Großbauteilbearbeitung Potenziale von Verformungssensoren in der Großbauteilbearbeitung

Autor / Redakteur: Alfons Egetemeir / Mag. Victoria Sonnenberg

Maschinen für die Großbauteilbearbeitung verlieren durch Temperaturschwankungen deutlich an Präzision: Schon wenige Grad Abweichung können Maschine und Bauteil so stark verformen, dass Fertigungstoleranzen nicht mehr eingehalten werden können.

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Einrichten eines Großbauteils auf einer SHW-UFZ6-Maschine.
Einrichten eines Großbauteils auf einer SHW-UFZ6-Maschine.
(Bild: Kienle)

Insbesondere bei schnellen Änderungen der Umgebungsbedingungen ist die Fertigung mit besonderen Herausforderungen konfrontiert. Üblicherweise werden aufwendige und kostspielige Klimaanlagen eingesetzt, um die schwer kontrollierbare Wärmeausdehnung in den Griff zu bekommen.

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT geht mit den Projektpartnern SHW Werkzeugmaschinen und SHW Bearbeitungstechnik einen anderen Weg: Mit einer neuen Messtechnik ermitteln sie Verformungen der Maschine während des Fertigungsprozesses und können damit Bearbeitungsfehlern vorbeugen. Das spart einen beträchtlichen Teil der Betriebskosten für die Klimatisierung, da die Maschine unabhängig von der Umgebungstemperatur hoch genau arbeitet. Im Forschungsprojekt Epsis wird das Anwendungspotenzial dieses Konzepts in Großwerkzeugmaschinen genauer untersucht.

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Temperatur beeinflusst die Maschine

Rund 75 % aller Fertigungsfehler bei Bauteilen können auf Temperaturschwankungen zurückgeführt werden. Insbesondere große Maschinen werden durch diese Einflüsse aufgrund großer Hebelarme stark verformt. Ein gängiger Lösungsansatz ist es, Maschine und Umgebung auf einem konstanten Temperaturniveau zu halten. Denn durch eine gleichbleibende Temperatur lässt sich die Verformung der Maschine bereits im Vorfeld vermeiden.

Allerdings funktioniert diese Methode nur, wenn sowohl die Klimatisierung als auch die Maschine rund um die Uhr eingeschaltet bleiben. Sonst kann es sehr lange dauern, bis der stabile Zustand wieder erreicht ist. Zudem ist die Temperierung der Maschinen mit einem sehr hohen Energieeinsatz verbunden.

Ziel von Fraunhofer-IPT und SHW im Forschungsprojekt „Epsis – Energieeffizienz und Präzision durch strukturintegrierte Sensorik“ ist es deshalb, die Genauigkeit der Werkzeugmaschinen auch ohne aufwendige Temperierungstechnik zu stabilisieren.

Günstige Sensoren ersetzen teure Klimatechnik

Dazu wird die Verformung der Maschine durch ein System integrierter Sensoren ständig überwacht. Mithilfe eines mathematischen Modells können daraufhin Positionierfehler der Maschine berechnet werden. Mit den bekannten Fehlern ist es nun möglich, die Positionierung der Maschine über die Steuerung zu korrigieren. Indem die Maschinenverformung kontinuierlich überwacht und vorausberechnet wird, kann die Maschine selbst völlig ohne Klimatisierung hochgenau arbeiten. Damit können Klimatisierungsmaßnahmen und somit Kosten eingespart werden.

Eine Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit des Konzepts ist eine hohe Messgenauigkeit der Sensorapplikationen. Dazu wurden durch das Fraunhofer-IPT umfangreiche Untersuchungen an Prüfständen durchgeführt. Die Funktionsfähigkeit und Messgenauigkeiten konnte unter unterschiedlichen Voraussetzungen bestätigt werden. So können durch die Temperaturstabilität der eingesetzten Sensoren zuverlässig thermisch bedingte Verformungen mit hoher Genauigkeit erfasst werden. Zum anderen werden auch Verformungen durch mechanische Lasten, wie beispielsweise Gewichtskräfte, zuverlässig erfasst.

