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TRR 96: Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen - Eine systemische Lösung des Zielkonflikts von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität am Beispiel der spanenden Fertigung
Fachliche Zuordnung
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Informatik, System- und Elektrotechnik
Maschinenbau und Produktionstechnik
Mathematik
Sozial- und Verhaltenswissenschaften
Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
Informatik, System- und Elektrotechnik
Maschinenbau und Produktionstechnik
Mathematik
Sozial- und Verhaltenswissenschaften
Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
Förderung
Förderung von 2011 bis 2023
Webseite
Zur Homepage
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 174223256
Anspruch des SFB/TR 96 sind Beiträge zur Lösung des Zielkonflikts von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität bei der spanenden Fertigung. Der verfolgte Lösungsansatz basiert auf Maßnahmen, die es erlauben, den Prozess trotz steigender Verlustleistungen ohne zusätzliche energetische Maßnahmen unter thermisch instationären Umgebungsverhältnissen und unter Bedingungen von Einzel- und Kleinserienfertigung zu beherrschen. Der SFB/TR 96 erforscht und entwickelt hinsichtlich des thermo-elastischen Maschinenverhaltens wirksame Korrektur- und Kompensationslösungen, die zur spanenden Genauigkeitsbearbeitung unter den zukünftigen Bedingungen energieeffizienter Produktion befähigen.Daraus leiten sich folgende Teilziele ab:1) Schaffung von Modellgrundlagen für eine umfassende Berechnungsfähigkeit thermo-elastischer Verformungen und der diese verursachenden Wärmeströme sowie der Abbildung von Strukturveränderlichkeit infolge Relativbewegungen und Rechenzeitminimierung,2) Realisieren eines prozessaktuellen, durchgängigen Datenabbildes als digitale Repräsentation der thermo-elastischen Wirkungskette. Dies umfasst Modelldaten sowie Parameter und sieht die Möglichkeit eines zyklischen Updates vor. 3) Erfassung der Auswirkungen von Wärmequellen und -senken auf das thermische Verhalten von Werkzeugmaschinen sowie die Beschreibung des zeitlichen Verhaltes. Nachführen örtlich und zeitlich schwankender Parameter mittels Parameteridentifikationsverfahren als Voraussetzung für den Entwurf und Betrieb von Korrektur- und Kompensationslösungen,4) Entwicklung von grundlegenden messtechnischen Lösungen zur Erfassung thermo-elastischer Fehler in ausgewählten Strukturbereichen von Werkzeugmaschinen und deren Nutzung für Korrektur- und Kompensationslösungen,5) Entwicklung und Umsetzung von Lösungen zur steuerungsintegrierten Korrektur thermo-elastischer Fehler unter Berücksichtigung von prozessbegleitender Datenanalyse 6) Entwicklung und Integration gestalterischer und werkstoffeigenschaftsgetragener Lösungen zur Kompensation thermo-elastischer Wirkungen durch Verstetigung des Temperaturfeldes und Minderung und Homogenisierung des Wärmeenergieeintrags im Bereich tragender Strukturen,7) technisch-betriebswirtschaftliche Bewertung der im SFB/TR 96 entwickelten Lösungen hinsichtlich ihrer Wirkung auf Produktqualität, Mengenleistung, Energieverbrauch und KostenIn Phase 3 (Demonstrationsphase) werden die Forschungsarbeiten auf die Gesamtmaschine bezogen. Auf Basis der Untersuchungen an einfachen Teil- und Gesamtmodellen werden Korrektur- und Kompensationslösungen auf die Anwendung für die Gesamtmaschine unter den Bedingungen des realen Betriebs erweitert. Hieraus ergeben sich neue wissenschaftliche Herausforderungen durch eine Vielzahl zu berücksichtigender Unsicherheiten und Parameterschwankungen. Die Modelle müssen hierfür erweitert und neue Lösungen für die Beherrschung von variablen Betriebsbedingungen wie eine Online-Identifikation entwickelt werden.
