Ausgabe zur EMO 2017

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LEICHTBAU
TEXT:
VEREIN DEUTSCHER
WERKZEUGMASCHINENFABRIKEN E.V. (VDW),
CORNELIUSSTRASSE 4
60325 FRANKFURT
GERMANYH öchstfeste Werkstof-
fe sind nicht nur im
Flugzeug- und Auto-
mobilbau, sondern
auch im Maschinenbau sehr
beliebt, weil sie oft vergleichs-
weise leicht und zugleich sehr
stabil sind. Werkzeugmaschi-
nen stoßen jedoch beim Zer-
spanen dieser Materialien
nicht selten an ihre physikali-
schen Grenzen. Abhilfe bieten
Maschinenstrukturteile aus
leichten Faserverbundwerk-
stoffen. Welche schwierigen
Klippen dabei zu bewältigen
sind, zeigt der Einblick in ein
noch nicht abgeschlossenes
Forschungsprojekt des Aache-
ner Fraunhofer-Instituts für
Produktionstechnologie IPT,
das auch auf der EMO Hannover
präsentiert wird.
CFK statt Stahl
sorgt für mehr Dynamik
Die Aachener gehen beim Op-
timieren von Konstruktionen üb-
licherweise ganzheitlich vor. Das
heißt: Die Konstruktion der ge-
samten Maschine steht im Blick-
feld der Wissenschaftler, also
auch die Entwicklung wichtiger
Antriebselemente der Werkzeug-
maschine. Aktuell untersuchen
die Aachener Forscher gemein-
sam mit einem Werkzeugmaschi-
nenhersteller aus Magdeburg,
wie sich eine neuartige Maschi-
nenkomponente für senkrechte
Bewegungen (Z-Achse) aus Koh-
lefaserverbundkunststoff (CFK)
in einer Werkzeugmaschine ver-
hält und wie sich der Z-Schlitten
optimieren lässt.
"Mit der Entwicklung des CFK-
Schlittens starteten wir 2013",
erzählt Christoph Tischmann,
Niederlassungsleiter der MAP
Werkzeugmaschinen GmbH aus
Magdeburg. "Wir verfügen be-
reits über viel Erfahrung mit Li-
near- und Rundachsen, etwa zum
Bearbeiten von Aluminium. Doch
für hochfeste Werkstoffe wie die
Titanlegierung Inconel besitzen
sie nicht die nötige Antriebsleis-
tung." Daher entschied sich MAP
zur Entwicklung einer Werkzeug-
maschine mit sehr starken An-
trieben: So kommen nun 55- und
72-Kilowatt-Spindeln (Drehmo-
ment 210 bzw. 273 Newtonme-
ter im S1- bzw. S6-Betrieb) zum
Einsatz, die deutlich schwerer
und größer ausfallen. "Um bei
der Dynamik keine Abstriche zu
machen, suchten wir nach einer
Möglichkeit, das größere Ge-
wicht zu kompensieren", erklärt
Tischmann. "Daher entschieden
wir uns für die CFK-Variante."
Zum Vergleich: Vorher arbeite-
te die Werkzeugmaschine in der
Z-Achse mit Spindeln mit einer
Leistung von 28 bis 36 Kilowatt.
Es handelt sich also in etwa
um eine Verdoppelung der An-
triebsleistung. Gleichzeitig sinkt
durch den Einsatz von CFK die
Masse gegenüber einer aus Stahl
hergestellten Achse um rund 60
Prozent. "Wir wollen aber kein
bestimmtes Zielgewicht errei-
chen, sondern streben ein op-
timales Verhältnis zwischen Ge-
wicht und Steifigkeit an", erklärt
der wissenschaftliche Mitarbeiter
Filippos Tzanetos vom Fraunho-
fer IPT.
Denn es stellt sich die Frage,
wie sich der Wechsel von einem
Stahlführungsschlitten zu ei-
ner CFK-Konstruktion mit einem
rund doppelt so schweren An-
trieb auf die Gesamtkonstruk-
tion auswirkt. Das Fraunhofer
IPT hat dazu die thermischen
und dynamischen Reaktionen
der gesamten Maschine auf den
Z-Führungsschlitten analysiert.
"Die Maschine wurde auf Herz
und Nieren geprüft", berich-
tet Tischmann. "Anhand dieser
Messungen entstanden mehrere
Lösungsansätze, um die Konst-
ruktion zu verbessern."
Gesamte Konstruktion wird an
neuen Werkstoff angepasst
Weil sich Werkstoffe nicht ein-
fach eins zu eins ersetzen lassen,
gilt es, die Konstruktion an das
neue Material anzupassen. Hier
hat sich in der Praxis die so ge-
nannte Finite-Elemente-Simula-
tion bewährt. "Wir sehen uns im
Detail auf dem Computer die loka-
len Stellen der Konstruktion mit
der größten Nachgiebigkeit an,
um die Ursachen zu ermitteln",
erklärt Tzanetos. "Anschließend
versuchen wir, einige bisherige
Komponenten durch Bauteile aus
Aluminium oder CFK zu ersetzen
oder das dynamische Verhalten
an bestimmten kritischen Stellen
durch Versteifungen oder Rippen
zu verbessern."
Die Arbeit mit CFK ist für Kon-
strukteure eine besondere Her-
ausforderung, denn der Werkstoff
verhält sich anisotrop: Laut Defi-
nition beschreibt die Anisotropie
die Richtungsabhängigkeit einer
Eigenschaft oder eines Vorgangs.
Das heißt, bei Faserwerkstof-
fen hängt die Steifigkeit oder
Festigkeit von der Richtung der
Fasern ab. Ein CFK-Bauteil ver-
hält sich jedoch beim Simulieren
anders als in der Wirklichkeit.
Tzanetos nennt die Details für
Fachleute: "Die Aussagekraft der
Simulation wird mit der Unsi-
cherheitsfortpflanzung nach DIN
ISO 21748:2014-05 geschätzt.
Die Unsicherheit der Parameter
des Modells hat einen gewissen
Einfluss auf die Unsicherheit der
Ausgangsvariablen des Modells.
Dieser wird mit der Monte Carlo-
Simulation errechnet."
Hilfestellung erhält das
Fraunhofer-Institut bei derar-
tigen Projekten oft von ande-
ren Instituten oder Spinn-offs,
doch in diesem Fall fanden die
Wissenschaftler Unterstützung
im eigenen Haus. "In unserem
Institut gibt es die Abteilung
für Faserverbund- und Lasersys-
temtechnik", berichtet Tzanetos.
"Diese Abteilung hat über viele
Jahre hinweg Kompetenzen im
Bereich der Auslegung von Werk-
zeugmaschinenkomponenten aus
Faserverbundkunststoffen (FVK)
aufgebaut und steht uns bei der
Projektbearbeitung durch vor-
handenes Simulations-Know-how
für Faserverbundbauteilausle-
gung tatkräftig zur Seite."
Kompetenzen zu bündeln,
sichert den Erfolg
Eine derartige Unterstützung
ist für die Lösung von Frage-
stellungen im Bereich der Ver-
wendung von FVK-Komponenten
im Maschinen- und Anlagenbau
unumgänglich, da diese Werk-
stoffe aufgrund ihrer anisotro-
pen Eigenschaften hier eher
selten Anwendung finden. "Bis-
lang besteht diese vornehme
Zurückhaltung gegenüber des
FVK-Einsatzes, weil anders als
bei konventionellen Werkstoffen
nicht auf existierende Konstruk-
tions- und Auslegungsstandards
zurückgegriffen und daher nicht
ohne weiteres eine Vorhersage
getroffen werden kann, wie sich
ein FVK-Bauteil im Zusammen-
spiel mit der restlichen Maschi-
nenstruktur dynamisch verhält",
erklärt der Aachener Wissen-
schaftler. "Fehler entstehen,
wenn ein Bauteil zum Beispiel
nur auf die Steifigkeit in eine
Achsrichtung ausgelegt wird, je-
doch die Steifigkeit in den wei-
teren Achsrichtungen unberück-
sichtigt bleibt. Wenn wir aber
mit Simulationstools sowohl
FVK-Komponente als auch die
Werkzeugmaschinendynamik fein
aufeinander abstimmen, kann
nichts schiefgehen. Zur Lösung
der Problemstellung werden da-
her die notwendigen Kompeten-
zen innerhalb dieses Projekts in
unserem Hause vereint."
Lasern statt Kleben
Kritisch ist auch das Verbinden
von CFK mit Metallen. Bisher kam
hier ein Klebeverfahren zum Ein-
satz, das allerdings laut Tzanetos
vier Nachteile aufweist:
• Die CFK-Fläche muss
mechanisch bearbeitet
werden.
Dies führt zu Unstetigkeit und
Schwächung der CFK-
Eigenschaften.
• Es garantiert nur eine niedrige
Festigkeit (pro Fuge: 10 bis
40 Megapascal).
• Es hängt stark ab von den
Umgebungsbedingungen
(z.B. Temperatur, Verunreini-
gungen, Späne, Kühlschmier-
stoff).
• Geklebte Verbindungen
besitzen eine niedrige
Verschleißfestigkeit.
Alle diese Nachteile behebt
ein Laserverfahren. Doch nicht
nur die Verbindungstechnik sieht
der MAP-Niederlassungsleiter als
problematisch an. "Um die ex-
akten Positionier- und Wieder-
holgenauigkeiten der Maschine
auch bei hoher Dynamik zu ge-
währleisten, schaben wir u.a. die
Auflagen der Linearführungen
manuell ab", sagt Tischmann.
"Es ist für uns nun eine enorme
Herausforderung, das auch bei
CFK hinzubekommen."
Trotz aller Schwierigkeiten
habe sich der Wechsel zu CFK
gelohnt, meint der Experte mit
Blick auf die EMO Hannover. Der
Werkzeugmaschinenhersteller
denkt an einen gemeinsamen In-
fostand mit dem Fraunhofer IPT,
um die Fortschritte und Vorge-
hensweisen mit diesem "neuen
Werkstoff" vorzustellen. "Prinzi-
piell möchten wir am Ende die-
ses Projektes eine dynamische,
präzise und vor allem kraftvolle
Maschine auf den Markt brin-
gen", erklärt Tischmann. "Diese
soll sich speziell im Aerospace-
Bereich etablieren."
EMO Hannover inspiriert
auch die Wissenschaft
Auch der IPT-Wissenschaftler
sieht Kooperationsprojekte wie
das mit der MAP Werkzeugma-
schinen GmbH als eine gute
Möglichkeit, um im Austausch
mit der Industrie neue Wege zu
gehen. Das aktuell noch laufen-
de Projekt hat den Aachenern
Mut gemacht, mit Industrie-
partnern in Sachen CFK weiter
voranzugehen. Weiterführende
Anregungen zu vergleichba-
ren Werkstoff-Fragen und zum
Leichtbau erhalten Tzanetos
und Kollegen aus der Wissen-
schaft im September auf der
EMO Hannover.
Profile
Fraunhofer IPT, Aachen
Das Institut erarbeitet Sys-
temlösungen für die vernetzte,
adaptive Produktion. Die Auf-
traggeber und Kooperationspart-
ner kommen aus der gesamten
produzierenden Industrie – aus
der Luft- und Raumfahrttechnik,
dem Automobilbau und seinen
Zulieferern, dabei vor allem aus
dem Werkzeug- und Formenbau,
der feinmechanischen und opti-
schen Industrie, aber auch aus
den Life Sciences und vielen
anderen Branchen. Betriebshaus-
halt 2016: rund 27,9 Mio. Euro;
Mitarbeiter: 450
MAP Werkzeugmaschinen
GmbH, Magdeburg
Im Jahre 1995 wurde die
MAP von Know-how-Trägern der
ehemaligen Fritz Werner Werk-
zeugmaschinen GmbH gegrün-
det. Aktuell werden bei MAP die
Bereiche Konstruktion, sowohl
elektrisch als auch mechanisch,
Fertigung, Service und Spindel-
service abgedeckt. Zusätzlich
entstehen Synergieeffekte durch
den Vertriebspartner Lerinc
Werkzeugmaschinen & Automati-
on GmbH aus Heiligenhaus, der
sowohl den Vertrieb als auch die
administrative Verwaltung abbil-
det.
Die heutige MAP Werkzeug-
maschinen GmbH zeichnet sich
nicht nur durch Know-how und
fachliche Kompetenz in den ge-
nannten Bereichen aus, sondern
auch durch viele Jahre intensi-
ver Branchenerfahrung im Ma-
schinenbau und in der Zerspa-
nungsindustrie. Daher gibt es
mittlerweile auch ein namhaftes
Kundenspektrum, u.a. in der Au-
tomobil- und Aerospace-Branche.
Mitarbeiter: 75
Nimm’s leicht: Mehr Dynamik
mit Vitamin C(FK)
EMO Hannover 2017 liefert inspirierende Ideen zum Leichtbau