Drohnenteile vom Prototyp bis zur Serie, mit dem passenden Verfahren für jedes Teil

Hydroforce fertigt die ersten Drohnenteile zerspanend aus dem Vollen und überführt jedes Teil danach in das Verfahren, das zu seiner Serie passt: Hochdruck-Druckguss für Gehäuse mit Kühlrippen, Pulvermetallurgie und MIM für Zahnräder und Riegel, CNC-Bearbeitung für tragende Beschläge. Eine Werkstatt, ein Qualitätsplan und ein Dokumentensatz vom ersten Prototyp bis zum Serienlos.

Ein Drohnenprogramm durchläuft zwei sehr verschiedene Phasen. Solange die Zelle entwickelt wird, ändern sich die Teile nach jedem Testflug, und niemand möchte ein Werkzeug bezahlen, das im nächsten Monat verschrottet wird. Sobald die Konstruktion eingefroren und die erste Serie bestellt ist, kehrt sich die Frage um: Welche Teile lohnt es noch, aus dem Vollen zu zerspanen, und welche sollten gegossen oder gepresst werden, damit das tausendste Stück weniger kostet und dem ersten gleicht?

Zerspanung, Druckguss und Pulvermetallurgie laufen bei uns in einer Werkstatt. Ein Hersteller von Multikoptern sowie von Landwirtschafts-, Starrflügel-, Boden- oder Marinedrohnen kann deshalb beim Prototyp bei uns beginnen und für die Serie bleiben. Dieser Beitrag erklärt, wie dieser Übergang Teil für Teil geplant wird.

Phase 1: Prototypen, aus dem Vollen zerspant

Ein gefräster Prototyp braucht kein Werkzeug. Ändert sich die Konstruktion, ändert sich das CAD-Modell, und das nächste Teil kommt mit der neuen Geometrie von der Maschine. Für frühe Zellen ist das das entscheidende Argument.

• Werkstoffe: Aluminiumlegierungen der Serien 6xxx und 7xxx für Arme mit integrierter Motoraufnahme, Zentralplatten, Motorhalterungen, Faltgelenke der Arme und Halter; Titan sowie die nichtrostenden Stähle 1.4301/304 und 1.4404/316 für Wellen, Marinegehäuse und Teile in Salzwasser.
• Genauigkeit: ±0,05 mm und Passungen IT6–IT7 an Bohrungen und Montageflächen, mit Geometrieprüfung nach ISO 2768-fH, ISO 286 und ISO 1101.
• Maschinen: CNC-Fräszentren von Haas mit einem Arbeitsraum von 1270 × 660 × 635 mm und Drehmaschinen von DMG MORI bis Ø500 mm Durchmesser und 1000 mm Länge.
• Prüfung: Das erste Teil wird auf dem Zeiss-KMG gemessen, und das darauf erprobte Programm wird für die folgenden Teile weiterverwendet.
• Oberfläche: Eloxieren oder Pulverbeschichten nach Spezifikation, damit ein Prototyp in derselben Ausführung geflogen und erprobt werden kann, die später auch die Serie hat.

Einen Punkt sollte man schon in dieser Phase klären. Wird ein Gehäuse später im Druckguss gefertigt, sollte sein gefräster Prototyp bereits die Entformungsschrägen, Wanddicken und Verrundungsradien des Gussteils tragen. Testergebnisse eines Prototyps mit eckigen Taschen und dicken Wänden lassen sich nicht auf ein dünnwandiges Gussgehäuse übertragen. Wir prüfen die Zeichnung auf das Serienverfahren, während der Prototyp entsteht, damit die Flugtests an der Geometrie laufen, die später in die Produktion geht.

Getriebestufen für Servoantriebe, Sprühpumpen und Winden werden für den Prototyp nach ISO 1328 verzahnt und geschliffen. Eine belastete Stufe braucht in der Regel Verzahnungsqualität 7. Dasselbe Zahnrad lässt sich später pressen und sintern, aber erst, wenn Modul, Breite und Profil endgültig feststehen.

Phase 2: Ein Serienverfahren für jedes Teil

Ist die Konstruktion eingefroren, wird jedes Teil einzeln betrachtet. Die Tabelle zeigt die üblichen Wege bei einer Drohne oder einem Bodenroboter. Die letzte Spalte ist so wichtig wie die anderen: Ein gegossenes oder gesintertes Teil hat weiterhin Flächen, die auf der Maschine fertig bearbeitet werden.

