Simulationsgestützte Auslegung von Vorrichtungen und Werkzeugmaschinen

Die Auslegung von ganzen Werkzeugmaschinen oder von komplexen Vorrichtungen erfordert ein fundiertes Erfahrungswissen, um Neukonstruktionen auf ihr Prozessverhalten hin beurteilen zu können. Simulationen der dynamischen Eigenschaften auf Grundlage der Finite-Elemente-Methode (FEM) können dabei Unterstützung bieten, liefern aber nur eine Beschreibung des zu untersuchenden Systems etwa in Form von Frequenzgängen ohne Berücksichtigung z. B. von Zerspankräften realer Prozesse. Gerade im Bereich der Dynamik von Maschinen und Vorrichtungen wird daher häufig auf Vermutungen über den Einfluss prozessspezifischer Größen auf das dynamische Verhalten der Konstruktion zurückgegriffen.

Im Projekt iNTEFIX (European Union's Seventh Framework Programme) wurden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Fertigungstechnik und Qualitätssicherung (IFQ) und mit zahlreichen Industriepartnern Vorrichtungen für das Fräsen von Impellern und Flugzeugstrukturbauteilen entwickelt. Im Projekt ZIM Prima (Programm zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie) konnten ebenfalls mit dem IFQ und der Fa. Fooke neue Strukturen für Werkzeugmaschinen mittlerer Baugröße ausgelegt und getestet werden. In beiden Projekten wurde die Simulation des dynamischen Prozessverhaltens mit FEM-berechneten Frequenzgängen des IFQ dazu genutzt, Designlösungen zu finden, die sowohl ein stabiles Prozessverhalten ohne selbsterregte Schwingungen als auch besonders leichte Strukturen aufweisen.

Ein weiteres Ziel im Prima-Projekt war es, temperaturunabhängige Maschinenstrukturen zu entwickeln. Die Abbildung zeigt für drei verschiedene Varianten des z-Schiebers einer Fooke ENDURA 700 linear das auf Grundlage von FEM-generierten Nachgiebigkeitsfrequenzgängen simulierte Prozessstabilitätsverhalten. Im iNTEFIX-Projekt wurden Werkstückschwingungen bei Impellern unter Berücksichtigung von aktiv induzierten Gegenschwingungen simuliert (Abbildung oben links), um die Piezoaktoren der Vorrichtung sowie den Prozess auslegen zu können. Daneben wurde die Simulation in diesem Projekt genutzt, um eine Vorrichtung auszulegen, die es ermöglicht, den eigenspannungsbedingten Verzug während des Fräsens von Strukturbauteilen aktiv auszugleichen. Das Ziel bestand hier sowohl in der ausreichend stabilen Auslegung der Vorrichtung als auch in der Integration der Simulation in den Prozessablauf, um zu große Zustellungen bei Verschiebung der Werkstückklemmungen zu vermeiden.

Abb.: Oben: Vorrichtung zur aktiven rotatorischen Schwingungsüberlagerung, sowie Vorrichtung für Strukturbauteile mit aktiven Werkstückklemmelementen. Unten: Stabilitätsdiagramme für drei verschiedene Designvarianten des z-Schiebers einer Fooke ENDURA 700 linear Fräsmaschine

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