SFB Transregio 96 – Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Sonderforschungsbereich (SFB)
»Transregio 96«

Projektlaufzeit: Juli 2019 - Juni 2023

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität am Beispiel der spanenden Fertigung

Der Sonderforschungsbereich »Transregio 96« befasst sich mit der Frage, wie die Bearbeitungsgenauigkeit spanender Werkzeugmaschinen unter thermisch instabilen Verhältnissen sichergestellt und gleichzeitig die Produktivität gesteigert werden kann.

Bauteilungenauigkeiten durch die thermo-elastische Verformung der Maschinenstruktur

Für die spanende Bearbeitung sind heute thermo-elastisch verursachte Fehler eine zentrale Herausforderung. Die Mengenleistungen steigen und erfordern größere Antriebsleistungen. Leistungsstärkere Hauptantriebe verursachen Wärmeströme an der Wirkstelle des Zerspanungsprozesses, während stärkere Vorschubantriebe erhöhte Reibleistungen von mechanischen Antriebs- und Führungselementen bewirken, die einmal mehr zu Wärmeströmen führen. Dadurch nehmen thermo-elastische Verformungen der Maschinenstruktur zu und die Fertigungsgenauigkeit ab, was eine Nachbearbeitung des Werkstücks oder sogar Ausschuss zur Folge hat.

Darüber hinaus steigt der Bedarf an spezifischen Werkstücken und kleineren Stückzahlen in der Serienfertigung, wodurch die Entwicklung von produktiven und zugleich hochgenauen Systemlösungen an Bedeutung gewinnt.

Energie- und kosteneffiziente Alternativen zu konventionellen Lösungen

Konventionelle Maßnahmen wie die Temperierung von tragenden Strukturbereichen der Werkzeugmaschinen oder die Klimatisierung ganzer Fertigungsbereiche sollen thermoelastischen Fehlern vorbeugen. Allerdings erhöhen sie den Energieverbrauch und die Investitionskosten. Der Sonderforschungsbereich »Transregio 96« entwickelt daher Konzepte, die den Zielkonflikt zwischen Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität bei der thermo-energetischen Gestaltung von Werkzeugmaschinen lösen können. Neue Modelle helfen dabei, die Produktionssysteme ganzheitlich zu erfassen, sowohl die Maschine als auch den Prozess, indem sie Korrektur- und Kompensationsmechanismen berechnen und vergleichen.

Teilprojekt C03 – Online-Korrektur thermischer Fehler durch integrale Verformungssensoren

Das Ziel des Teilprojekts »C03« ist es, die thermisch bedingten Verformungen in Werkzeugmaschinen während der Bauteilbearbeitung messtechnisch zu erfassen und steuerungstechnische Korrekturdaten für den Tool-Center-Point (TCP) in Echtzeit zu berechnen. Die Erkenntnisse und Vorgehensweise werden an Teilsystemen wie den Vorschubachsen, Achsverbunden, und Gestell-Strukturen erprobt und weiterentwickelt.

Dabei haben sich die sogenannten integralen Verformungssensoren (Integral Deformation Sensors – IDS) zur Datenerfassung bewährt und eignen sich zur Integration in die Maschinenkomponenten. Um das Konzept zu validieren, wurde eine Versuchsmaschine getestet, die aus einem Maschinengestell und den Achssystemkomponenten einer Serienmaschine für High-Speed-Cutting-Anwendungen besteht, und mit zwölf Verformungssensoren ausgestattet ist: drei am Spindelstock und neun am Maschinengestell.

Anhand der gewonnenen Daten ist ein physikalisches Verformungsmodell entwickelt und validiert worden, das die gemessenen lokalen Deformationen in Verlagerungen von Strukturkomponenten umrechnet.

Versuche unter realen Produktionsbedingungen

Das Konzept der IDS in Werkzeugmaschinen konnte unter Laborbedingungen erfolgreich umgesetzt werden. Daran anknüpfend wird das Korrekturkonzept unter realen Bedingungen in Werkzeugmaschinen validiert. Ziel und Herausforderung ist es, einen möglichst robusten und einfachen Algorithmus zur Korrekturwertaufschaltung zu entwickeln.

  • Projektkoordinator: Professor Dr.-Ing. Christian Brecher
  • Projektpartner: Technische Universität Dresden, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Technische Universität Chemnitz, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
  • Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  • Projekt gefördert durch: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)