Die Leichtigkeit des Werkstoffes

Höhere Dynamik trotz geringerer Antriebsleistung lautet ein Entwicklungsziel im Werkzeugmaschinenbau. Wie in der Automobilindustrie spielt auch hier der Leichtbau eine Schlüsselrolle. Einzelne Maschinen, bei denen bewegliche Komponenten aus Faserverbundstoffen hergestellt sind, gibt es bereits. Etwa die hochdynamische Laserschneidanlage TruLaser 7040 der Ditzinger Trumpf GmbH & Co. KG, deren Querträger optional aus kohlefaserverstärktem Kunststoff besteht.

Um diese Technologie aus der Nischen zu holen, haben sich Unternehmen und Institute aus Thüringen zusammengefunden. Sie wollen im Projekt „FiLiMA – Funktionsintegrierter Leichtbau im Maschinen- und Anlagenbau“ die Besonderheiten der Werkstoffe untersuchen. Das Projekt soll Potenziale des Leichtbaus aufzeigen und helfen, diese auszuschöpfen sowie wettbewerbsfähige Produkte zu generieren. Als einer der am Projekt beteiligten Anwender wird die Samag Saalfelder Werkzeugmaschinen GmbH anhand von Demonstratoren den Einsatz von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) in den dynamisch belasteten Portaleinheiten ihrer Bearbeitungszentren bewerten.

Die Konstruktion mit FVK setzt – anders als bei Stahl und Aluminium – grundlegende Kenntnisse über den Werkstoff voraus, weil dieser sehr spezifische Eigenschaften aufweist. Um Einbußen bei der Steifigkeit und Festigkeit zu vermeiden, gilt es, die Fasern mit der Belastungsrichtung abzustimmen. In mehrachsigen dynamischen Systemen müssen diese Eigenschaften zwingend zu Beginn der Konstruktion berücksichtigt werden. Bisher wurden diese Materialien laut Samag noch nicht für die Kernachsen in Werkzeugmaschinen verwendet. Meist beschränkte sich ihr Einsatz auf die Verkleidungen. Das erweiterte Wissen um Faserverbundstoffe soll nun dazu beitragen, diese auch im Bereich der Antriebsachsen von Werkzeugmaschinen zu verwenden. Aufgrund geringerer Massenträgheit sind mit FVK-Bauteilen höhere Beschleunigungen möglich. Das soll helfen, die Nebenzeiten weiter zu reduzieren. Ein willkommener Nebeneffekt sind die geringeren benötigten Antriebsleistungen bei entsprechender Auslegung der Motoren. Im Rahmen des Projekts ist vorgesehen, Versuchsträger und Demonstratorbauteile aus FVK für dreiachsige Portal-Baugruppen herzustellen.

Eine weitere Entwicklungsrichtung sieht vor, nicht nur reine FVK-Bauteile für die gesamte Portalachse einzusetzen, sondern auch Hybridkomponenten zu entwerfen, die die Anbindung an bestehende Baugruppen vereinfachen. Basierend auf den Erkenntnissen, die mit dem Versuchsträger gewonnen werden, will Samag die komplexe Geometrie eines Portalachsträgers in einem Bearbeitungszentrum der Baureihe MFZ als Demonstratorteil aufbauen. Dieses Bauteil dient als Trägerbalken der Y-Achse und nimmt die komplette X- und Z-Achskombination auf. Der Lastfall ist damit dreidimensional und hochdynamisch, die Geometrie des Körpers aber zunächst überschaubar. Um die Lastinformationen und Herstellbedingungen in künftige Konstruktionen einbeziehen zu können, erfolgt eine fertigungsbegleitende Betreuung. Auftretende Kräfte, Verformungsverhalten, Massenträgheiten, Verfahrbewegungen und Dauerlasteigenschaften bei Versuchsträger und Demonstratorbauteil werden eingehend geprüft und ausgewertet.

Ein langfristiges Projektziel ist das Einbeziehen des Maschinenbaus in energieoptimierte Produktionskonzepte. Bislang wurde die werkstoffspezifische Forschung hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt umgesetzt. Nun soll auch für mittelständische Unternehmen im Maschinen- und Anlagenbau die nötige Infrastruktur geschaffen werden. hw