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EMO Hannover 2017

Mit CFK zu mehr Dynamik

| Autor/ Redakteur: Nikolaus Fecht / Victoria Sonnenberg

Höchstfeste Werkstoffe stehen hoch im Kurs. Beim Zerspanen dieser Materialien stoßen Werkzeugmaschinen nicht selten an ihre Grenzen. Abhilfe bieten Maschinenstrukturteile aus leichten Faserverbundwerkstoffen, wie ein Forschungsprojekt des Aachener Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT zeigt.

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Stahlersatz: Der Einsatz von CFK senkt die Masse der Z-Achse um 60 %.
Stahlersatz: Der Einsatz von CFK senkt die Masse der Z-Achse um 60 %.
(Bild: MAP Werkzeugmaschinen)

Die Aachener gehen beim Optimieren von Konstruktionen üblicherweise ganzheitlich vor. Das heißt: Die Konstruktion der gesamten Maschine steht im Blickfeld der Wissenschaftler, also auch die Entwicklung wichtiger Antriebselemente der Werkzeugmaschine. Aktuell untersuchen die Aachener-Forscher gemeinsam mit einem Werkzeugmaschinenhersteller aus Magdeburg, wie sich eine neuartige Maschinenkomponente für senkrechte Bewegungen (Z-Achse) aus Kohlefaserverbundkunststoff (CFK) in einer Werkzeugmaschine verhält und wie sich der Z-Schlitten optimieren lässt.

„Mit der Entwicklung des CFK-Schlittens starteten wir 2013“, erzählt Christoph Tischmann, Niederlassungsleiter der MAP Werkzeugmaschinen GmbH aus Magdeburg. „Wir verfügen bereits über viel Erfahrung mit Linear- und Rundachsen, etwa zum Bearbeiten von Aluminium. Doch für hochfeste Werkstoffe wie die Titanlegierung Inconel besitzen sie nicht die nötige Antriebsleistung.“ Daher entschied sich MAP zur Entwicklung einer Werkzeugmaschine mit sehr starken Antrieben: So kommen nun 55- und 72-Kilowatt-Spindeln (Drehmoment 210 beziehungsweise 273 Newtonmeter im S1- beziehungsweise S6-Betrieb) zum Einsatz, die deutlich schwerer und größer ausfallen. „Um bei der Dynamik keine Abstriche zu machen, suchten wir nach einer Möglichkeit, das größere Gewicht zu kompensieren“, erklärt Tischmann. „Daher entschieden wir uns für die CFK-Variante.“ Zum Vergleich: Vorher arbeitete die Werkzeugmaschine in der Z-Achse mit Spindeln mit einer Leistung von 28 bis 36 Kilowatt.

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Es handelt sich also in etwa um eine Verdoppelung der Antriebsleistung. Gleichzeitig sinkt durch den Einsatz von CFK die Masse gegenüber einer aus Stahl hergestellten Achse um rund 60 %. „Wir wollen aber kein bestimmtes Zielgewicht erreichen, sondern streben ein optimales Verhältnis zwischen Gewicht und Steifigkeit an“, erklärt der wissenschaftliche Mitarbeiter Filippos Tzanetos vom Fraunhofer-IPT.

Wechsel von Stahl- zur CFK-Konstruktion

Denn es stellt sich die Frage, wie sich der Wechsel von einem Stahlführungsschlitten zu einer CFK-Konstruktion mit einem rund doppelt so schweren Antrieb auf die Gesamtkonstruktion auswirkt. Das Fraunhofer-IPT hat dazu die thermischen und dynamischen Reaktionen der gesamten Maschine auf den Z-Führungsschlitten analysiert. „Die Maschine wurde auf Herz und Nieren geprüft“, berichtet Tischmann. „Anhand dieser Messungen entstanden mehrere Lösungsansätze, um die Konstruktion zu verbessern.“

Gesamte Konstruktion an neuen Werkstoff anpassen

Weil sich Werkstoffe nicht einfach eins zu eins ersetzen lassen, gilt es, die Konstruktion an das neue Material anzupassen. Hier hat sich in der Praxis die so genannten Finite-Elemente-Simulation bewährt. „Wir sehen uns im Detail auf dem Computer die lokalen Stellen der Konstruktion mit der größten Nachgiebigkeit an, um die Ursachen zu ermitteln“, erklärt Tzanetos. „Anschließend versuchen wir, einige bisherige Komponenten durch Bauteile aus Aluminium oder CFK zu ersetzen oder das dynamische Verhalten an bestimmten kritischen Stellen durch Versteifungen oder Rippen zu verbessern.“

Die Arbeit mit CFK ist für Konstrukteure eine besondere Herausforderung, denn der Werkstoff verhält sich anisotrop: Laut Definition beschreibt die Anisotropie die Richtungsabhängigkeit einer Eigenschaft oder eines Vorgangs. Das heißt, bei Faserwerkstoffen hängt die Steifigkeit oder Festigkeit von der Richtung der Fasern ab. Ein CFK-Bauteil verhält sich jedoch beim Simulieren anders als in der Wirklichkeit. Tzanetos nennt die Details für Fachleute: „Die Aussagekraft der Simulation wird mit der Unsicherheitsfortpflanzung nach DIN ISO 21748:2014-05 geschätzt. Die Unsicherheit der Parameter des Modells hat einen gewissen Einfluss auf die Unsicherheit der Ausgangsvariablen des Modells. Dieser wird mit der Monte Carlo-Simulation errechnet.“

Hilfestellung erhält das Fraunhofer-Institut bei derartigen Projekten oft von anderen Instituten oder Spinn-offs, doch in diesem Fall fanden die Wissenschaftler Unterstützung im eigenen Haus. „In unserem Institut gibt es die Abteilung für Faserverbund- und Lasersystemtechnik“, berichtet Tzanetos. „Diese Abteilung hat über viele Jahre hinweg Kompetenzen im Bereich der Auslegung von Werkzeugmaschinenkomponenten aus Faserverbundkunststoffen (FVK) aufgebaut und steht uns bei der Projektbearbeitung durch vorhandenes Simulations-Know-how für Faserverbundbauteilauslegung tatkräftig zur Seite.“

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