Thermisch robuster Leichtbau mittels hybrider Optimierungsstrategie (T21#)

• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Leichtbau, Textiltechnik ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 174223256

Die Werkzeugmaschinenindustrie steht vor der Herausforderung, die Produktivität und Genauigkeit ihrer Maschinen zu steigern und gleichzeitig den Beitrag zur Reduzierung von Treibhausgasen über den gesamten Produktlebenszyklus zu verbessern. Bei der Optimierung von Werkzeugmaschinen gewinnen thermische Fehler zunehmend an Bedeutung, da sie die Leistungsfähigkeit und Präzision der Maschinen beeinträchtigen können. Im Stand der Technik wurden Ansätze zur Steigerung der Produktivität und Energieeffizienz durch die Verbesserung der thermischen Stabilität von Maschinenkomponenten und den Einsatz von Leichtbaukomponenten identifiziert. Jedoch stellen thermische Verformungen und die Wechselwirkungen zwischen mechanischem und thermischem Verhalten insbesondere beim Leichtbau eine Herausforderung dar. Eine Hypothese dieses Projektantrags ist, dass die Vernachlässigung der Wechselwirkungen zwischen beiden Verhaltensbereichen dazu führt, dass die optimale Struktur für das dynamische Verhalten möglicherweise nicht die optimale Struktur für das thermische Verhalten ist und umgekehrt. Das Forschungsvorhaben zielt darauf ab, eine Optimierungsmethode zu entwickeln, die sowohl das thermische als auch das dynamische Verhalten von Werkzeugmaschinen berücksichtigt und die Wechselwirkungen zwischen beiden Aspekten integriert. Es ist vorgesehen, eine gekoppelte Analysemethode einzusetzen, die auf schnell rechnenden, physikalisch basierten thermo-elastischen Modellen aus dem Sonderforschungsbereich/Transregio aufbaut. Der Lösungsweg umfasst zunächst eine getrennte Optimierung des dynamischen und des thermischen Verhaltens. Für jede Domäne werden spezifische Methoden und Algorithmen verwendet. Anschließend werden diese Methoden zu einer kaskadierten, multi-kriteriellen Optimierungsmethode zusammengeführt. Dabei werden Kriterien wie Masse, Steifigkeit, Temperaturhub und thermisch bedingte Verformungen berücksichtigt. Ziel ist es, eine Werkzeugmaschinenstruktur zu finden, die sowohl die dynamischen als auch die thermischen Anforderungen erfüllt. Um die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Verhaltensbereichen zu berücksichtigen, werden dynamische, thermische und thermo-elastische Modelle integriert. Dabei werden ordnungsreduzierte FE-Modelle und Knotenpunktmodelle verwenden, um das Temperaturfeld effizient berechnen zu können. Diese Integration bildet die Grundlage für die hybride Optimierung der Werkzeugmaschinenstruktur. Durch die Entwicklung einer gekoppelten Optimierungsmethode, die sowohl das dynamische als auch das thermische Verhalten berücksichtigt, wird das Projekt dazu beitragen, die Produktivität, Genauigkeit und Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen zu steigern. Die Forschung wird einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen leisten und die Werkzeugmaschinenindustrie auf dem Weg in eine nachhaltige Zukunft unterstützen.

• DFG-Verfahren: Transregios (Transferprojekt)
• Teilprojekt zu: TRR 96: Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen - Eine systemische Lösung des Zielkonflikts von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität am Beispiel der spanenden Fertigung
• Antragstellende Institution: Technische Universität Dresden
• Teilprojektleiter: Professor Dr.-Ing. Steffen Ihlenfeldt