Zu den wichtigsten Trends im Maschinenbau gehört die Hochleistungsbearbeitung. Sie führt aufgrund neuer Maschinenkonzepte, Komponenten und Schneidstoffe zu verbesserten Zerspanungsleistungen, sodass Material schneller abgetragen werden kann.
Auf der Research & Technology im Rahmen der HANNOVER MESSE 2014 stellt das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) einen innovativen Leichtbau-Schlitten beispielsweise für Werkzeugmaschinen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) vor.
„Als internationale Leitmesse für Forschung, Entwicklung und Technologietransfer eignet sich die Research & Technology hervorragend, um Innovationen für den Maschinen- und Anlagenbau zu platzieren", sagt Marc Siemering, Geschäftsbereichsleiter bei der Deutschen Messe AG. „Auf der HANNOVER MESSE treffen Forscher und Entwickler auf starke Partner aus Wirtschaft und Politik und können so den wichtigen Technologietransfer gemeinsam vorantreiben", ergänzt Siemering.
Neue Maschinenkonzepte, Komponenten und Schneidstoffe erhöhen aber auch die Produktivität. Zudem zeigt sich in der Klein- und Mittelserienfertigung eine hohe Varianz bei den zu fertigenden Werkstücken und Werkstückmassen. Dies erfordert Maschinen, die immer mehr Anwendungssituationen beherrschen müssen, ohne dass die Zerspanleistung dabei sinkt. Allerdings sind Werkzeugmaschinen schwingfähige Systeme und weisen oft in der Nähe der Anregung durch die Bearbeitung Eigenfrequenzen auf, die die Leistungsfähigkeit der Maschinen erheblich einschränken.
„Das gilt insbesondere für Zerspan-Operationen wie das Fräsen", erklärt Prof. Jürgen Fleischer vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Er leitet am wbk Institut für Produktionstechnik den Bereich Maschinen, Anlagen und Prozessautomatisierung. Im Ergebnis müssen entweder Spanungstiefe oder Vorschub reduziert werden, was die Bearbeitungszeit verlängert und damit die Kosten erhöht. Vor diesem Hintergrund hat Prof. Fleischer mit seinem Team einen innovativen Leichtbau-Schlitten für Werkzeugmaschinen entwickelt, der sich durch eine flexibel befüllbare Kammerbauweise auszeichnet. Der Schlitten besteht aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), ein Material, das sehr leicht und dennoch sehr steif ist. Im Vergleich mit herkömmlichen Stahl- und Gusswerkstoffen hat es ein deutlich besseres Verhältnis von Steifigkeit zu Dichte.
So ist es möglich, einen leichten Schlitten zu bauen, der einerseits eine hohe Dynamik zulässt, andererseits durch Zufügen von Masse in seinem Schwingungsverhalten veränderbar ist. Durch die angepasste Befüllung der eingebauten Kammern mit einem Fluid lässt sich seine Eigenfrequenz beeinflussen. „Die Maschine kann durch Addition von Masse gezielt so verstimmt werden, dass mit maximaler Zerspanleistung und optimaler Ausnutzung der Schneidstoffe im geforderten Prozess gearbeitet werden kann", ergänzt Fleischer.
Bisher war eine Anpassung des dynamischen Verhaltens von Bearbeitungsmaschinen nach der Montage mit erheblichen Eingriffen in ihre Struktur verbunden, ebenso mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand. Zudem sind derartige Maßnahmen oft auch nur auf ausgewählte Eigenfrequenzen begrenzt, eine variable Einstellung ist nicht möglich. Deshalb ist der neue Ansatz von umso größerer Bedeutung – zwar nicht im Bereich von Standardteilen, sehr wohl aber bei der Hochleistungszerspanung.
Live-Präsentation des Leichtbau-Schlittens auf der HANNOVER MESSE
Das innovative Konzept wird erstmals auf der Research & Technology 2014 (Halle 2, Stand C18) im Rahmen der HANNOVER MESSE präsentiert. „Wir werden einen Versuchsstand mit dem CFK-Schlitten aufbauen und die Funktion der Kammern live vorführen", verspricht Fleischer.
Zur Demonstration der dynamischen Eigenschaften auf dem Stand des KIT wird zunächst Wasser eingesetzt, das schnell zu- und abgeführt werden kann. Die Kammern des Versuchsträgers können unabhängig voneinander befüllt und entleert werden. Dabei entspricht das Gewicht der maximal füllbaren Wassermenge in etwa dem Gewicht des CFK-Schlittens im ungefüllten Zustand. Dank der geringeren Dichte von CFK sind somit das Gewichtsverhältnis und der Effekt der Eigenfrequenzverstimmung größer als bei einem vergleichbaren Stahl- oder Gussschlitten.
Am wbk Institut des KIT konnten in zahlreichen Versuchen die Machbarkeit und das Potenzial des Ansatzes erfolgreich nachgewiesen werden. In weiteren Forschungsarbeiten sollen bessere Simulationsmodelle identifiziert, qualifiziert und quantifiziert werden, um eine möglichst genaue Komponentenauslegung zu erreichen. Parallel arbeiten die Karlsruher mit einem deutschen Maschinenbauer bereits an der Umsetzung des Konzeptes.
„Wir gehen davon aus, dass entsprechende Komponenten in rund fünf Jahren am Markt erhältlich sein werden", betont Fleischer. Das Interesse – nicht nur auf der HANNOVER MESSE – dürfte dem Forscher gewiss sein, gehört der Maschinenbau doch nach wie vor zu den Domänen der deutschen Industrie, die in diesem Bereich immer wieder für Innovationen sorgt.
