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maschine+werkzeug 06/2019

Hybride Achse aus CFK

Leichtbau

In dem Forschungsprojekt ›HYBRIDi‹ hat Fooke zusammen mit Partnern an der Integration von Faserverbundwerkstoffen in eine Portalfräsmaschine gearbeitet.

ntegration des hybriden CFK-Z-Schlittens in das Gesamtmaschinensystem einer beispielhaften Werkzeugmaschine vom Typ Endura 700 Linear von Fooke. Bild: Fooke

ntegration des hybriden CFK-Z-Schlittens in das Gesamtmaschinensystem einer beispielhaften Werkzeugmaschine vom Typ Endura 700 Linear von Fooke. Bild: Fooke

In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungsprojekt ›HYBRIDi‹ wurde die Integration von Faserverbundwerkstoffen in eine Portalfräsmaschine von Fooke als Ziel definiert, um die Vorteile hinsichtlich einer Massenreduzierung und Dynamiksteigerung zu erforschen.

Konkret wurde der vertikale Guss-Z-Schlitten durch eine hybride Mischbauweise substituiert. Ein Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) dient hierbei als Grundwerkstoff, der durch gezielten Einsatz metallischer Anbindungs- und Stützelemente verstärkt wird. Zusätzlich wurde ein Sensornetzwerk entwickelt, appliziert und in den Z-Schlitten integriert.

Die Randbedingungen und Geometrie der entwickelten hybriden Z-Achse wurden von einer existierenden Gussstahl-Variante von Fooke übernommen, um einen Einbau in eine Portalfräsmaschine zu gewährleisten. Zunächst nahm die Invent GmbH aus Braunschweig Grundlagenuntersuchungen zum Material- und Schnittstellenverhalten vor.

Zielsetzungen

Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurden Material- und Strukturmodelle erstellt, die mit folgenden Anforderungen beziehungsweise Zielsetzungen im Vergleich zur konventionellen Guss-Z-Achse abgeglichen wurden:

• Massenreduzierung um mindestens 20 Prozent

• Gleiche statische Steifigkeiten am Tool-Center-Point (TCP)

• Gleicher Bauraum sowie gleiche Schnittstellen und Zugänglichkeit zur Peripherie

Die Auslegung des hybriden CFK-Z-Schlittens mittels FE-Analysen und hinsichtlich Materialauswahl erfolgte durch Invent. Das Design wurde in enger Abstimmung mit Fooke erstellt. Das Konzept sieht einen CFK-Grundkorpus vor, an dessen Ecken individualisierte Stahlschienen befestigt wurden. Zusätzlich wurden horizontale Querbleche aus Aluminium in verschiedenen Höhen des Z-Schlittens eingesetzt, um eine hohe Torsions- und Querschnittssteifigkeit zu realisieren.

Die Aluminiumbleche haben jeweils eine kreisrunde Öffnung, in der ein Rohr aus CFK integriert ist. Dieses CFK-Rohr ermöglicht eine verschleißfreie Führung der Energiekabel und Medienschläuche. Der Fräskopf wird an eine Stahlplatte befestigt, welche an der Unterseite des CFK-Grundkörpers befestigt wurde.

Die Fertigung der hybriden CFK-Z-Achse hat sich auf diverse Fertigungsstufen unterteilt. Invent konzentrierte sich auf die Fertigung der FVK-Strukturteile und Fooke auf die Herstellung der metallischen Bauteile. Um die zu Projektbeginn festgelegten Randbedingungen, insbesondere der statischen Steifigkeit, zu erreichen, wurden Wandstärken aus CFK bis 40 Millimeter gefertigt.

Auf der Innenseite des CFK-Grundkörpers wurde das auf Piezokeramiken basierende Netzwerk appliziert. Die Positionen der Sensornetzwerke wurden nach Auswertung einer FE-basierten Modalanalyse festgelegt. Dieses Netzwerk erfasst während der Fräsarbeiten Spannungssignale, die mit den wirkenden Prozesskräften korreliert werden. Die Signale können für eine Tool-Center-Point-Kompensation genutzt werden.


Inhaltsverzeichnis
Unternehmensinformation

FOOKE GmbH

Raiffeisenstr. 18-22
DE 46325 Borken
Tel.: 02861-8009-01
Fax: -64461

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