In einem Szenario mit weniger verwendeten Segmenten wird irgendwann die 9mm-Leitung ausschlaggebend.

Daher ist also zu beachten, dass das Manometer am Vakuumverteiler bei größeren Leckageluftströmen einen höheren Wert anzeigt, als am Tisch tatsächlich anliegt!

Da ich die Zahl freiliegender Löcher aber begrenzen werde, kann ich mir einfach eine komfortable Position für den Vakuumverteiler aussuchen und die Verlegung abschließen 😉. Übrigens ist das erste auf meinem neuen Vakuumtisch gefertigte Teil ein Halter für den Vakuumverteiler aus Holz - wie im Bild rechts zu erkennen.