Das 3-2-1-Prinzip – Grundlage jeder Vorrichtungskonstruktion
Ein freier Körper hat sechs Freiheitsgrade: drei Verschiebungen und drei Drehungen. Das 3-2-1-Prinzip sperrt sie mit sechs Auflagepunkten. Drei Punkte in der Primärebene sperren drei Freiheitsgrade, zwei Punkte in der Sekundärebene zwei weitere und ein letzter Punkt den sechsten. Mehr feste Auflagen machen die Vorrichtung überbestimmt. Dann bestimmen die Maßabweichungen des Teils die Lage statt der Vorrichtung.
Die Auflagepunkte liegen auf den Flächen, die in der Teilezeichnung Bezüge sind, und möglichst weit auseinander. Die Spannkraft drückt das Teil gegen die Auflagen, nie von ihnen weg. Sie greift dort an, wo das Teil steif genug ist, um sich nicht zu verformen. Zwei Fixierstifte in Bohrungen lösen wir mit einem zylindrischen und einem abgeflachten Stift, damit das Teil nicht klemmt.
In der Praxis ersetzen kleine Auflageflächen oder gehärtete Auflagebolzen die Punkte, damit sich das Teil nicht eindrückt. Für Guss- oder Schweißteile mit unebenen Flächen kommen in der Primärebene einstellbare Auflagen zum Einsatz. Wichtig ist, dass das Prinzip eingehalten wird: Jeder Freiheitsgrad wird einmal gesperrt, und nur einmal.
Bohrvorrichtungen und Bohrbuchsen
Eine Bohrvorrichtung führt den Bohrer an die richtige Stelle, ohne dass der Bediener anreißen und körnen muss. Wir zeichnen sie mit genormten Bohrbuchsen nach DIN 179 (ohne Bund) oder DIN 172 (mit Bund), eingepresst in eine Bohrung mit der Toleranz H7. Die Bohrung der Buchse hat die Toleranz F7 und gibt dem Bohrer passendes Spiel. Als Richtwert sollte die Buchse mindestens ein- bis zweimal so lang sein wie der Bohrerdurchmesser.
Der Abstand zwischen Buchsenunterkante und Werkstück bestimmt, wie die Späne abfließen. Für Stahl liegt der Richtwert bei etwa dem 0,5- bis 1-fachen Bohrerdurchmesser. Kürzere Abstände führen besser, bergen aber das Risiko eines Spänestaus. Für längere Serien verwenden wir Steckbohrbuchsen, damit eine verschlissene Buchse ohne neue Vorrichtung getauscht werden kann.
Die Vorrichtung soll sich auch nicht falsch benutzen lassen. Ein asymmetrischer Anschlag oder ein zusätzlicher Stift, der nur in einer Lage passt, verhindert spiegelverkehrtes Bohren. Diese Fehlbedienungssicherung, oft Poka-Yoke genannt, kostet beim Zeichnen fast nichts, spart aber viel Ausschuss.
Schweiß-, Klebe- und Montagevorrichtungen
Eine Schweißvorrichtung muss die Teile trotz Wärme und Schrumpfung in Position halten. Wir legen die Auflagen so, dass die Naht zugänglich ist und Raum für die Schrumpfung bleibt. Manchmal sehen wir eine Vorbiegung vor, wenn Probeschweißungen sie erfordern. Schnellspanner sitzen so, dass der Bediener sie ohne Umgreifen erreicht. Auflagen nahe der Naht bestehen aus Kupfer oder sind gegen Schweißspritzer geschützt, damit sie nicht festbrennen oder verschleißen.
Klebe- und Montagevorrichtungen brauchen selten dieselbe Steifigkeit, müssen die Teile aber exakt positionieren und leicht zu reinigen sein. Hier funktionieren gedruckte Vorrichtungen sehr gut. Typisch ist eine Grundplatte mit Aussparungen entlang der Teilekontur, mit 0,2–0,3 mm Spiel je Seite, und Fixierstiften, welche die Lage sichern. Die Montagereihenfolge lässt sich direkt in die Vorrichtung gravieren.
