Forschungsprojekt

Zielbranchen

Maschinenbau

Problemstellung

Produktivität und Wirtschaftlichkeit sind Synonyme, die den heutigen Werkzeugmaschinenbau in besonderem Maß prägen. Erfolgreiche Produkte müssen daher ein ausgezeichnetes Preis-Leistungs-Verhältnis aufweisen. Neben den Anschaffungs- und Betriebskosten sind vor allem die Produktivität, Qualität und Reproduzierbarkeit der Bearbeitungsergebnisse von Bedeutung.

Mit konventionellen Werkstoffen und Bauweisen können diese Anforderungen nur bedingt erfüllt werden. Ein Zielkonflikt entsteht immer dann, wenn die Produktivität gesteigert und gleichzeitig das dynamische Verhalten verbessert werden sollen.

Eine hohe Bewegungsdynamik kann bei gleichbleibender Antriebsenergie nur durch eine Masseredukion der bewegten Bauteile erfolgen, die Steifigkeit der Struktur muss aber so gewählt sein, dass die geforderte Bahngenauigkeit und letztlich die Qualität der Bearbeitung eingehalten werden können.

Dieses Problem kann nur durch den Einsatz von Werkstoffen mit einer höheren dichtespezifischen Steifigkeit und Festigkeit gelöst werden. Während im Werkzeugmaschinenbau umfangreiches Wissen hinsichtlich unterschiedlichster Kinematiken und Topologieoptimierungswerkzeugen vorliegt, besteht Forschungsbedarf zum Einsatz alternativer Werkstoffe zu Stahl und Guss. Aufgrund ihres geringen spezifischen Gewichts sind kohlenstoff- und glasfaserverstärkte Kunststoffe (CFK, GFK) sowie deren Verbundkonstruktionen dabei von besonderem Interesse.

Lösung

Zur Herstellung wirtschaftlich konkurrenzfähiger Strukturbauteile müssen bei der Substitution von konventionellen Werkstoffen durch Faserverbundwerkstoffe sowohl die Wahl des Ausgangsmaterials als auch die konstruktive Auslegung gezielt durchgeführt werden. Außerdem ist das Herstellungsverfahren unter Berücksichtigung der erforderlichen Stückzahl und Bauteilqualität für die wirtschaftliche Betrachtungrelevant.

Größere Komponenten wie Querbalken, Schieber und Schlitten lassen sich in kostengünstiger Differentialbauweise aus geeigneten CFK-Halbzeugen aufbauen. Dagegen können komplexere Bauteile wie Spindeln und Spannsysteme vorteilhafter in Integralbauweise ausgeführt werden, da die gewichtsbezogenen Einsparpotenziale die höheren Fertigungskosten rechtfertigen.

Eine Lösung stellt der im Rahmen eines internen Vorlaufprojekts der Fraunhofer-Gesellschaft entwickelte Demonstrator eines Z-Schiebers in differentieller Verbundbauweise dar. Der Fokus lag primär auf einer Erhöhung der Baugruppensteifigkeit, die einen wesentlichen Einfluss auf die Bearbeitungsqualität bei dynamischen Prozessen hat. Als Sekundäreffekt wurde eine signifikante Massereduktion angestrebt. Im Resultat konnte die Steifigkeit um 150 Prozent gegenüber einer vergleichbaren Stahlkonstruktion erhöht werden. Die Masse reduzierte sich um 25 Prozent. Mit metallischen Werkstoffen sind derartig umfangreiche Verbesserungen nicht mehr zu erzielen.

Gegenwärtig laufen verschiedene messtechnische Untersuchungen zur Verifikation der simulationstechnisch vorhergesagten Eigenschaften. Auch die Auswirkung diverser Umgebungseinflüsse auf die Konstruktion fließt in die Betrachtungen ein.