Adaptronische Kompensation von Winkelverlagerungen an Werkzeugmaschinen-Hauptspindeln
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Ergebnisse dieses Forschungsprojekts zeigen, das eine Kompensation von thermischen Verlagerungen durch den Einsatz von Komponenten aus Hochleistungs-Kohlefasern mit negativem thermischem Ausdehnungskoeffizienten möglich ist. Hierbei hat sowohl eine direkte Erwärmung der CFK-Strukturen über physischem Kontakt mit dem zu kompensierenden Bauteil erfolgen, andererseits kann die erforderliche Erwärmung der CFK-Struktur auch über zusätzliche Wärmequellen wie Heizdrähte und -folien erfolgen. Die in diesem Projekt gewählten Peltierelemente verbinden die Heizfunktion mit einer zusätzlichen Kühlung des Spindelgehäuses. Dieser Effekt hat sich in diesem Projekt als Vorteilhaft erwiesen, ist jedoch für weitere Anwendungen aufgrund geometrischer Restriktionen eventuell nicht realisierbar. Hier müsste auf die zusätzliche Kühlfunktion verzichtet werden. Ebenfalls hervorzuheben ist die einfache Integration der Regelung in das gesamte Kompensationskonzept. Über die Verwendung von Lasertriangulationssensoren konnte in Verbindung mit an der Struktur angebrachten DMS eine Regelung implementiert werden, die nach einer Kalibrierung mit den Messergebnissen der übrigen Sensoren als rein temperaturbasiert funktionsfähig ist. Dies ermöglicht neben geringen Kosten auch einen Einsatz in der Realität, auch als autarkes adaptronisches Zusatzsystem in Werkzeugmaschinen. Für einen zukünftigen industriellen Einsatz sind ausgehend von der bereits bestehenden Lösung noch Optimierungsanstrengungen durchzuführen. So konnten die CFK-Komponenten aufgrund des speziellen Einsatzzwecks bislang nur manuell hergestellt werden. Aufgrund der dadurch bedingten Schwankungen ist hier ein Herstellverfahren mit definierter Produktqualität anzustreben. Gleiches betrifft die Qualität der verwendeten Fasern. Ein ebenfalls interessanter, in diesem Projekt nicht näher betrachteter Faktor für den industriellen Einsatz, ist das Langzeitverhalten der Kompensationsstruktur. Hierbei sind insbesondere eventuell auftretende Delaminationen der CFK-Elemente von großem Interesse. Im abgeschlossenen Projekt traten dies bezogen keinerlei Versagen der verwendeten CFK-Komponenten auf, alterungsbedingte Leistungseinbußen konnten ebenfalls nicht beobachtet werden. Gerade im industriellen Einsatz im Kontakt aggressiven Medien sind diese Vorgänge jedoch nicht auszuschließen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- CFK-Kompensationsstrukturen zur Verringerung thermisch bedingter Verformung. In: 2. Berichtskolloquium des SPP 1156 Adaptronik in Werkzeugmaschinen, Braunschweig, 2007
Uhlmann, E.; Marcks, P.; Bayat, N.
- Milling machine evolution in the area of conflict between efficiency, accuracy and social ecology 12th International Seminar on High Technology UNIMEP, Sao Paulo, Brasilien, 04.Oktober 2007
Uhlmann, E.; Marcks, P.; Mense, C.
- CFK-Kompensationsstrukturen zur Verringerung thermisch bedingter Verformungen, In: Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 2 – Fertigungstechnik, Nr. 666: Neue Anwendungsbereiche adaptronischer Systeme, VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf 2008, S. 12-23 ISBN: 978-3-18-366602-7
Uhlmann, E.; Marcks, P.
- Compensation of Thermal Deformations at Machine Tools using Adaptronic CRP-Structures, In: The 41st CIRP Conference on Manufacturing Systems: Manufacturing Systems and Technologies for the New Frontier, Tokyo, Japan, May 26-28,2008, pp. 183-186, ISBN: 978-1-84800-266-1
Uhlmann, E.; Marcks, P.
- Adaptronische Kompensation von Winkelverlagerungen an Werkzeugmaschinen-Hauptspindeln. In: 3. Berichtskolloquium des SPP 1156 Adaptronik in Werkzeugmaschinen, Braunschweig, 2009
Uhlmann, E.; Marcks, P.
- Key technologies for sustainable production. Proceedings of the Fourth I*PROMS Virtual Conference on Innovative Production Machines and Systems, Cardiff University 2009, S. 104-111
Uhlmann, E.; Krüger, J.; Hühns, T.; et al.
- Application of CFRP Structures for Compensation of Thermal Strains at Machine Tools, CIRP Paris January Meeting STC M Paper Session, 22 January 2010
Uhlmann, E.; Marcks, P.
- Kompensation thermischer Verlagerungen an Werkzeugmaschinen durch Einsatz von CFK-Strukturen. In: Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 2 – Fertigungstechnik, Nr. 675: Hybride Technologien in der Produktion, VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf 2010, S. 65-77, ISBN: 978-3-18-367502-9
Uhlmann, E.; Marcks, P.
