MAI CampusCarbon 4.0 FastMove
Carbon-Hochgeschwindigkeits-Fräsmaschine zur Fünf-Achs-Bearbeitung
Projektbeschreibung
Das dynamische Verhalten von Werkzeugmaschinen wird durch die Steifigkeit und die Masse der bewegten Komponenten beeinflusst. Durch leichte Bauteile mit hoher Steifigkeit kann die Dynamik der Maschine bei gleichbleibender Bearbeitungsqualität verbessert werden. Die Bearbeitungszeit kann somit z. B. durch High-Speed-Cutting-Fräsen gesenkt werden. Carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) ist prädestiniert für leichte Bauteile mit hoher Steifigkeit. Im Rahmen des Projekts werden deshalb die Stahlteile „Portal“ und „Z-Schlitten“ einer Fünf-Achs-Fräsmaschine durch CFK substituiert.
Forschungsziele
Bei Werkzeugmaschinen werden hohe Anforderungen an Genauigkeit in Kombination mit einer großen Maschinendynamik gestellt. Bei schnellen Positionswechseln des Fräskopfes entstehen Schwingungen am Fräser. Diese müssen möglichst klein gehalten werden, um eine gute Bauteilqualität bei der Bearbeitung zu erzeugen. Um dies zu erreichen, ist eine hohe Bauteilsteifigkeit bei geringer Masse erforderlich.
in Gantry-Bauweise.
Diese Eigenschaften werden durch die guten gewichtsspezifischen Eigenschaften carbonfaserverstärkter Kunststoffe erfüllt. Deshalb werden bei diesem Projekt die Stahlteile Portal und Z-Schlitten einer Portalfräsmaschine in Gantry-Bauweise (Bild links) durch CFK ersetzt. Dadurch ist eine Gewichtsreduktion der Strukturkomponenten um bis zu 60 Prozent möglich. Mit den leichteren Bauteilen kann die Maschinendynamik bei gleichbleibender Fertigungsqualität erhöht werden, wodurch die Fertigungszeiten bei der Zerspanung sinken.
Die Hochschule Augsburg ist bei dem Forschungsprojekt mitverantwortlich für die Konstruktion und Auslegung des CFK-Portals und des CFK-ZSchlittens. Außerdem werden Reparaturkonzepte für die CFK-Komponenten im Falle eines Crashs entwickelt. Des Weiteren ist eine Zustandsüberwachung der CFK-Komponenten und eine Entwicklung von Endbearbeitungswerkzeugen durch Projektpartner vorgesehen.
Konstruktion und Auslegung
Um die Randbedingungen abzuklären, wurde eine Anforderungsanalyse mit den Projektpartnern erstellt. Die Anbindungen an die Maschine z. B. Führungsschienen, Zahnstange, Auflagepunkte – sollen erhalten bleiben, um eine Umrüstung von vorhandenen Maschinen zu ermöglichen. Es wurden verschiedene Bauweisenkonzepte entwickelt und bewertet. Eine Herausforderung war es, ein geeignetes und kostengünstiges Fertigungsverfahren für die Herstellung der großen Bauteile – der Z-Schlitten ist über zwei Meter, das Portal über vier Meter lang – zu finden. Um den Fertigungsaufwand möglichst gering zu halten, erfolgt die Herstellung der Bauteile aus CFK-Platten im Heißpressverfahren.
eines CFK-Balkenmodells auf Basis der
klassischen Laminattheorie. Die Achsen
sind auf die maximalen Werte normiert.
Anschließend werden die Platten in Kastenbauweise miteinander gefügt. Teure Formwerkzeuge für die Herstellungsind somit nicht nötig. Im Inneren der Struktur können noch lokale Verstärkungselemente angebracht werden. Dadurch sind gezielte Versteifungen an hochbelasteten Bereichen möglich. Außerdem können auf diese Weise auch Metallelemente für die Krafteinleitung in den Faserverbundwerkstoff mit eingebracht werden. Diese hybride Bauweis nutzt die Vorteile beider Werkstoffe aus und ermöglicht einen kostengünstigen Leichtbau. Linearachsen – wie Z-Schlitten und Portal – dürfen eine maximale Verschiebung am Arbeitspunkt unter dynamischer Last nicht überschreiten. Da bei Beschleunigungen eine Kraft auf die Bauteile ausgeübt wird (2. Newtonsche Gesetz F = m*a) und dadurch eine Verformung am Fräser entsteht, ist die Beschleunigung auf einen Maximalwert zu begrenzen. Neben der Beschleunigung spielt der Ruck (zeitliche Änderung der Beschleunigung) eine große Rolle. Durch ein ruckartiges Anfahren der Maschine wird diese in Schwingungen versetzt. Die Amplitude dieser Schwingungen beeinflusst die Fertigungsqualität der Maschine stark. Deshalb ist eine Ruckbegrenzung nötig. Durch leichte Komponenten mit hoher Steifigkeit kann die Ruckbegrenzung erhöht werden, was zu einer Produktivitätssteigerung führt. Die Vorauslegung der Komponenten erfolgte mittels eines Balkenmodells (Bild links). Anschließend wurde eine Optimierung der CFK-Komponenten mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode durchgeführt. Damit können auch lokale Verformungen wie in Krafteinleitungsbereichen erfasst werden. Diese tragen oftmals einen Großteil zur Gesamtverschiebung bei.
Fazit und Ausblick
Portal sowie Z-Schlitten wurden bereits gefertigt und sind aktuell bei der Nachbearbeitung (Stand August 2020). Nach der Montage der Maschine im Technologiezentrum in Augsburg erfolgen Bearbeitungsversuche. Nach dem derzeitigen Forschungsstand ist eine höhere Maschinendynamik durch Substitution von Stahlkomponenten eines Fünf-Achs-Bearbeitungszentrums möglich. Dadurch kann die Produktivität der Maschine gesteigert werden. Bei erfolgreichen Tests kann das Konzept auch auf andere Bereiche des Maschinenbaus – z. B. auf Logistiksysteme oder Verpackungsmaschinen – übertragen werden.
Projektleitung
Ansprechpartner | |
Telefon: | +49 821 5586-3176 |
Weitere Beteiligte
Matthias Kornmann, M.Sc.
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Fakultät für Maschinenbau
und Verfahrenstechnik
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Förderungen
Bayerisches Staatsministerium
für Wirtschaft und Medien, Energie
und Technologie
Partner
- Hufschmied Zerspanungssysteme
- GmbH, Bobingen
- ARRK Engineering, München
- Carbon-Werke Weißgerber
- GmbH & Co KG, Wallerstein
- EiMa Mitte Vertriebs- und Service GmbH, Untersiemau
- Universität Augsburg, Institut für Materials Resource Mangagement (MRM) und Anwenderzentrum für Material- und Umweltforschung (AMU)
- VisCheck GmbH, München
- Lebmeier Konstruktionen, Stadtbergen
