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maschine+werkzeug 04/2016

Zerspanen ist längst nicht passé

EXTRA

Werkzeugmaschinen - Die Ansprüche an die Produktionstechnik für die Flugzeugbranche sind besonders hoch: Doch wie lassen sie sich erfüllen, ist Zerspanen mit Blick auf den 3D-Druck langfristig überhaupt noch gefragt? Antworten dazu von Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher vom Werkzeugmaschinenlabor (WZL) an der RWTH Aachen.

Wie lockt man über 120 Experten aus der Flugzeugindustrie aus Europa, Nordamerika und Asien im regnerischen März zu einer Veranstaltung ins Rheinland? Die Starrag Group fand die Lösung: Das Unternehmen lud sie zu den Aero Structures Technology Days 2016 in ihr Werk nach Mönchengladbach ein. Zwei Tage ging es dort um das hochpräzise Fertigen von Flugzeug-Strukturbauteilen aus Titan und Aluminium.

Ein Highlight war die Vorführungen auf der hundertsten ›Eco-speed‹, mit der sich die Produktivität von schmalen und mittelgroßen Flügelrippen um bis zu 87 Prozent erhöht. Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher besuchte als Ehrengast die Aero Structures Technology Days 2016, um als WZL-Direktor aus Forschungssicht über Trends bei Werkzeugmaschinen (WZM) für Flugzeugbauteile zu berichten. Er hat in Mönchengladbach als Leiter des Gesamtbereichs Konstruktion und Entwicklung bei Dörries Scharmann Technologie, Tochter der Schweizer Starrag Group, maßgeblich viele Innovationen für die Luftfahrtindustrie geprägt.

Eine immer wichtigere Rolle spielt für Prof. Brecher die Simulation des dynamischen, thermischen und akustischen Maschinenverhaltens. Das virtuelle Abbild des statischen Verhaltens komme dem Realzustand immer näher, so lassen sich etwa die Steifigkeitswerte am ›tool center point‹ (TCP) bereits auf 90 bis 95 Prozent exakt bestimmen.

Schwieriger sehe es aber beim dynamischen Verhalten aus, weil hier oft exakte Parameter fehlen. Mit Hilfe eines Referenzbauteils, eines sogenannten Referenz-Dummys mit unterschiedlichen Massen, lassen sich virtuelle Bauteile entwickeln, mit denen sich dann realistischere Simulationen des lokalen Dämpfungsverhaltens von realen Maschinenkomponenten durchführen lassen. Das Ziel sind Algorithmen zur besseren Vorhersage der Maschinendynamik.

Das Ergebnis der achtjährigen Forschungsarbeit nannte Prof. Brecher: »Wir können bereits jetzt für jede Eigenfrequenz die lokalen Dämpfungskoeffizienten für eine Vielzahl von Maschinenkomponenten relativ genau bestimmen.« Ein weiteres Highlight ist eine Untersuchung zum thermo-elastischen Verhalten von Antriebsspindeln – einem wichtigen Aspekt beim Auslegen etwa von Werkzeugmaschinen für Flugzeugstrukturbauteile aus schwer zerspanbaren Werkstoffen wie Titan. Gegen das Verfahren spricht, dass die Rechenzeiten noch zu lang sind und sich daher nicht für Echtzeitanwendungen eignen.

Verformungen messen

Für großes Interesse auf den Aero Structures Technology Days sorgte ein Konzept der Aachener, mit dem sich thermisch bedingte Verformungen der WZM in Echtzeit messen und kompensieren lassen. Es handelt sich um eine nachträgliche Aufrüstung, ein sogenanntes Retrofit: Dazu werden in die Maschinenstruktur thermisch invariante CFK-Stangen integriert, die als Vergleichsmaßstab dienen. Ein in jede Stange integrierter Sensor erfasst Verformungen auf etwa 1,0 µm/m exakt.

