Thermoelektrisch temperierte Motorspindel für hochpräzise Werkzeugmaschinen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 529738427

Im Bereich der Hochpräzisions (HP)- und Ultrapräzisions (UP)-Zerspanung werden hohe Anforderungen an die Formgenauigkeit der Bauteile bis in den Submikrometerbereich gestellt. Wichtige Anwendungsfelder für solch hochpräzise Bauteile sind die Medizintechnik, die Luft- und Raumfahrtindustrie sowie der Werkzeugbau. Das thermische Verhalten der für die HP- und UP-Zerspanung in Werkzeugmaschinen eingesetzten Motorspindeln spielt bei der Erreichung der geforderten Arbeitsgenauigkeit eine entscheidende Rolle. Bis zu 75 % der geometrischen Bauteilfehler werden durch thermisch bedingte Verlagerungen des Tool Center Points hervorgerufen. Als Folge von elektrischen und mechanischen Verlustleistungen des Motors und der Lager, werden Wärmeströme beispielsweise in die Welle und das Gehäuse der Spindeln induziert. Diese führen zu steigenden Temperaturen und folglich zu einer thermisch bedingten Verformung der entsprechenden Komponenten. Schwankungen des induzierten Wärmestroms sind unter anderem durch Werkzeug- und Werkstückwechsel sowie Anpassungen der Spindeldrehzahl unvermeidbar. Um die geforderten Toleranzen im Bereich der HP- und UP-Zerspanung einzuhalten, führt dies zu langen Warmlaufzeiten der Werkzeugmaschinen, bis ein thermischer Beharrungszustand erreicht ist. Durch den Einsatz der Peltiertechnik zum Temperieren soll die thermische Stabilität einer Motorspindel gesteigert und deren Warmlaufzeit gegenüber dem Stand der Technik verringert werden. Dazu soll ein neuartiges thermoelektrisches Kühlsystem, basierend auf tubularen Peltier Modulen, entwickelt und zwischen den Wärmequellen und Senken einer Fräs-Motorspindel integriert werden. Dadurch wird eine geregelte Abfuhr von Wärme aus den Lagern und dem Motor der Spindel ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: Dr. Neumann Peltier Technik GmbH; FISCHER Deutschland GmbH, seit 3/2024; Nakanishi Jaeger GmbH, von 9/2023 bis 3/2024
• Kooperationspartner: Roland Binninger, seit 4/2024; Dr.-Ing. Olaf Schäfer-Welsen, von 9/2023 bis 3/2024