Beschläge für die Struktur bleiben auch in der Serie oft gefräst. Eine Motorhalterung trägt Schub und Vibration, sie ist klein, und gefrästes, eloxiertes 7xxx-Aluminium ist dafür der passende Werkstoff. In der Serie bearbeiten wir solche Teile in Losen identischer Stücke mit einer Aufspannung und einem KMG-Programm, was den Stückpreis senkt, ohne das Teil zu verändern.

Bodenroboter mit Ausleger oder Planierschild sind die Ausnahme von diesem ganzen Schema. Ihre Hydraulikzylinder werden auftragsbezogen ab einem Stück gefertigt, daher durchlaufen der Prototypzylinder und der Serienzylinder denselben Weg, mit derselben Druckprüfung beim 1,5-fachen Betriebsdruck.

Druckguss für Gehäuse: Was sich in der Serie ändert

Ein Gehäuse mit Kühlrippen profitiert am meisten vom Wechsel auf Druckguss. Die Kühlrippen aus einer massiven Platte zu fräsen dauert pro Gehäuse viele Minuten und macht aus dem größten Teil der Platte Späne. Auf unserer Presse dauert ein Produktionszyklus je nach Teilegröße 30 Sekunden bis 2 Minuten, und Rippen, Befestigungsdome und Kabeldurchführungen entstehen im selben Schuss mit dem Gehäusekörper.

• Wände und Gewicht: dünnwandige Bereiche von 0,5–1,5 mm, mit Rippen dort, wo das Gehäuse Steifigkeit braucht.
• Genauigkeit: ±0,1–0,3 mm im Gusszustand, Oberfläche Ra 1,6–6,3 µm.
• Wärme: Aluminiumlegierungen leiten Wärme mit 90–160 W/m·K, das Gehäuse selbst führt also Wärme von der Leistungselektronik ab.
• Werkzeug: Die Formen werden in unserer eigenen Werkzeugmacherei aus H13- oder P20-Stahl gefertigt und auf einer Produktionspresse erprobt, bevor das Erstmuster freigegeben wird.
• Dichte oder wärmebehandelte Gehäuse: vakuumunterstützter Druckguss, wenn ein Gehäuse an einer Dichtfläche eine Dichtung halten oder auf T6 lösungsgeglüht werden muss. Porositätskritische Zonen werden per Röntgen geprüft.
• Endbearbeitung: CNC-Durchgang an Passflächen, Bohrungen, Gewinden und Dichtungsnuten, danach Pulverbeschichten, KTL-Beschichtung, Chromatieren oder Eloxieren nach Spezifikation.

Für kleine Teile mit sehr dünnen Wänden und feinen Details werden Zinklegierungen auf Warmkammermaschinen gegossen. Magnesium lässt sich für ein konkretes Teil besprechen.

Sinter- und MIM-Teile: Zahnräder, Riegel und kleine Hebel

Zahnräder für Sprühpumpen, Winden und Servoantriebe sind die zweite Gruppe, die in der Serie das Verfahren wechselt. Ein gepresstes und gesintertes Zahnrad erhält sein Zahnprofil vom Werkzeug, daher hat jedes Zahnrad aus einem Werkzeug dieselbe Geometrie.

• Pulvermetallurgie (PM): Verdichten mit bis zu 800 MPa, Enddichte bis 97 %, Toleranz ±0,05 mm im gesinterten Zustand und enger nach dem Kalibrieren. Das Pulver geht ins Teil, daher wird bis zu 30 % weniger Material verbraucht, als wenn dasselbe Zahnrad aus Stangenmaterial verzahnt wird. Die Restporosität dämpft Schwingungen und lässt das Zahnrad leiser laufen.
• Metallpulverspritzguss (MIM): für kleine Teile unter etwa fünfzig Gramm mit Querbohrungen, Taschen und Hinterschnitten, etwa Faltscharniere, Verriegelungshaken, Rasten, Mikrozahnräder und Gimbal-Halter. Zu den Stählen zählen 17-4 PH und 316L, die Wände gehen bis auf 0,3 mm herunter und die Toleranz bis ±0,02 mm. Ein Schuss dauert 15–45 Sekunden.

