TU Berlin/IWF CFK minimieren thermische Verlagerungen im Hauptspindelsystem von Werkzeugmaschinen

Autor / Redakteur: Eckart Uhlmann und Philipp Marcks / Peter Königsreuther

Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) werden heute in der Luft- und Raumfahrt oder dem Fahrzeugbau eingesetzt. Das bemerkenswerte Materialverhalten birgt aber auch ein hohes Potenzial zur Kompensation von thermisch bedingten Problemen an Werkzeugmaschinenkomponenten.

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Demonstrator mit Kompensationsmodulen, Kühlrippen und Regelsystem. (Bild: IWF)
Demonstrator mit Kompensationsmodulen, Kühlrippen und Regelsystem. (Bild: IWF)

Die sehr hohen Steifigkeitswerte bestimmter Carbonfasern eröffnen, in Kombination mit dem negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ein nicht zu verachtendendes Eigenschaftsprofil hinsichtlich der Minimierung thermisch bedingter Verformungen. Am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der TU Berlin werden seit Jahren diverse Ansätze verfolgt um über neuartige Werkzeugmaschinenkomponenten, wie Spindelkästen aus CFK und adaptronisch wirkenden Kompensationsstrukturen thermisch verursachte Spindelverlagerungen weitgehend auszugleichen.

Thermische Stabilität der Maschine bedingt Bauteilqualität

Das Erreichen hoher Genauigkeit und Produktivität sind entscheidende Kriterien bei der Auswahl von Werkzeugmaschinen. Bedingt durch hohe Investitionskosten kommt häufig die Forderung auch ein breites Werkstückspektrum bearbeiten zu können hinzu. Daraus wiederum resultieren Anforderungskollektive die aufgrund einer wachsenden Anzahl von Einflussparametern die zielgerichtete Genauigkeits- oder Produktivitätssteigerung der Werkzeugmaschine erschweren. So wird etwa höchste Zerspanleistung bei Schruppprozessen gefordert, während im anschließenden Schlichtprozess aber sehr hohe Genauigkeiten verlangt sind.

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Die hohe Flexibilität einer Anlage ist dabei häufig durch sehr kleine Losgrößen bedingt. Damit einhergehende, wechseln die Fertigungsaufträge ständig und das verhindert das Erreichen eines thermisch stabilen Zustands der Werkzeugmaschine. Für die Wirtschaftlichkeit der Fertigung ist jedoch die Garantie der geforderten Genauigkeit ab dem ersten Werkstück von entscheidender Bedeutung.

Faserverbundwerkstoffe haben richtiges thermisches Verhalten für Werkzeugmaschinen

So kommt dem thermischen Verhalten von Werkzeugmaschinen aufgrund der stark wechselnden Einsatzbedingungen in der Fertigung, speziell bei kleinen Losgrößen eine hohe Bedeutung zu. Die Optimierung des thermischen Verhaltens des Hauptspindelsystems stellt hierbei die zentrale Aufgabe dar. Dazu bieten manche Faserverbundwerkstoffe aufgrund ihrer spezifischen Werkstoffeigenschaften Potenzial für innovative Ansätze.

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