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MAI CC4 FastMove

Carbon-Hochgeschwindigkeits-5-Achssystem für Bearbeitungsaufgaben der Zukunft

 
Leichtbau- und Faserverbundtechnologie Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Prinzipskizze einer Portalfräsmaschine in Gantry-Bauweise mit dem Querbalken (blau) und dem Z-Schlitten (rot).
Prinzipskizze einer Portalfräsmaschine in Gantry-Bauweise mit dem Querbalken (blau) und dem Z-Schlitten (rot).
01.10.2017 - 30.06.2020

Projektbeschreibung

Im Rahmen des Forschungsprojektes MAI CC4 FastMove werden der Querbalken und der Z-Schlitten einer 5-Achs Bearbeitungsmaschine in Gantry-Bauweise aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) hergestellt und getestet. Außerdem soll eine Zustandsüberwachung der Bauteile und des Bearbeitungsprozesses während des Betriebs durchgeführt werden. Durch die geringere Masse der CFK-Komponenten im Vergleich zu Metallbauteilen sind höhere Beschleunigungen der einzelnen Achsen möglich. Dadurch kann die Bearbeitungszeit von Bauteilen bei gleicher Genauigkeit deutlich gesteigert werden.

Motivation und Forschungsziele
Durch höhere Beschleunigungen und größere Geschwindigkeiten im Eilgang kann die Zeit bei langen Verfahrwegen (z. B. Werkzeugwechsel), besonders bei großen Werkzeugmaschinen, deutlich verkürzt werden. Dabei hat die maximale Geschwindigkeit und die Beschleunigung der Achsen einen großen Einfluss. Außerdem wirkt sich die hohe Maschinendynamik positiv auf Schlichtprozesse aus, welche mit hohen Vorschüben erfolgen. Durch höhere Beschleunigungen kann die Sollposition schneller erreicht werden und somit sind auch größere Vorschubgeschwindigkeiten bei vielen Richtungswechseln möglich. Dies gilt vor allem für das HSC-Fräsen (High Speed Cutting).

Durch die hervorragenden gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu Metallen ist CFK besonders für die Konstruktion leichter und zugleich steifer Strukturen geeignet. Da das Eigengewicht der Bauteile bei Beschleunigung einen großen Einfluss auf die Verformung am Werkzeug der Werkzeugmaschine hat, können mit leichten, steifen CFK-Strukturen die Achsbeschleunigungen der Werkzeugmaschine, bei gleicher Genauigkeit, deutlich erhöht werden und die Produktivität der Maschine wird somit gesteigert. Die Strukturbauteile Querträger und Z-Schlitten haben dabei das größte Masseeinsparungspotential.

Die Hochschule Augsburg ist bei dem Forschungsprojekt mitverantwortlich für die Konstruktion und Auslegung des CFK-Querbalkens und des CFK-ZSchlittens. Außerdem werden Reparaturkonzepte für die CFK-Komponenten im Falle eines Crashs entwickelt.

Anforderungen an die Komponenten
Die Anbindungen an die Maschine (z. B. Führungsschienen, Zahnstange) sollen erhalten bleiben, um eine Umrüstung von vorhandenen Maschinen zu ermöglichen. Die Anforderungen an Maß-, Form-, Lageabweichungen und Rauheit am Werkstück müssen erfüllt werden. Deshalb erfolgt die Auslegung der Werkzeugmaschinen überwiegend auf die absolute Steifigkeit und nicht wie bei Automobil oder Luftfahrtanwendungen auf Festigkeit. Deshalb sollte eine hohe statische Steifigkeit vorliegen, um Verformungen aufgrund von Schnittkräften möglichst gering zu halten.

Außerdem sollte eine hohe dynamische Steifigkeit und eine hohe Dämpfung vorhanden sein, um ein Aufschwingen der Maschine durch Fremdanregung zu verhindern und den Zerspanprozess stabil zu halten. Durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei Führungsschienen (Stahl) und den Grundkörpern (CFK) kann es zu ungewollten Deformationen kommen. Diese Deformationen müssen möglichst klein gehalten werden, um einen Betrieb der Maschine bei schwankenden Umgebungstemperaturen zu ermöglichen. Außerdem ist eine Resistenz gegenüber Reinigungs- und Betriebsmitteln erforderlich.

Konstruktion und Berechnung
Für die Konstruktion wurden verschiedene Bauweisenkonzepte entwickelt und bewertet. Dabei wurde ein Konzept in Plattenbauweise ausgewählt. Dadurch entstehen keine Kosten durch ein Formwerkzeug und nachträgliche konstruktive Änderungen. Ebenso ist die Skalierbarkeit relativ einfach durchzuführen. Um die Verformung der aktuellen Maschine zu bestimmen, wurde eine FEM-Analyse mit verschiedenen Lastfällen durchgeführt.

Diese Anforderungen müssen mit den CFK-Komponenten unter einer höheren Beschleunigung erfüllt werden. Für eine erste Abschätzung der Verformung wurde eine Berechnung eines Balkenmodells mit der Finiten Differenzen Methode durchgeführt. Dazu wurden Ersatzsteifigkeiten für den Balken auf Grundlage der klassischen Laminattheorie berechnet. Mit diesem Lagenaufbau erfolgt die Berechnung und Anpassung mittels eines FEM-Programms.

Fazit und Ausblick
Nach dem derzeitigen Forschungsstand ist eine höhere Maschinendynamik durch Substitution von Stahlkomponenten eines 5-Achs-Bearbeitungszentrums möglich. Dadurch kann die Produktivität der Maschine gesteigert werden. Nach der Auslegung und Fertigung wird die Maschine an einem Demonstratorbauteil getestet, um die höhere Produktivität nachzuweisen.

Bei erfolgreichen Tests kann das Konzept auch auf andere Bereiche des Maschinenbaus (z. B. Logistiksysteme, Verpackungsmaschinen) übertragen werden. Dies ist aufgrund der leicht adaptierbaren Plattenbauweise relativ einfach möglich.

Beteiligte Personen

Projektleitung
Prof. Dr.-Ing. André Baeten
Fakultät für Maschinenbauund Verfahrenstechnik
HSA_comp
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Weitere Beteiligte
Matthias Kornmann (M.Sc.)
Fakultät für Maschinenbauund Verfahrenstechnik
HSA_comp
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Partner
Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH, Bobingen

Förderung
Campus Carbon 4.0
StMWi

 
Einfluss der Maschineneigenschaften auf die Werkstückoberflächen.
Einfluss der Maschineneigenschaften auf die Werkstückoberflächen.
 
Positionierungsdauer für verschiedene Beschleunigungen und Geschwindigkeiten der Fräsmaschine bei einem Verfahrweg von 1000 mm.
Positionierungsdauer für verschiedene Beschleunigungen und Geschwindigkeiten der Fräsmaschine bei einem Verfahrweg von 1000 mm.

Weiterführende Links

 

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