Störende Schwingungen treten in allen Maschinen und Fahrzeugen auf. Quellen sind unter anderem Antriebe, gewollte und ungewollte Unwuchten sowie wiederkehrende Bewegungsabläufe. Im Werkzeugmaschinenbau kommt als bedeutendste Schwingungsquelle die spanabhebende Bearbeitung selbst hinzu. Die von ihr erzeugten Schwingungen begrenzen die Stabilität des Bearbeitungsvorgangs.
Verschärft wird die Schwingungsthematik durch die stete Forderung, die Produktivität der Werkzeugmaschinen durch Erhöhen der Bearbeitungsdynamik zu steigern. Realisiert wird dies, indem die Masse bewegter Baugruppen reduziert und ihre Steifigkeit erhöht wird – das erlaubt höhere Beschleunigungen. Erfolgt die Massereduktion jedoch ohne Dämpfungsmaßnahmen, steigt die Ratterneigung bei gleicher Schwingungsenergie schnell über die zulässigen Toleranzen. Um den stabilen Bearbeitungsbereich zu erhalten oder zu erweitern, müssen also parallel zum Leichtbau zusätzlich Maßnahmen zur Schwingungsdämpfung ergriffen werden [1, 2].
Ingenieure der Fraunhofer-Gesellschaft greifen einen neuen werkstofflichen Ansatz auf, um Leichtbau und Schwingungsdämpfung in Einklang zu bringen und Schwingungen in Werkzeugmaschinen bei verringerten Massen wirkungsvoll zu reduzieren.
Schwingungsdämpfung kann aktiv und passiv erfolgen. Aktive Dämpfung wird durch Einleiten von Gegenschwingungen und die Auslöschung durch Interferenz erreicht. Passive Schwingungsdämpfung erfolgt durch Einbringen zusätzlicher Massen oder über das Verformen von Werkstoffen mit hoher Eigendämpfung. Für Leichtbauanwendungen steht die Option der Masseerhöhung nicht zur Verfügung. Daher werden hier zur Schwingungsdämpfung vor allem Elastomere und in Kleinserien Aluminiumschäume eingesetzt. In Metallschäumen führen lokale mikroplastische Verformungen und Reibung von Rissufern zur Schwingungsdämpfung [2–5], setzen aber – wie auch bei Elastomeren – für den Dämpfungseffekt eine Verformung voraus.
Bisher Gegenspieler:
Steifigkeit und Dämpfung
Diese zur Schwingungsdämpfung notwendige Verformung läuft der Forderung nach hoher Steifigkeit zuwider. Das gilt zum Beispiel für Aluminiumsandwiches mit Stahldecklagen, wie sie die Abbildung zeigt: Die hochsteifen Decklagen schränken die Verformung des Aluminiumschaums ein, die erwünschte hohe Steifigkeit wirkt sich kontraproduktiv für eine gute Dämpfung aus.
Dieses Dilemma löst nur ein Werkstoff, der Schwingungen als starrer Körper ohne eigene Verformung dämpft. Metallische Hohlkugeln, die mit jeweils einer kleinen Menge frei beweglicher keramischer Partikel gefüllt sind, erfüllen genau diese Bedingung. Werden die partikelgefüllten Hohlkugeln (pHK) in Schwingungen versetzt, übertragen sie die Schwingungsenergie auf die Partikel. Stöße und Reibung der Partikel untereinander und an der Innenwand der Hohlkugeln wandeln diese Energie in Wärme um.
In einem Fraunhofer-internen Vorlaufforschungsprojekt haben die Autoren für Aluminiumschäume und partikelgefüllte Hohlkugeln jeweils einzeln den Nachweis erbracht, dass sie ein erhebliches Dämpfungsvermögen bei niedrigerem Gewicht aufweisen [3]. Hierauf baut die Idee auf, die Dämpfungsmechanismen beider zellulären Werkstoffe zu nutzen. Die Fraunhofer-Forscher tauften den Werkstoffverbund „Hoverlight“ – ein Synonym für „schwebend leicht“.
Damit das Hoverlight-Material hohe Lasten aufnehmen kann, wird es mit hochfesten Decklagen wie Stahl zum Sandwich kombiniert, das sich dann als Leichtbau-Konstruktionshalbzeug verwenden lässt.
Hergestellt werden Sandwiches mit Hoverlight-Kern, indem schäumbares Aluminium mit partikelgefüllten Hohlkugeln zwischen Stahldeckblechen positioniert und der Verbund einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Das Aluminium schäumt dabei auf und schließt die Hohlkugeln ein. Der Schaum verbindet sich mit den Decklagen und den Metallhohlkugeln stoffschlüssig (Abbildung), ohne Klebstoffeinsatz.