Sintern lohnt sich ab mehreren Tausend Teilen, weil dafür ein Press- oder MIM-Werkzeug nötig ist. Bei kleineren Stückzahlen bleibt das Zahnrad verzahnt. Viele Antriebe verbinden beide Wege: gesinterte Zahnräder für die schnellen, gering belasteten Stufen und ein zerspantes Zahnrad für die belastete Abtriebsstufe, alles von einem Lieferanten und in einem Qualitätssystem.

Die Wärmebehandlung folgt der Zeichnung: Durchhärten und Anlassen, Einsatzhärten durch Aufkohlen oder Nitrieren, bei 17-4 PH Lösungsglühen und Auslagern. Bohrungen und Lagersitze, die eine engere Passung brauchen, werden nach dem Sintern kalibriert oder bearbeitet.

Wie der Verfahrenswechsel gesteuert wird

Ein Teil von der Fräsmaschine auf ein Druckgusswerkzeug oder ein Presswerkzeug umzustellen ist der Punkt, an dem eine Serie schiefgehen kann. Wir planen den Wechsel für jedes werkzeuggebundene Teil auf dieselbe Weise.

1. Zeichnungsprüfung vor dem Werkzeugbau. Entformungsschrägen, Trennebene, Anguss- und Überlaufpositionen und das für die Bearbeitung verbleibende Aufmaß werden abgestimmt, bevor die Gussform oder das Werkzeug gebaut wird. Die Lagerbohrungen und Dichtflächen werden als Zonen markiert, in denen keine Porosität akzeptiert wird. Bei einem MIM-Teil umfasst die Prüfung außerdem gleichmäßige Wanddicken, Bezüge für Dreh- und Befestigungsbohrungen, große ebene Flächen, die sich beim Sintern verziehen können, und eine Anschnittlage abseits der Funktionsflächen; die Formkavität wird etwa 1,18-mal so groß wie das Fertigteil gefertigt, um die Schwindung auszugleichen.
2. Werkzeugerprobung und Erstmuster. Die ersten Schüsse oder ersten Pressungen werden vollständig vermessen, jedes Maß der Zeichnung, und mit dem CAD-Modell und dem freigegebenen Prototyp verglichen.
3. Prüfplan. Kritische Merkmale und Prüfhäufigkeiten werden festgelegt, bevor die Serie freigegeben wird. Auf Wunsch legen wir den Plan offen und vereinbaren Prüfungen unter Zeugen oder eine Abnahme durch Dritte.
4. Gleiche Basis für Wiederholaufträge. Werkzeugzeichnungen, Prozessparameter und Sinterprogramme werden aufbewahrt, sodass ein Wiederholauftrag auf derselben Basis wie das Erstmuster gefertigt wird.

Die Dokumente ändern sich mit der Stückzahl nicht. Ein Prototyp und ein Serienlos verlassen das Haus mit demselben Werkstoffzeugnis, demselben Maßbericht und demselben Beschichtungsnachweis.

Was Sie uns schicken sollten

Um beide Phasen gleichzeitig zu kalkulieren, brauchen wir:

• das 3D-Modell oder die Zeichnung jedes Teils, mit Werkstoff und Oberfläche;
• die Prototypenstückzahl und die erwartete jährliche Serienstückzahl;
• die Flächen, die Last tragen, abdichten oder andere Teile positionieren;
• die Einsatzumgebung der Drohne: Staub, Sprühchemikalien, Salzwasser oder Temperaturbereich.

Wir antworten mit dem Preis für den gefrästen Prototyp, einem empfohlenen Serienverfahren für jedes Teil sowie dem Werkzeug- und Stückpreis für dieses Verfahren. Senden Sie Ihre Dateien an office@hydroforce.ee oder nutzen Sie die Kontaktseite.

Weiterführend: Aluminium-Druckgussgehäuse für LED-Beleuchtung, Sinterzahnräder aus Pulvermetallurgie und MIM, Qualitätsplanung nach Technologie. Technologieseiten: CNC-Bearbeitung, Druckguss, Pulvermetallurgie und MIM, Hydraulikzylinder. Branchenseite: Drohnen und unbemannte Systeme.