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maschine+werkzeug 01/2019

Leichtgewicht beim Spannen

Extra Fertigungslösungen

Simulation – Mit dem Streben nach leichteren Spannfuttern für die Drehbearbeitung bedient Schunk die Anforderungen seiner Kunden. Dazu nutzt der Hersteller Simulationslösungen zur Topologie- und Parameteroptimierung von Cadfem.

Mit Hilfe der Simulationssoftware ›Ansys‹ hat Schunk die Topologie seines Kraftspannfutters ›Rota NCE‹ optimiert. Bild: Schunk

Das von Schunk entwickelte Keilhaken-Kraftspannfutter ›Rota NCE‹ vereint Leichtbau und Belastbarkeit. Die Geometrie des Drehfutters wurde so an den Kraftfluss angepasst, dass trotz Leichtbau eine hohe Steifigkeit gewährleistet ist. Im Vergleich zu herkömmlichen Drehfuttern wurde die Massenträgheit je nach Baugröße um bis zu 40 Prozent reduziert.
Die Ingenieure am Schunk-Kompetenzzentrum für Drehtechnik und stationäre Spannsysteme in Mengen wollten das Energiemanagement gemäß DIN EN ISO 50001 verbessern. Ziel war es, ein Spannmittel zu entwickeln, das eine geringe Masse beziehungsweise Massenträgheit besitzt, um die erforderliche Beschleunigungsenergie und -dauer zu senken. Die grundlegende Spannfunktion des Futters – gemessen an der Steifigkeit und Variabilität – sollte aber vollständig beibehalten, möglichst sogar erhöht werden. Und auch die Rund- und Planlaufgenauigkeit musste gewährleistet sein.

Dazu wurde mit Hilfe der Topologieoptimierung die Grobstruktur der Spannmittelkomponenten anhand des Kraftflusses bestimmt und anschließend mit der darauf aufbauenden Parameteroptimierung die Abmessungen dahin gehend variiert, dass sich eine optimale Feinstruktur ergibt. Das so konstruierte Spannmittel konnte dann durch FE-Analysen in seinen Eigenschaften bewertet und mit anderen Spannmitteln verglichen werden.
»Für die Topologieoptimierung haben wir in ›Ansys‹, das von Cadfem vertrieben wird, ein Startmodell mit den erforderlichen Randbedingungen wie Kräfte und Lager definiert«, erklärt Mathias Siber, der das Projekt zum Thema seiner Masterarbeit machte. »Als Zielfunktion der Optimierung wurde die Maximierung der Steifigkeit gewählt, wobei die Restriktion der Masse bei 70, 50 beziehungsweise 30 Prozent der Ausgangsmasse liegen sollte.«

Außerdem wurden die Funktionsflächen gekennzeichnet, um sie von der Optimierung auszuschließen (Non-Design-Bereiche), denn sie sollten in ihrer ursprünglichen Form verbleiben. Der Optimierungsalgorithmus ermittelte entsprechend den mechanischen Belastungen und abhängig von den vorgegebenen Masserestriktionen dann die geometrische Grundgestalt. Dabei entstanden im Futterkörper Gewölbestrukturen unterhalb der Backenführung und kreisförmige Aussparungen zwischen den Führungsbahnen sowie insgesamt eine konische Futterkontur.
»Durch die Topologieoptimierung wurde das Drehfutter deutlich leichter, was sich auch positiv auf die Belastung der Spindellagerung auswirkt«, berichtet Philipp Schräder, Leiter der Entwicklung Spanntechnik. »Außerdem haben wir die Gewölbestruktur, die sich aus der Topologieoptimierung ergeben hat, als Geschmacksmuster beim deutschen Patent- und Markenamt registrieren lassen, um uns vor Nachahmungen so gut wie möglich zu schützen.«


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