Mit Resonanzfrequenz-Dämpfungsanalysen (RFDA) wurde das Dämpfungsvermögen von Hoverlight-Sandwichriegeln ermittelt. Die Dämpfungswerte der reinen Alu-Schaumriegel und der Sandwiches aus Alu-Schaum und Stahldeckblechen liegen im beziehungsweise über dem Wertebereich von Grauguss – einem sehr gut dämpfenden und im Maschinenbau genutzten Werkstoff. Die Hoverlight-Materialien hingegen liegen in ihrer Dämpfung um ein bis zwei Größenordnungen über reinen Aluminiumschaumsandwiches (Abbildung)!
Mehr als die 10-fache Dämpfung mit Hoverlight
Eine weitere Abbildung zeigt Dämpfungswerte von Hoverlight- und Vergleichsmaterialien in Abhängigkeit von der Steifigkeit (E-Modul) der Proben. Die Steifigkeit von Sandwiches wird weitgehend durch deren Geometrie bestimmt. Mit Hoverlight-Sandwiches lassen sich dieselben Steifigkeiten wie mit den bekannten Aluminiumschaumsandwiches erreichen. Im Vergleich zu diesen ist aber eine mehr als zehnfache Dämpfung möglich. Die Hoverlight-Sandwiches erreichen damit eine Kombination aus E-Modul und Dämpfung, wie sie noch kein konventioneller Werkstoff erreicht hat.
Perspektiven für den Werkzeugmaschinenbau
Die Ergebnisse demonstrieren, dass sich der Verbundwerkstoff Hoverlight im Labormaßstab herstellen lässt und wie prognostiziert ein sehr hohes Dämpfungsvermögen bietet. In einem bereits in der Beantragung befindlichen AiF-Forschungsprojekt sollen nun der Aufbau des Hoverlight-Materials verbessert und die Abmessungen der Halbzeuge auf praxisrelevanten Größenordnungen von mindestens 500 x 500 x 10 mm³ skaliert werden. Aus diesen Halbzeugen lassen sich komplette Baugruppen fertigen. Der Einsatz des neuen Werkstoffs erfolgt dann gezielt an den Stellen mit den größten Schwingungsamplituden, wie sie in der abgebildeten CAD-Darstellung angedeutet sind.
Mit erreichter Skalierung der Halbzeuge wird den Werkzeugmaschinenherstellern ein hochdämpfender Verbundwerkstoff an die Hand gegeben, der sich im Zuge von Modernisierungsmaßnahmen problemlos in Bestandsanlagen nachrüsten lässt. Es ist jedoch zu erwarten, dass sich das höchste Potenzial bei neu entwickelten Werkzeugmaschinen ausschöpfen lässt. Aber auch das Austauschen einzelner Baugruppen verbessert die Bearbeitungsgenauigkeit signifikant. Das gilt insbesondere dann, wenn stark schwingende Segmente unkompliziert durch Hoverlight-Halbzeuge ersetzt werden können. Uneingeschränkt möglich ist dies für Schweißkonstruktionen.
Wir bedanken uns bei der Zeidler-Forschungs-Stiftung für die finanzielle Förderung des Forschungsvorhabens ZFS-172 mit dem Titel „Hoverlight – Hochdämpfender Verbundwerkstoff für den Leichtbau“.
Schrifttum
[1] R. Neugebauer (Hrsg.): Werkzeugmaschinen – Aufbau, Funktion und Anwendung von spanenden und abtragenden Werkzeugmaschinen, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2012
[2] T. Hipke, G. Lange, R. Poss: Taschenbuch für Aluminiumschäume. Düsseldorf, Aluminium Verlag, Aluminium-Verl., 2007.
[3] O. Andersen et al.: Hochdämpfende Sandwiches mit zellularem Stahlkern für die Anwendung im Maschinenbau. In: R. Kasper et al. (Hrsg.): Forschung in Bewegung, 9. Magdeburger Maschinenbau-Tage, 30.09.-01.10.2009, Tagungsband. Magdeburg, 2009, S. 533–544.
[4] J. Hohlfeld, T. Hipke: Zellulare Metalle auch in Werkzeugmaschinen – Chemnitzer bauen weltgrößtes Metallschaumteil für Fräsmaschine. In: Industrieanzeiger 127 (2005), Heft 30, S. 29–30.
[5] U.-V. Jackisch, M. Neumann: Maschinengestelle für hochdynamische Produktionstechnik – Anforderungen, alternative Werkstoffe, Entwicklungs- und Fertigungsansätze, Anwendungen. Landsberg am Lech, Verlag Moderne Industrie, 2014.
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Kontakt: Jörg Hohlfeld,
Tel. +49 371 5397-1496,
joerg.hohlfeld@iwu.fraunhofer.de
