Spannsystem gleicht Schwingungen aus

Für die Industrie-4.0-Produktion müssen nicht nur Informationen effektiv und effizient verarbeitet werden. Die Produktionsmittel selbst müssen physisch in der Lage sein, ihre geometrische Form und Kinematik flexibel an die Aufgabe anzupassen. Eine steigende Produktvielfalt bildet für zerspanende Herstellungsverfahren eine große Herausforderung. Fräsprozesse, vor allem bei lang auskragenden und dünnwandigen Teilen, werden durch Schwingungen oft stark in ihrer Leistungsfähigkeit beeinträchtigt.

Das Aachener Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) entwickelt deshalb im Projekts „FixTronic“ gemeinsam mit Partnern ein flexibles, mechatronisches Spannsystem. Es soll Prozessschwingungen und Instabilitäten durch aktive Schwingungsdämpfung und Drehzahlanpassung der Maschinenspindel minimieren. So werden während der Fräsbearbeitung Informationen über den Zustand des Werkstücks anhand von Sensoren im Spannsystem erfasst und mit einer adaptiven Regelung verknüpft. Durch Piezoaktoren wird eine gezielte Gegenschwingung im Werkstück erzeugt, die die Schwingungen deutlich reduziert. Das Stabilisierungssystem ermöglicht so den Einsatz leistungsfähiger Prozessparameter bei gleichzeitig hoher Qualität der Produktionsergebnisse.

Durch die adaptive Regelung des Systems können Werkstücke mit unterschiedlicher Geometrie prozesssicher eingespannt werden – dadurch schließt sich die Flexibilitätslücke in der spanenden Fertigung. Die Vernetzung mit der Werkzeugmaschine ermöglicht das effektive Überwachen des Stabilitätsverhaltens im Werkstück und erlaubt so prozesssicheres Bearbeiten.

Bei konventionellen Spannsystemen führen Schwingungen zu einer schlechteren Oberflächenqualität des Werkstücks, höherem Werkzeugverschleiß, stärkerer Geräuschentwicklung und höheren Fertigungstoleranzen. Häufig werden einfach die Prozessvorschübe reduziert, um so die Schwingungen zu minimieren. Dies verlangsamt jedoch den Prozess und erhöht die Herstellungskosten des Bauteils. Gleichzeitig werden die Schwingungserscheinungen nur reduziert, Werkzeug und Werkstück können aber dennoch beschädigt werden. In Versuchen lassen sich für Serienprozesse geeignete Parameter für ein stabiles Prozessfenster ermitteln. Für die Industrie-4.0-Produktion, bei der flexibel individualisierte Teile in der Stückzahl 1 hergestellt werden sollen, ist die Suche nach einem stabilen Prozess durch Versuche jedoch nicht der richtige Weg.

Durch den neuen Ansatz im FixTronic-Projekt wird das Werkstück selbst zum Informationsträger für die autonome Prozesssteuerung durch das Produkt. Das Projekt wird im Rahmen des Programms “Leitmarktwettbewerb Produktion.NRW“ von Juli 2016 bis Juni 2018 mit einer Gesamtsumme von 910 086,75 Euro gefördert. Projektpartner sind CP autosport, Büren, das Fraunhofer IEM, Paderborn, das Fraunhofer IPT, Aachen, Innoclamp, Aachen und die WBA Aachener Werkzeugbau Akademie. (mw)