Präzise Werkzeuge mit Turboantrieb
Bohrer und Fräsen arbeiten heute so präzise, dass die Werkstücke kaum noch per Hand korrigiert werden müssen. Bei hohen Drehzahlen fängt die Maschine jedoch an zu schwingen: Mit adaptiven Materialien bekommen Forscher diese störenden Schwingungen in den Griff.
Eine adaptive Spindelhalterung erlaubt präzises Bohren und Fräsen auch bei hohen Drehzahlen: Integrierte Piezoaktoren gleichen unerwünschte Schwingungen des Geräts aus.
© Fraunhofer IWU
Schleudert die Waschmaschine auf hohen Touren, kann es passieren, dass sie dabei einige Zentimeter hüpft. Hersteller versehen sie daher mit Gewichten, die das Gerät am Platz halten. Bei Autoreifen gleichen kleine Gewichte an den Felgen Unwuchten aus. Ein ähnliches Schwingungsproblem tritt bei der Feinbearbeitung von Metall auf: Präzisionswerkzeuge wie Bohrer und Fräser fertigen beliebig geformte Gegenstände - etwa Autokarosserien - so konturgenau, dass sie kaum noch per Hand nachgearbeitet werden müssen. "Bei diesem High-Speed-Cutting, HSC, sind aber mittlerweile so hohe Spindel- oder auch Werkzeugdrehzahlen notwendig, dass die Maschine anfängt zu schwingen", sagt Dr.-Ing. Volker Wittstock, Gruppenleiter am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz und Dresden. "Spindeln, in die die Bohrer und Fräswerkzeuge eingespannt sind, laufen mit bis zu 32 000 Umdrehungen pro Minute. Bei diesen hohen Drehzahlen machen sich geringe Unwuchten der rotierenden Spindel bemerkbar, die mit jedem Werkzeug unterschiedlich sind." Wittstock und seine Kollegen aus der Abteilung Adaptronik und Akustik haben deshalb eine adaptive Spindelhaltung für die Bohrer und Fräser entwickelt. Sie reduziert Schwingungen aktiv und ermöglicht ein präzises Fräsen und Bohren im gesamten Drehzahlbereich.
Die adaptive Spindelhalterung bewegt die HSC-Spindel in den drei Raumrichtungen, erlaubt aber auch ein Kippen. Basis ist ein kardanisches Festkörpergelenk, das eine Grundsteifigkeit garantiert. An diesem Gelenk greifen oben und unten je drei Piezoaktoren an. Legt man eine elektrische Spannung an diese Aktoren an, verformen sie sich kontrolliert. So können sie das Gelenk und die Spindel, die auf dem Gelenk lagert, hochdynamisch bewegen und unerwünschte Schwingungen der Spindel sofort ausgleichen. "Die Aktoren müssen gleichzeitig angesteuert werden. Das funktioniert schneller als bei einem modernen Echtzeit-Fahrsimulator, in den sich der Nutzer hineinsetzen kann und entsprechend der Kurvenlage bewegt wird. Diese gute Maschinendynamik erzielen wir vor allem durch die Leichtigkeit der Piezoaktoren und der Spindel", charakterisiert Wittstock das Prinzip. Die Spindelhalterung kann jetzt im Fraunhofer-Institut in Dresden besichtigt werden.
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