DFG-Verfahren
Transregios
Internationaler Bezug
Österreich
Laufende Projekte
- T09 - Gestaltung und Optimierung von Kühlstrukturen in Kompaktachsen auf Basis simulierter 3D-Temperaturfelder (Teilprojektleiter Ihlenfeldt, Steffen ; Weber, Jürgen )
- T12 - Berücksichtigung von mehrphasigen Fluid-Festkörper-Wechselwirkungen im Arbeitsraum spanender Werkzeugmaschinen für eine prozess-sensitive Thermo Korrektur (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Glänzel, Janine ; Regel, Joachim )
- T14 - Simulationsgestützte Optimierung des Fräsprozesses durch Regulierung der Werkzeugtemperatur (Teilprojektleiter Bergs, Thomas ; Kneer, Reinhold )
- T15 - Datenbasierte Parametrierung des thermo-elastischen Maschinenverhaltens mithilfe von vorhandenen Daten der Qualitätssicherung (Teilprojektleiter Brecher, Christian )
- T16 - Nachhaltigkeitszentrierte Regelung aktiver Kühlsysteme von Spindeln in Werkzeugmaschinen (Teilprojektleiter Brecher, Christian )
- T21 - Thermisch robuster Leichtbau mittels hybrider Optimierungsstrategie (Teilprojektleiter Ihlenfeldt, Steffen )
- T22 - Sensorisches Spindelsystem zur Korrektur der thermisch bedingten TCP-Abweichung in Abhängig-keit variierender Wärmelasten (Kurztitel: Sensorisches Spindelsystem) (Teilprojektleiter Dix, Martin ; Regel, Joachim )
Abgeschlossene Projekte
- A01 - Modellgestützte Beschreibung der thermo-energetischen Wirkungen in spanenden Werkzeugen und Werkstückspannvorrichtungen und der gezielten Beeinflussung von Schneiden- und Bauteilverlagerungen mit dem Ziel der Optimierung und Kompensation (Werkzeug- und Spannmittelverformung) (Teilprojektleiter Drossel, Welf-Guntram ; Neugebauer, Reimund ; Putz, Matthias ; Regel, Joachim ; Schmidt, Gerhard )
- A02 - Modell und Methode zur Erfassung und Bilanzierung der in Fräsprozessen unter Kühlschmierstoffeinsatz und Werkzeugverschleiß umgesetzten Energien (Energiemodell für Fräsprozesse) (Teilprojektleiter Bergs, Thomas ; Klocke, Fritz ; Mattfeld, Patrick ; Veselovac, Drazen )
- A03 - Modell und Methode zur Erfassung und Bilanzierung der in Schleifprozessen umgesetzten Energien (Energiemodell für Schleifprozesse) (Teilprojektleiter Bergs, Thomas ; Klocke, Fritz ; Mattfeld, Patrick ; Wegner, Hagen )
- A04 - Thermo-energetische Beschreibung fluidtechnischer Systeme (Thermofluidtechnik) (Teilprojektleiter Weber, Jürgen )
- A05 - Systemsimulation des prozessaktuellen Werkzeugmaschinenabbildes (Prozessaktuelle Systemsimulation) (Teilprojektleiter Beitelschmidt, Michael ; Ihlenfeldt, Steffen ; Stelzer, Ralph )
- A06 - Modellordnungsreduktion für thermo-elastische Baugruppenmodelle (Modellordnungsreduktion) (Teilprojektleiter Benner, Peter ; Saak, Jens )
- A07 - Hochauflösende thermo-elastische Simulation auf massiv-parallelen Rechnerarchitekturen (Teilprojektleiter Voigt, Axel ; Wensch, Jörg )
- B01 - Modellierung der thermischen Wechselwirkung zwischen Umgebung und Maschine (Teilprojektleiter Drossel, Welf-Guntram ; Neugebauer, Reimund )
- B02 - Bestimmung und Modellierung von Wärmeübergangsmechanismen zwischen den Maschinenkomponenten (Wärmefluss zwischen Maschinenkomponenten) (Teilprojektleiter Kneer, Reinhold )
- B03 - Komponenten- und Baugruppenuntersuchung (Teilprojektleiter Brecher, Christian )
- B04 - Identifikation von Modellparametern für exemplarisch streuende sowie zeitlich veränderliche thermische Maschineneigenschaften (Exemplarische Parameteridentifikation) (Teilprojektleiter Hellmich, Arvid ; Ihlenfeldt, Steffen ; Kabitzsch, Klaus ; Kauschinger, Bernd )
- B05 - Korrekturalgorithmen und höherdimensionale Kennfelder (Teilprojektleiter Herzog, Roland ; Priber, Ulrich )
- B06 - Eigenschaftsmodellbasierte Korrektur lastabhängiger Strukturverformungen (Eigenschaftsmodellbasierte Korrektur) (Teilprojektleiter Brecher, Christian )
- B07 - Strukturmodellbasierte Korrektur thermo-elastischer Fehler an Werkzeugmaschinen (Strukturmodellbasierte Korrektur) (Teilprojektleiter Fetzer, Christof ; Ihlenfeldt, Steffen ; Kauschinger, Bernd ; Mühl, Andreas ; Weber, Jürgen )
- B08 - Modellprädiktive Parameter- und Zustandsschätzung und optimale Sensorplatzierung (Modellprädiktive Parameter- und Zustandsschätzung) (Teilprojektleiter Herzog, Roland ; Stoll, Martin )
- B09 - Parametrierung der Umgebungsrandbedingungen thermo-elastischer Modelle und Korrekturalgorithmen auf Basis hochdimensionaler Kennfelder (Parametrierung und Kennfeldbasierte Korrektur) (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Glänzel, Janine ; Ihlenfeldt, Steffen ; Putz, Matthias )
- B10 - Steuerungsdatengespeiste Vorwärtsbeeinflussung des Temperaturfeldes einer Werkzeugmaschine (thermische Vorsteuerung) (Teilprojektleiter Ihlenfeldt, Steffen )
- C02 - Modellierung und Entwurf von Systemen zur aktiven Steuerung der Temperaturverteilung in Gestellbaugruppen (Gesteuerter Wärmefluss) (Teilprojektleiter Drossel, Welf-Guntram ; Neugebauer, Reimund )
- C03 - Systemansatz zur Bestimmung thermo-elastischer Verformung durch die direkte Messung lokaler Verlagerungen unter Einsatz strukturintegrierter Sensorik (Strukturintegrierte Messtechnik) (Teilprojektleiter Brecher, Christian ; Wenzel, Christian )
- C04 - Modellierung und Optimierung des Verlusthaushaltes elektrischer Antriebsmotoren und ihrer thermischen Kopplung mit Werkzeugmaschinen (Teilprojektleiter Werner, Ralf )
- C05 - Modellgestützte Methode zur Bewertung der Lösungsverfahren in Planung und Realisierung insbesondere unter thermo-energetischen, qualitativen und wirtschaftlichen Aspekten (Teilprojektleiter Esswein, Werner ; Wiemer, Hajo )
- C06 - Messtechnische Erfassung von verhaltens- und betriebszustandsrelevanten Größen entlang der thermischen Wirkungskette für Analyse, Bewertung, Simulation und Korrektur an einem spezifischen Versuchsträger (Teilprojektleiter Müller, Jens ; Stelzer, Ralph )
- T01 - Modellierung des thermo-elastischen Verhaltens eines fremdgetriebenen Spindelsystems (Teilprojektleiter Fey, Marcel )
- T02 - Robuste und thermo-energetisch optimierte Temperierung von Werkzeugmaschinengestellen mittels fluidtechnischer Systeme (Teilprojektleiter Ihlenfeldt, Steffen ; Weber, Jürgen )
- T05 - Effiziente Simulationstechnologie zur Analyse des thermo-elastischen Verhaltens kompakter Baugruppen von Werkzeugmaschinen (Teilprojektleiter Ihlenfeldt, Steffen )
- T11 - Datenbasierte Untersuchung der thermo-elastisch bedingten TCP-Abweichungen mithilfe von neuronalen Netzen (DataNet) (Teilprojektleiter Brecher, Christian )
- Z01 - Zentrale Aufgaben des SFB/Transregio (Teilprojektleiter Brecher, Christian )
- Z02 - Demonstration (Teilprojektleiter Ihlenfeldt, Steffen )
Antragstellende Institution
Technische Universität Dresden
Beteiligte Institution
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik
Außenstelle Dresden; Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT); Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU)
Außenstelle Dresden; Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT); Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU)
Mitantragstellende Institution
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen; Technische Universität Chemnitz
Sprecher
Professor Dr.-Ing. Christian Brecher, seit 1/2015