Die Ergonomie beeinflusst Tempo und Qualität. Die Vorrichtung steht in der richtigen Arbeitshöhe, schwere Teile werden eingeschoben statt gehoben, und Spanner sitzen so, dass sich niemand strecken muss. Eine Vorrichtung, die bequem zu bedienen ist, wird auch richtig benutzt.
Prüfvorrichtungen und Gut/Schlecht-Lehren
Eine Prüfvorrichtung vergleicht das Teil in Sekunden mit der Zeichnung. Das Teil liegt auf denselben Bezügen wie bei der Bearbeitung, und Messflächen oder Stifte zeigen, ob die kritischen Maße in der Toleranz liegen. Grenzlehrdorne für Bohrungen zeichnen wir nach den Toleranzgrenzen in ISO 286: die Gutseite auf das kleinste zulässige Maß, die Ausschussseite auf das größte.
Damit die Prüfvorrichtung zuverlässig ist, muss sie selbst deutlich genauer sein als das Teil. Als Faustregel gilt: Die Messunsicherheit des Prüfmittels beträgt höchstens ein Zehntel der Toleranz. Das entscheidet, ob die Vorrichtung gedruckt werden kann oder gefräst und kalibriert werden muss. Wie Toleranzen in der Zeichnung angegeben werden, erklären wir im Ratgeber Toleranzen und Passungen.
Prüfvorrichtungen für Kunststoff- und Blechteile arbeiten oft als Negativform des Teils, in der Abweichungen als Spalt zu den Kanten sichtbar werden. Den Spalt prüft man mit der Fühlerlehre. Das macht die Prüfung schnell und für alle Bediener gleich.
Gedruckte oder gefräste Vorrichtung?
Gedruckte Vorrichtungen aus PETG, PA oder kohlefaserverstärktem PA entstehen in ein bis zwei Tagen. Sie eignen sich für kurze Serien, Montage und Prüfung mit Toleranzen von einigen Zehnteln. Verschleißflächen verstärken wir mit eingepressten Buchsen, Gewindeeinsätzen und Wechseleinsätzen. Mehr zu den Möglichkeiten unter Konstruktion für den 3D-Druck.
Muss die Vorrichtung Schnittkräfte oder Wärme aufnehmen oder auf Hundertstel genau sein, zeichnen wir sie zum Fräsen aus Aluminium oder Stahl mit gehärteten Stiften und Buchsen. Sie erhalten dann eine Zeichnung mit Toleranzen und eine Stückliste mit Normteilen, aufgebaut wie unsere technischen Zeichnungen. Jede Vorrichtung wird mit Artikelnummer und Revision gekennzeichnet, damit immer die richtige Version im Einsatz ist.
Ein Vorteil gedruckter Vorrichtungen: Sie sind günstig zu ersetzen. Ändert sich das Teil, drucken wir in derselben Woche eine neue Version, und die alte bleibt für ältere Varianten. So lassen sich auch mehrere identische Vorrichtungen an verschiedenen Stationen einsetzen.
Richtwerte für Vorrichtungen
| Detail | Richtwert oder Norm |
|---|---|
| Lagebestimmung | 3-2-1: drei + zwei + ein Auflagepunkt sperren sechs Freiheitsgrade |
| Fixierstifte in zwei Bohrungen | ein zylindrischer Stift + ein abgeflachter (Rhomben-)Stift |
| Bohrbuchse ohne Bund | DIN 179 / ISO 4247 – Bohrung F7, außen n6 |
| Bohrbuchse mit Bund | DIN 172 – für größere Axialkräfte |
| Aufnahmebohrung für die Buchse | H7 |
| Abstand Buchse – Werkstück | ca. 0,5–1 × Bohrerdurchmesser (Stahl) |
| Spiel in gedruckter Kontur | ca. 0,2–0,3 mm je Seite |
| Messunsicherheit des Prüfmittels | höchstens ca. 1/10 der Toleranz |
| Häufig gelöste Schrauben in Kunststoff | Gewindeeinsätze aus Messing |
Richtwerte. Die endgültige Auslegung hängt von Werkstoff, Seriengröße und Genauigkeitsanforderung des Teils ab.
