GFB - Green Factory BAVARIA

Erhöhung der Energieeffizienz durch Dämpfung von Maschinenstrukturen

Zielsetzung

Die Energieeffizienz von spanenden Werkzeugmaschinen wird in einem hohen Maße vom Grundverbrauch der Maschine bestimmt. Diese Leistung fällt unabhängig von der Bearbeitungsaufgabe an. Zu einem erheblichen Teil kann die Energieeffizienz der Maschine deshalb durch möglichst geringe Bearbeitungszeiten pro Werkstück beeinflusst werden. Der größte Stellhebel ist hierbei die Er-höhung des Zeitspanvolumens. Dieses ist jedoch durch die Stabilität des Bearbeitungsprozesses beschränkt. Die Erhöhung der Stabilitätsgrenzen kann mit passiver, vor allem aber auch mit aktiver Schwingungsdämpfung gewährleistet werden. Diese hat in Voruntersuchungen Potenziale zur Energieeinsparung gezeigt und soll in diesem Projekt in die Anwendung gebracht werden. Hierbei sind vor allem die Robustheit und die Lebensdauer der Komponenten zu untersuchen, die für eine Anwendung in der Industrie von Belang sind. Darüber hinaus erfordert die Auslegung und Platzierung dieser Systeme in der Werkzeugmaschine ein hohes Maß an Systemverständnis. Deshalb ist hierfür ein selbstkonfigurierender Aufbau zu entwickeln und in der industriellen Praxis zu erproben. Neben der Befähigung der aktiven Dämpfung für den wirtschaftlichen industriellen Einsatz ist es erforderlich, dass diese und weitere Energieeffizienzmaßnahmen für die spanende Bearbeitung in die Industrie transferiert werden. Hierfür soll eine neue Lernfabrik für Zerspanung am iwb aufgebaut werden. Diese zielt darauf ab, Teilnehmern aus der Industrie verschiedene Maßnahmen und neue Ansätze aus der Forschung vorzustellen, wodurch Zeitspanvolumina erhöht und somit die Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen gesteigert werden kann. Neben der aktiven Schwingungsdämpfung werden hier auch viele weitere Maßnahmen auf Prozess-, Maschinen- oder Werkzeugseite vorgestellt. Aktuelle Erkenntnisse aus der Forschung können somit direkt in die produzierende Industrie transferiert werden. Damit gliedert sich das Vorhaben gut in das Gesamtprojekt Green Factory Bavaria ein.



Lösungsansätze

Im Rahmen eines ersten Screenings von Fertigungsprozessen beim Projektpartner Airbus Helicopters, stellte sich heraus, dass neben der aktiven Schwingungsdämpfung oftmals auch schon sehr einfache Maßnahmen zu einer deutlichen Steigerung des Zeitspanvolumens führen können. Dabei können prozess-, maschinenstruktur- oder werkzeugseitige Maßnahmen unterschieden werden. Bei der Bearbeitung von weichen Materialien kann beispielsweise eine gezielte Drehzahlanpassung die Grenzspantiefe signifikant erhöhen. Schruppprozesse bei niedrigen Drehzahlen sind mit der aktiven Schwingungsdämpfung zu stabilisieren. Für Bohrprozesse mit lang auskragenden Werkzeugen kann ein passiver Dämpfer am Werkzeug die Stabilität verbessern. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes gilt es diese Maßnahmen an realen Fertigungsprozessen hinsichtlich ihres Beitrages zur Erhöhung der Energieeffizienz zu beurteilen.



Ergebnisse

In den ersten beiden Quartalen erfolgte die Implementierung eines Systems zur aktiven Schwingungsdämpfung auf dem 5-Achs-Fräsbearbeitungszentrum, das von dem Projektpartner SPINNER zur Verfügung gestellt wird. Hierzu erfolgten zunächst strukturdynamische Untersuchungen der Maschine. Erste Ergebnisse zeigen eine Steigerung des Zeitspanvolumens um bis zu 45% durch den Einsatz der aktiven Schwingungsdämpfung. Des Weiteren konzentrierte sich die bisherige Arbeit auf die Ausarbeitung eines Schulungskonzeptes für eine Lernfabrik für energieeffiziente Zerspanung. Hier konnte auf die bisherigen Erfahrung mit den bereits bestehenden Lernfabriken zurückgegriffen werden. Im dritten Quartal begann die Ausarbeitung der Schulungsunterlagen. Ende des Jahres sollen die ersten Schulungen für die Industrie angeboten werden. Beim zweiten Projektpartner Airbus Helicopters wurden in der spanenden Fertigung verschiedene Prozesse hinsichtlich einer Steigerung der Energieeffizienz untersucht. Hierbei konnte bereits durch prozessseitige Maßnahmen eine Reduzierung des Energiebedarfs um bis zu 43% erreicht werden.



Publikationen

  • Kleinwort, R.; Altintas, Y.; Zaeh, M. (2014): Active Damping of Heavy Duty Milling Operations. In: I. Lazoglu (Hg.) et al.: 16th International Conference on Machine Design and Production. UMTIK 2014. Izmir, 30.06.-03.07.2014. 2 Bände. Ankara, Turkey: METU-Ankara (Machining Day, 1), S. 443–458.
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  M. Sc. Robin Kleinwort

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