Jedoch ist ein hochgenaues Messen der Verformung allein nicht ausreichend, um resultierende Fehler am Werkstück zu korrigieren. Um den Fehlereinfluss der Maschinenverformung auf die Bauteilgenauigkeit zu ermitteln, muss auch das mathematische Modell mit hoher Genauigkeit und fehlerfrei arbeiten. Dies konnte auf Prüfständen für unterschiedliche Belastungsfälle ebenfalls demonstriert werden. Die Versuchsergebnisse lassen den Schluss zu, dass bis 95 % der Fehler, welche durch die Verbiegung eines Maschinenständers am Werkstück entstehen, durch das System erfasst und berechnet werden können. Damit zeigt sich, dass der Einsatz des Systems in Großmaschinen gute Ergebnisse verspricht. So ist es denkbar, dass in allen Komponenten, die großen Verformungen ausgesetzt sind, Sensorsysteme installiert werden. Da sich das System zu geringen Kosten im Verhältnis zu den Gesamtkosten einer Großwerkzeugmaschine realisieren lässt, ist dies ein sinnvoller Ansatz.

Jedoch muss weiterhin sichergestellt werden, dass das System nicht nur unter Laborbedingungen, sondern auch im Praxiseinsatz funktioniert. Durch den Entwicklungspartner SHW Werkzeugmaschinen wurde dafür ein Messsystem installiert, mit dem sich die Ausdehnung eines 20 m langen Maschinenbetts direkt erfassen lässt. Damit wurden bereits wichtige Erkenntnisse über das Verhalten der Maschine unter unterschiedlichen Temperatureinflüssen gewonnen. Das System zeigt an, wie das Maschinenbett bei unterschiedlichen Temperaturen arbeitet. Dabei kann die Beobachtung der Verformung über Monate stabil durchgeführt werden. In weiteren Tests an diesem Maschinenbett wurde bestätigt, dass die Genauigkeit der Messungen mit der eines Laserinterferometers vergleichbar ist – wie es aussieht, zu einem Bruchteil der Kosten.

Äußere Einflüsse lassen Messsystem kalt

Erste Testreihen unter den üblichen Bedingungen der Fertigung großer Bauteile zeigten bereits, dass äußere Einflüsse wie Schwingungen oder Ölnebel keinen negativen Einfluss auf das Messergebnis nehmen. Das neue Messsystem wäre damit robust genug für den industriellen Einsatz.

Nach der Erprobungsphase und Optimierungen der Sensorapplikationen am Maschinenbett soll nun das System erweitert und an einer Maschine vollständig umgesetzt werden. Das bedeutet, dass auch bewegliche Komponenten, wie der Maschinenständer, durch Sensorsysteme überwacht werden. Hervorzuheben ist an dieser Stelle, dass sich das System in bereits bestehende Maschinen mit vertretbarem Aufwand nachrüsten lässt. Dazu wurde bei der Entwicklung der Sensorik ein Baukastensystem entwickelt, mit dessen Hilfe sich in wenigen Schritten Sensoren für eine konkrete Maschine entwickeln lassen.

Der Umbau der Maschine wird derzeit beim Projektpartner SHW Bearbeitungstechnik GmbH durchgeführt. Direkt im Anschluss werden weitere Validierungsmessungen vorgenommen, um die Funktionstüchtigkeit des Systems zu bestätigen.

Ziel ist es, durch den Einsatz der Sensorik stets aktuelle Kalibrierdaten der Maschine über Messzyklen gewinnen zu können. Dazu muss durch den Maschinenbediener lediglich der entsprechende Zyklus gestartet werden, ohne dass die Maschine umgerüstet werden muss – die nötigen Messmittel sind direkt in die Maschine integriert. So lassen sich Nebenzeiten deutlich reduzieren.

Weiterhin kann die Positionierung der Maschine durch laufende Berechnungen des Korrekturmodells auch während der Bearbeitung korrigiert werden. Dies ist bereits in Form einer Temperaturkompensation von Hauptspindeln bekannt, das Verbesserungspotenzial wird durch die Strukturüberwachung jedoch noch deutlich angehoben. MM

* Dipl.-Ing. (FH) Alfons Egetemeir ist Konstruktionsleiter Elektrik der SHW Werkzeugmaschinen GmbH in 73433 Aalen, Tel. (06 81) 5 57 87 20, alfons.egetemeir@shw-wm.de, www.shw-wm.de

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