Das benötigen wir von Ihnen
- CAD-Modell des Teils als STEP oder eine Zeichnung mit Toleranzen
- Welche Maße und Flächen kritisch sind und welche Bezüge die Zeichnung verwendet
- Der Arbeitsgang: Bohren, Schweißen, Kleben, Montieren oder Prüfen
- Maschine oder Arbeitsplatz: Spanntisch, Schraubstock, T-Nuten oder Roboter
- Seriengröße und Zyklen pro Tag
- Wie das Teil eingelegt und entnommen wird – und von wem
- Normteile, die Sie bereits verwenden, etwa Schnellspanner und Stifte
Typische Aufträge
- Bohrvorrichtung für ein Lochbild im Profilrohr
- Schweißvorrichtung für Konsole oder Rahmen
- Klebelehre zum Positionieren von Magneten
- Montagevorrichtung für Platine und Gehäuse
- Prüfvorrichtung mit Gut/Schlecht-Stiften
- Schutzbacken für den Schraubstock
- Vorrichtung zum Gravieren und Laserbeschriften
- Halter für Robotergreifer
- Biegeschablone für Rohr und Flachstahl
- Schablone für Lochbilder in Wand oder Schrank
Das beeinflusst Preis und Lieferzeit
- Anzahl der Varianten, welche die Vorrichtung aufnehmen soll
- Toleranzanforderungen und ob gefräst oder gedruckt wird
- Anzahl der Spann- und Auflagepunkte
- Bedarf an austauschbaren Verschleißteilen und Buchsen
- Ob das CAD-Modell des Teils vorliegt oder erstellt werden muss
- Dokumentation: Zeichnungen, Stückliste und Anleitung
Das erhalten Sie
- Vorrichtung als Baugruppe mit dem Teil
- Kollisionsprüfung gegen Werkzeug, Bohrer und Schweißbrenner
- Stückliste mit Normteilen und Artikelnummern
- Zeichnungen zum Fräsen oder Dateien für den 3D-Druck
- Gedruckte, einsatzbereite Vorrichtung (optional)
- Kennzeichnung mit Artikelnummer und Revision
Häufige Fragen
Was ist der Unterschied zwischen Vorrichtung und Lehre?
Eine Vorrichtung hält das Teil während Bearbeitung oder Montage in Position. Eine Bohrvorrichtung führt zusätzlich das Werkzeug über Buchsen. Eine Lehre dient dagegen meist der Prüfung. Im Alltag werden die Begriffe oft vermischt.
Hält eine 3D-gedruckte Vorrichtung in der Produktion?
Für Montage, Kleben und Prüfung oft über Tausende Zyklen. Verschleißflächen verstärken wir mit Metallbuchsen und Wechseleinsätzen. Vorrichtungen, die Schnittkräfte oder Wärme aufnehmen, zeichnen wir lieber zum Fräsen.
Was ist das 3-2-1-Prinzip?
Es sperrt die sechs Freiheitsgrade eines Teils mit genau sechs Auflagepunkten: drei in einer Ebene, zwei in einer zweiten und einer in einer dritten. So liegt das Teil jedes Mal gleich, ohne dass die Vorrichtung überbestimmt ist.
Brauchen Sie die CAD-Datei des Teils?
Mit einer STEP-Datei geht es am schnellsten. Wir können aber auch von einer Zeichnung, einem Muster oder Maßen ausgehen und zuerst ein Modell des Teils erstellen.
Kann eine Vorrichtung mehrere Varianten aufnehmen?
Ja. Mit Wechseleinsätzen, versetzbaren Anschlägen oder indexierten Auflagen nutzt dieselbe Basis mehrere Größen. Das reduziert die Zahl der Vorrichtungen im Regal.
Wie genau kann eine gedruckte Vorrichtung sein?
Mit kalibriertem Druck und Nacharbeit kritischer Bohrungen liegt die Genauigkeit typisch bei ±0,1–0,2 mm. Braucht es mehr, pressen wir Buchsen in geriebene Bohrungen oder zeichnen die Vorrichtung zum Fräsen.