Simulationsbasierte Entwicklung und experimentelle Validierung von werkzeugintegrierten Rotations-Partikeldämpfern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann; Professor Dr.-Ing. Peter Eberhard
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 534586369

Das Fräsen, insbesondere von groß dimensionierten Bauteilen aus höherfesten Stählen, ist oftmals mit ausgeprägten, regenerativen Ratterschwingungen verbunden. In das Werkzeug integrierte Rotations-Partikeldämpfer (RPD) haben sich in diesem Zusammenhang als einen vielversprechenden Ansatz zur Schwingungsreduktion erwiesen. Die gezielte Auslegung ist jedoch durch die komplexen Wirkzusammenhänge erschwert. Während bei rein experimentellen Untersuchungen ein Blick auf die Partikelbewegungen im Betriebszustand nicht möglich ist, bleiben bei einfachen Simulationsansätzen viele Einflussparameter aus dem Werkzeugsystem unberücksichtigt. Auch ist eine Vielzahl relevanter Simulations-Kontaktparameter experimentell zu bestimmen und konstruktive Änderungen am realen RPD aus den Erkenntnissen der Partikelbewegung im RPD abzuleiten. Ein kombinierter Ansatz ist daher für das gezielte Auslegen von RPD unerlässlich. Für die Simulation der Partikelbewegungen im RPD werden gitterfreie Lagrange'sche Methoden verwendet. Um in kürzerer Zeit Simulationsergebnisse zu erzielen, werden die Partikelbewegungen in einem repräsentativen Teilbereich des RPD simulativ abgebildet und die im gesamten Dämpfer wirkenden Dissipationsmechanismen unter Verwendung von periodischen Rändern angenähert. Die für die Simulation benötigten, experimentellen Daten werden mit einem speziell gestalteten Analogieversuchsstand generiert, mit dem die beim realen Fräsprozess resultierenden Systemschwingungen reproduzierbar und ohne zusätzlichen Materialeinsatz nachgebildet werden. Dadurch ist eine umfängliche experimentelle Analyse der in den RPD wirkenden Dämpfungsmechanismen realisierbar. In Verbindung mit umfassenden Simulationen soll durch dieses kombinierte Vorgehen ein tieferes Verständnis der zugrunde-liegenden Dissipationsvorgänge unter wirkender Zentripetalkraft erarbeitet werden. Zur Steigerung der Energiedissipation ist eine hohe Bewegungsfreiheit der eingesetzten Partikel in dem Dämpfer erforderlich. Um die Relativbewegung zwischen den Partikeln zu erhöhen, werden verschiedene konstruktive Maßnahmen untersucht. Insbesondere wird der Einfluss komplex gestalteter RPD-Innenstrukturen sowie zusätzlich eingebrachter Flüssigkeit auf die Partikelbewegungen in den Dämpfern betrachtet. In abschließenden Einsatzversuchen mit einem additiv hergestellten Fräswerkzeug mit integrierten RPD wird das Dämpfungsverhalten des in den Experimenten und Simulationen erarbeiteten RPD-Konzepts beim Fräsen eines höherfesten Stahls beleuchtet. Durch die interdisziplinäre Bündelung der Kompetenzen des Instituts für Technische und Numerische Mechanik der Universität Stuttgart und des Instituts für Spanende Fertigung der TU Dortmund wird eine Lösung für die nach wie vor sehr anspruchsvolle Aufgabe der Schwingungsminimierung beim Fräsen entwickelt. Übergeordnet ermöglichen die fundamentalen Untersuchungen zudem eine wesentliche Erweiterung des grundlegenden Kenntnisstands zur dissipationseffizienten RPD-Auslegung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen