Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »FixTronic«
Industrie 4.0 im Fräsprozess: Geringere Schwingungen durch aktive Dämpfung und angepasste Drehzahlen
Schwingungen während der Fräsbearbeitung mindern die Prozessleistungsfähigkeit und führen zu raueren Oberflächen sowie zu hohem Werkzeugverschleiß und Werkstückausschuss. Um Schwingungen zu minimieren wird in Unternehmen oft eine Trial-and-Error-Herangehensweise für die Prozessauslegung praktiziert. Das kostet Zeit und Geld. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT entwickelte im zweijährigen Forschungsprojekt »FixTronic« gemeinsam mit Partnern ein Spannsystem und eine Simulationssoftware, um Schwingungen während der Fräsbearbeitung systematisch zu minimieren und die Fräsprozesse stabiler und kostengünstiger zu gestalten
Ziel des Projekts »FixTronic« war es, ein System zu entwickeln, das selbstständig auf dynamische Veränderungen im Fräsprozess reagiert und Schwingungen sowie Instabilitäten aktiv verringert. Dazu entwickelten die Forscher einerseits ein aktives Spannsystem für das Werkstück und andererseits eine Simulationssoftware, die die Spindeldrehzahl so optimiert, dass Eigenschwingungen des Werkstücks nicht angeregt werden.
Aktives Spannsystem mit Werkstück
Simulation der veränderten Werkstückdynamik
Vernetzte Spannsysteme mit aktiver Schwingungsdämpfung
Zur aktiven Stabilisierung des Fräsprozesses wurden Sensoren in ein Spannsystem integriert, mit denen sich der Zustand des Werkstücks während der Fräsbearbeitung überwachen lässt. Piezoaktoren erzeugen dann bei Bedarf eine gezielte Gegenschwingung auf dem Werkstück, um die Schwingung des Fräswerkzeugs zu minimieren. Versuche zeigten, dass sich mit dieser Methode die Schwingungen im Werkstück selbstständig um mehr als 70 Prozent reduzieren lassen.
Das Spannsystem lässt sich zudem mit der Werkzeugmaschine vernetzen, sodass eine effektive Echtzeit-Überwachung des Werkstücks möglich ist, die den Fräsprozess insgesamt stabilisiert. Das aktive Spannsystem wird damit selbst zu einem so genannten cyberphysischen Produktionssystem (CPPS) im Sinne der Industrie 4.0.
Optimierung der Spindeldrehzahl
Um die Schwingungen des Werkstücks noch weiter zu reduzieren, nutzen die Ingenieure des Fraunhofer IPT außerdem eine selbst entwickelte Simulationssoftware. Damit lässt sich der Fräsprozess bereits vor der eigentlichen Bearbeitung simulieren und kritische Spindeldrehzahlen können vermieden werden, die zu einer Anregung der Eigenfrequenzen des Werkstücks führen, bei denen es besonders stark schwingt. Für die Software entwickelten die Aachener Forscher ein sogenanntes »Multi-Frequenz-Stabilitätsdiagramm«, das die Veränderungen der Werkstückgeometrie während der Bearbeitung berücksichtigt. In Versuchen konnte bereits nachgewiesen werden, dass sich die Schwingungen durch den Einsatz der Software nochmals deutlich verringern lassen: Die Oberflächenrauheit der getesteten Bauteile konnte um mehr als 50 Prozent gesenkt werden.
Projektpartner
- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen
- Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM, Paderborn
- CP autosport GmbH, Büren
- Innoclamp GmbH, Aachen
- WBA Aachener Werkzeugbau Akademie GmbH, Aachen