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Piezo-Aktor und CFK schützen die Spindellager

Maschinenbau: Bessere Antriebskomponenten und Konzepte
Piezo-Aktor und CFK schützen die Spindellager

Prototypen von Maschinenelementen zeigen, dass die konstruktiven Möglichkeiten im Maschinenbau noch nicht ausgereizt sind. Auf der Hannover Messe waren neue Ideen für Werkzeugmaschinen und Roboter in der Forschungshalle zu entdecken.

Nicht allein die Schlüsseltechnologien lockten Besucher in die Halle 18: Neben Nanotechnologie-, Photonik- und Bionik waren neue Komponenten und Konzepte für den Maschinen- und Anlagenbau zu sehen.

Ingenieure der Fachhochschule Jena haben den Prototypen eines luftgelagerten Drei-Koordinaten-Planarmotors mit zur Messe gebracht. Er bewegt sich in der Fläche und kann sich frei drehen, wobei die einzige Grenze durch die Leitungen der Energiezuführung gesetzt ist. Der Antrieb bewegt sich auf einer Stahlplatte mit dünner Kupferschicht und lässt sich über gezielte Be-stromung in Ruhelage halten. Der Motorkopf ist mit vier Induktoren ausgestattet, die rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Die Vorschubkraft erzeugen die Induktoren für die y-Koordinate, die gemeinsam angesteuert werden. Ob ein Moment für die Drehung erzeugt wird, bestimmen die getrennt angesteuerten Induktoren für die x-Koordinate. An einem Punkt hapert es allerdings noch: Es gibt kein geeignetes Mess-System, um auch die Drehbewegungen zu erfassen. An einer Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern sind die Jenaer daher interessiert.
Ein adaptives Spindelsystem, den Smart Rotor, entwickelt ein Netzwerk aus zehn Unternehmen zusammen mit Forschern des Zentrums Fertigungstechnik Stuttgart (ZFS). Bereits als Prototyp liegt ein neuartiger Biegeaktor mit Piezoelementen vor, der sich in die Welle integrieren lässt. Er soll Unwuchten minimieren, die durch Spannungsfehler der HSK-Schnittstelle hervorgerufen werden. Daneben könnte er kleine Werkzeugkorrekturen für die Präzisionsbearbeitung vornehmen. Der Aktor lässt sich regeln und kann Abweichungen bis zu 6 µm in einer Richtung ausgleichen. Geplant ist, den Smart Rotor zu verbessern und eventuell zur aktiven Schwingungsbekämpfung einzusetzen, um so die Lager zu schützen.
Das Wohl der Spindellager haben auch Wissenschaftler des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) im Auge. Ihr Ansatzpunkt sind die Probleme, die durch Temperaturveränderungen auftreten. Thermischen Verlagerungen der Hauptspindel wollen die Berliner mit einem Spindelkasten aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) vorbeugen. Wohin sich eine CFK-Struktur ausdehnt, lässt sich durch die Anordnung der Fasern beeinflussen: Parallel zur Faserrichtung hat CFK einen negativen Ausdehnungskoeffizienten. Zurzeit arbeiten die Forscher an einer praxisgerechten Lösung für ein Drehmaschinenschrägbett. An ihrem Prüfstand haben sie bereits ermutigende Ergebnisse erzielt: Senkrecht zur Arbeitsebene lassen sich die Verlagerungen der Spindelachse um 70 % reduzieren, wenn der Spindelkasten aus CFK statt aus dem Gussmaterial GG-25 hergestellt ist. Die Neigung der Spindelachse haben sie um 15 % verringert.
Mit einem anderen Exponat demonstrierte das Institut die Arbeiten an einer seil-getriebenen Parallelkinematik. Mit acht Spezialseilen haben die Forscher eine Plattform aufgespannt. Rollen an den Eckpunkten des Arbeitsraumes lenken die mit Linearantrieben verbundenen Seile um, so dass sich die Plattform räumlich positionieren lässt. So wollen die Berliner ein Konzept für eine seilgetriebene HSC-Maschine erarbeiten, die ein günstiges Verhältnis von Bau- und Arbeitsraum aufweist. Mit den Seilen entfallen Begrenzungen, die durch die Länge der zug- und druckbe-lasteten Stäbe bisher gegeben waren.
Auf ein neues Konzept setzt auch der Sonderforschungsbereich 562 an der TU Braunschweig. Der Versuchsträger Parma, ein Parallelroboter mit drei angetriebenen Führungsketten, positioniert die Plattform für Werkzeug oder Greifer in einer Ebene. Er erreicht Beschleunigungen von 10 g und Geschwindigkeiten bis 4 m/s und soll eingesetzt werden, um Regelverfahren für Hochgeschwindigkeitsroboter zu erproben.
Mit solchen Exponaten könnte sich eine Sonderschau Maschinenbau lohnen – wie es aussieht, sind Forscher um neue Ideen für die Old Economy nicht verlegen. op
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