Werkzeugmaschinen und Prozesse ressourceneffizient gestalten

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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Einen Ansatz, den Wirkungsgrad von Produktionssystemen zu erhöhen, stellt die Entwicklung bionisch inspirierter Werkzeugmaschinen dar. Der Grundgedanke ist die gezielte Übertragung von Lösungen aus der Biologie auf technische Problemstellungen.

Bionik hilft beim Bau energiesparender Großwerkzeugmaschinen

Schwerpunkt ist die Bewegungsbionik. So kann die Überlagerung von niedrig- und hochdynamischen Bewegungen an Beispielen in der Natur beobachtet und als Bewegungsprinzip für spanende Werkzeugmaschinen umgesetzt werden.

Aufgrund der Widersprüchlichkeit der Anforderungen hinsichtlich hoher Vorschubgeschwindigkeiten, großer Antriebsleistungen und geringer Massen gelangten bisherige Maschinenkonzepte für den Großwerkzeug- und Formenbau an ihre Grenzen. Besonders deutlich zeigt sich dies bei multifunktionalen Maschinen mit dem Widerspruch zwischen großem Arbeitsraum und hoher Maschinendynamik.

Scherenkinematik sorgt für 20% Energieeinsparung

Zur Lösung dieses Zielkonflikts wurde am Fraunhofer-IWU in Zusammenarbeit mit mehreren Unternehmen das Konzept einer überlagerten Antriebsstruktur auf Basis einer Scherenkinematik in einem Maschinensystem umgesetzt. Dieses kombiniert den großen Arbeitsraum einer seriellen Struktur mit der hohen Dynamik einer Parallelstruktur.

Charakteristisch für dieses Konzept ist, dass der Dynamikgewinn gezielt in einem begrenzten Bereich erlangt und damit die Dynamik von Verfahrbewegungen der seriellen Achsen erhöht wird. Die Maschineneigenschaften sind durch die dynamikorientierte Achsredundanz an den jeweiligen Verfahrensschritt anpassbar. Im Rahmen systematischer Untersuchungen konnte für konkrete Beispielbauteile neben einer Verbesserung der Bearbeitungsqualität eine signifikante Reduzierung der Bearbeitungszeit nachgewiesen werden, was insgesamt zu einer Energieeinsparung von etwa 20% führte.

Werkstoffeinsatz und Bedarf an Energie für Bauteile senken

Eine effizienzorientierte, nachhaltige Produktion schließt somit sowohl die Produktherstellung als auch die Produktnutzung ein. Die Anwendung von Effizienztechnologien und effizienten Fertigungseinrichtungen, zum Beispiel in der Fahrzeugherstellung, bietet die Möglichkeit, nicht nur den Energieverbrauch der Fahrzeuge im Betrieb zu reduzieren. Es ergibt sich vielmehr auch die Chance, sowohl den Werkstoffeinsatz als auch den Energiebedarf für die Realisierung von Bauteilen zu reduzieren. Um dies zu erreichen, bedarf es nach wie vor intensiver Forschungsarbeiten, zum Beispiel zur Erhöhung der Prozesssicherheit und des Werkstoffausnutzungsgrads in Produktionsprozessen oder zur Realisierung geschlossener Ressourcenkreisläufe.

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