Forschungsprojekt

Kugelgewindetrieb mit Formgedächtnisaktor

Zielbranchen

Werkzeugmaschinenbau, Maschinenbau

Problemstellung

Kugelgewindetriebe (KGT) gehören in Werkzeugmaschinen inzwischen zu den am häufigsten genutzten Antriebssystemen. Eine Spindel wird direkt über einen Motor oder über Getriebe und Riementriebe angesteuert. Durch die Kraftübertragung mittels Kugeln kann die nötige Antriebsleistung um etwa zwei Drittel reduziert werden. Darüber hinaus zeichnen sich diese Antriebssysteme durch einen geringeren Verschleiß der Laufbahnen aus. Ist ein Kugelgewindetrieb trotzdem einmal defekt, kann sich der Reparaturaufwand schnell auf mehrere zehntausend Euro belaufen. Insbesondere wenn dieser im laufenden Betrieb ausfällt, können im ungünstigsten Fall weitere Maschinenkomponenten beschädigt werden. Ein präventiver Wechsel führt allerdings zu unnötigen Maschinenstillstandszeiten und ist aus ökonomischer und ökologischer Sicht ungeeignet, da man unter Umständen vorsorglich ein funktionierendes Bauteil entsorgt. Die Hersteller sind mit einer weiteren Herausforderung konfrontiert. Um den Antrieb möglichst präzise positionieren zu können, wird eine hohe mechanische Vorspannung eingestellt, d.h. das Spiel zwischen Spindel und Mutter wird auf nur wenige Mikrometer reduziert. Dies führt wiederum zu einer gesteigerten Reibung, Materialermüdung und schließlich Verschleiß. In der Folge sinkt die Vorspannung und damit die Bearbeitungsgenauigkeit der Werkzeugmaschine dauerhaft. Der Kugelgewindetrieb muss entweder getauscht oder soweit möglich neu vorgespannt werden.  

Lösung

Im BMWi-geförderten Forschungsprojekt »LastPass« haben Forscher des Fraunhofer IWU gemeinsam mit Industriepartnern einen Kugelgewindetrieb entwickelt, der mithilfe eines Formgedächtnisaktors eigenständig einer Verschleiß- und Materialermüdung entgegenwirkt. Damit können die Lebensdauer und Präzision von Werkzeugmaschinenantrieben dauerhaft gesteigert sowie Wartungszeiten besser geplant werden.

Dieser »smarte Antrieb« variiert seine Vorspannung »intelligent« selbst, indem er zur Aktivierung der eingesetzten Aktorik die zwischen den Wälzkontakten entstehende Wärme nutzt. Formgedächtnislegierungen besitzen die Fähigkeit, nach einer mechanischen Verformung und anschließenden Erwärmung in eine definierte Ausgangsform zurückzukehren und können so aktorisch genutzt werden.