Das WZL baut im Versuchsfeld eine Testmaschine auf, die mit diesen CFK-Stäben und 24 Sensoren zum Messen der thermischen Verlagerung in X-, Y- und Z-Richtung ausgestattet ist. Mit Hilfe eines kinematischen Modells lasse sich aus den einzelnen Verlagerungen an den unterschiedlichen Komponenten der Fehlervektor am TCP berechnen, der als Korrekturwert über die Steuerung eingespielt wird.

Professor Brecher erklärt: »Ein Industriepartner arbeitet bereits mit einer ähnlichen Testmaschine mit zwölf Sensoren.« Untersuchungen ergaben, dass sich typische Abweichungen von maximal 100 µm um 86 Prozent kompensieren lassen. Der Wissenschaftler ist sich daher sicher, dass sich mit dieser Form der Korrektur thermische Verformungen signifikant ausgleichen lassen.

Etwas nach dem Hardware-in-loop-Prinzip (Zusammenspiel einer nur virtuell existierenden Komponente mit einer realen Struktur) klingt es bei einer anderen Aachener Methode. »Sie ersetzen eine bestehende Maschinenkomponente oder ein Werkzeug durch eine nur als FEM-Modell existierende Version«, blickte der Experte in die Zukunft. »Mit der Kombination von Simulation, Experiment und Messungen lässt sich nun das dynamische Verhalten einer Maschine bei Verändern von Substrukturen ermitteln.«

Für realistische Ergebnisse sprach, dass sich kaum Abweichungen zwischen Simulation und Messung ergaben. In Mönchengladbach bezeichnete er daher das Verfahren als besonders interessant für Hersteller von Flugzeugstrukturen. »Wenn Sie bereits die dynamischen Eigenschaften Ihrer Werkzeugmaschine kennen, können Sie mit dieser Methode sehr zuverlässig vorhersagen, wie sich mit neuen Werkzeugen die Produktivität erhöhen lässt.«

Doch obwohl er sich tagtäglich um die spanende Bearbeitung kümmert, beschäftigt sich der Wissenschaftler auch mit dem Additive Manufacturing. Der Experte sieht zwar interessante Chancen, gibt aber Entwarnung. »Die konventionelle Zerspanung ist noch längst nicht am Ende«, betonte Prof. Brecher in Mönchengladbach. »Es gilt nämlich, die Kosten zu senken, die Genauigkeit deutlich zu verbessern und vor allem die Aufbauraten um Größenordnungen zu erhöhen.«

Als Zwischenschritt auf diesem sehr langen Weg bezeichnete der Wissenschaftler die Hybridlösung, die in einer Maschine AM und Zerspanen vereint. So hat das WZL zusammen mit Chiron auf der Basis eines konventionellen Bearbeitungszentrums mit zwei Arbeitsräumen eine Hybridmaschine mit zwei separaten Dreh-Schwenktischen und einem integrierten Knickarmroboter entwickelt, auf der simultan Fünf-Achs-Komplettbearbeiten und Additive Manufacturing ablaufen. Professor Brecher sagt: »Diese integrierte Technologie ist auch mit Blick auf die Steuerung eine riesige Herausforderung. Wir entschieden uns für eine Master-Slave-Lösung, bei der die Siemens-Steuerung als Master-Controller fungiert.«

www.wzl.rwth-aachen.de

www.starrag.com

  • Das WZL hat zusammen mit Chiron eine Hybridmaschine mit zwei separaten Dreh-Schwenktischen und einem integrierten Knickarmroboter entwickelt.

    Das WZL hat zusammen mit Chiron eine Hybridmaschine mit zwei separaten Dreh-Schwenktischen und einem integrierten Knickarmroboter entwickelt.

  • »Die konventionelle Zerspanung ist noch längst nicht am Ende.« Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher, Direktor des WLZ an der RWTH Aachen

    »Die konventionelle Zerspanung ist noch längst nicht am Ende.« Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher, Direktor des WLZ an der RWTH Aachen

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