Intelligente Leichtbaustrukturen für hybride Werkzeugmaschinen (HYBRIDi)

Problemlage
Zurzeit werden Werkzeugmaschinenstrukturen fast ausschließlich aus metallischen Konstruktionswerkstoffen hergestellt. Der Einsatz innovativer Leichtbauwerkstoffe sowie die damit mögliche hybride Material- und Strukturbauweise sind im Bereich der Werkzeugmaschinen noch weitestgehend unerforscht. Derzeitige Leichtbaustrategien im Werkzeugmaschinenbau nutzen Optimierungsmethoden, die von einem homogenen Materialeinsatz ausgehen. Es gibt erste Ansätze zum Einsatz von Faserverbundwerkstoffen in Werkzeugmaschinenstrukturen. Allerdings werden die sich dabei bietenden Gestaltungsfreiheiten oftmals wegen einer unzureichenden Berücksichtigung der materialspezifischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs nicht vollständig ausgenutzt. Die Integration sensorischer Elemente für die Prozess- und Maschinenzustandsüberwachung in die Maschinenstruktur werden industriell bislang nicht umfassend umgesetzt. Schließlich ist die Frage unbeantwortet, wie sich Überwachungssensoren und Sensornetze in materialhybride Leichtbaumaschinenstrukturen funktionsgerecht und wirtschaftlich integrieren lassen. Gerade die Umsetzung von maschinenintegrierten Überwachungs- und Diagnosefunktionen ist von entscheidender Bedeutung. Durch sie kann die Leistungsfähigkeit der Maschinen auch unter widrigen Umgebungs- und Einsatzbedingungen überprüft und sichergestellt werden.

Zielstellung
Das Ziel des Forschungsprojekts HYBRIDi ist die Erforschung und Realisierung einer spindeltragenden vertikalen Bewegungsachse (Z-Schlitten) als intelligente Leichtbaukomponente sowie deren Erprobung in einer bereits existierenden Werkzeugmaschine.

Vorgehensweise
Als Material für den Z-Schlitten werden Faserverbund- und Kompositwerkstoffe in Verbindung mit metallischen Strukturen innerhalb eines Hybridsystems verwendet. Dazu soll eine detaillierte Untersuchung und Entwicklung von Materialschnittstellen erfolgen. Effiziente Verfahren zur Herstellung der Komponente stellen einen weiteren Entwicklungsschwerpunkt dar. Gleichzeitig wird der Einbau von einfach herzustellenden und zu integrierenden Sensornetzen in die Verbundstrukturen erforscht. Dadurch soll eine Überwachung des Struktur- und Prozessverhaltens möglich sein. Die Auslegung und Optimierung der intelligenten Strukturkomponente wird von einer durchgängigen Maschinen- und Prozesssimulation für das Fräsen begleitet und unterstützt.

Ergebnisverwertung
Der Z-Schlitten soll innerhalb der Versuchsmaschine unter Fertigungsbedingungen eingesetzt und erprobt werden. Eine Reduzierung der Masse der Komponente um ca. 25 v. H. bei gleichzeitiger Verbesserung der Dämpfungseigenschaften der Struktur wird erwartet. Höhere Stabilitätsgrenzen bei der Fräsbearbeitung und höhere Ruckbegrenzungswerte sollen erreicht werden. Außerdem soll eine Reduzierung der Energieaufnahme der Vorschubantriebe bei vergleichbaren Prozessparametern erzielt werden. All das erhöht die Qualität und Effizienz der Werkstückbearbeitung auf der Werkzeugmaschine.

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