Werkstoffbasierte Steuerung von Wärmeströmen

Problemstellung

Thermische Deformationen an Werkzeugmaschinen verursachen ernstzunehmende Genauigkeitseinbußen. Insbesondere bei zeitlich und örtlich inhomogenen Temperaturfeldern kommt es zu signifikanten Fertigungsfehlern. Steuerungstechnische Kompensationsmethoden können nur bei Verformungen in Hauptantriebsrichtung wirken und sind bei mehrachsiger Verformung sehr komplex. Insofern ist immer öfter eine Temperierung bestimmter Maschinenkomponenten oder der gesamten Maschine notwendig. Dies widerspricht jedoch dem Gedanken der ressourceneffizienten Produktion.

Lösung

Das Fraunhofer IWU arbeitet deshalb an der Realisierung eines strukturintegrierten werkstoffbasierten Thermomanagements. Dafür werden u. a. thermische Speicher auf Basis von Phase-Change-Materialien (PCM) entwickelt. PCM sind Parafine, die während ihrer Phasenumwandlung von fest zu flüssig große Wärmemengen speichern. Zur mechanischen Fixierung und zur Verbesserung der Wärmeleitung wird das PCM in Metallschaumstrukturen infiltriert. Um gezielt Wärmemengen in den Speicher zu leiten bzw. daraus zu entnehmen, bedarf es Mechanismen zur gezielten Steuerung des Wärmeflusses. Hier bietet sich der Einsatz aktiver Werkstoffe an. So wird z. B. untersucht, wie mittels thermischer Formgedächtnislegierungen selbstregelnde Wärmebrücken realisiert werden können. Die Wärmebrücke schließt sich bei Überschreiten einer oberen Grenztemperatur selbstständig und die Wärmeenergie kann aus der Komponente in den Wärmespeicher fließen. Damit wird sichergestellt, dass temporäre thermische Spitzenlasten nicht zu einer Temperaturerhöhung führen. Thermische Deformationen können so verhindert werden und aktive Kühlmaßnahmen können entfallen.