Schwingungsdämpfung CFK-Schlitten ermöglicht flexible Einstellung der Eigenfrequenz

Redakteur: Jan Vollmuth

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Wissenschaftler einen innovativen Leichtbau-Schlitten in Kammernbauweise entwickelt, dessen Eigenfrequenz sich durch variables Befüllen der Kammern mit einer Flüssigkeit flexibel einstellen lässt. So lässt sich die Qualität und Produktivität im Herstellungsprozess deutlich erhöhen.

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Grafik des CFK-Schlittens.
Grafik des CFK-Schlittens.
(Bild: WBK/KIT)

Bearbeitungszentren müssen besonders steif und dynamisch stabil ausgelegt sein, um eine hohe Bearbeitungsqualität zu gewährleisten. Qualitätseinbußen entstehen unter anderem dann, wenn die Prozessfrequenz die Eigenfrequenz der Maschine anregt und diese in Schwingungen versetzt. Regt die Bearbeitung eines Werkstücks eine Eigenfrequenz der Maschine an, so kann dies nicht nur zu schwingungsbedingten Qualitätseinbußen am Werkstück führen – beispielsweise durch Rattern, sondern auch einen erhöhten Verschleiß der Maschinenkomponenten verursachen. Besonders kritisch sind zerspanende Bearbeitungsprozesse mit unterbrochenem Schnitt, wie beispielsweise Fräsen.

Verhindern lässt sich dies durch eine verringerte Zerspanungsleistung. Dies erhöht jedoch die Bearbeitungszeit und geht zulasten der Wirtschaftlichkeit, zumal die Anpassung häufig nicht nur an einem Betriebspunkt, sondern über den gesamten Arbeitsraum erforderlich ist. Außerdem sind die Prozesse in der industriellen Praxis oft vom Kunden vorgegeben. Der Maschinenhersteller steht damit vor der Herausforderung, die Maschine so auszulegen, dass sich die Eigenfrequenz jederzeit flexibel an den Prozess anpassen lässt.

Signifikante Masseveränderung

Eine innovative Lösung für dieses Problem haben Wissenschaftler am wbk Institut für Produktionstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) erarbeitet. Die Idee: Eine aktive Veränderung der Masse der Maschine führt, besonders in den beweglichen Komponenten, zu einer Verschiebung der Eigenfrequenz. Allerdings muss die Massenveränderung gegenüber der Ausgangsmasse signifikant sein.

Aus diesem Grund haben die KIT-Wissenschaftler die bewegten Komponenten der Werkzeugmaschine, wie Schlitten, Spindelaufnahmen und Fahrzeugständer, in Leichtbauweise entworfen. Ermöglicht wird dies durch kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), die im Vergleich zu herkömmlichen Stahl- und Gusswerkstoffen eine deutlich leichter sind und gleichzeitig eine hohe Steifigkeit aufweisen.

Erhöhte Zerspanungsleistung

Die Forscher um Professor Jürgen Fleischer, Institutsleiter des wbk Institut für Produktionstechnik, haben einen Schlitten aus CFK in Kammernbauweise entwickelt, der eine Abstimmung des dynamischen Verhaltens ermöglicht, indem die einzelnen Kammern unabhängig voneinander über eine Pumpe mit einer Flüssigkeit gefüllt werden. Damit lässt sich die Gesamtmasse der Maschine variabel steuern. Die Dynamik der bewegten Komponente ist damit nicht beeinträchtigt – mit dem CFK-Schlitten lässt sich die Zerspanungsleistung sogar noch erhöhen, da kritische Schwingungen nicht mehr über die Anpassung von Prozessparametern verringert werden, sondern über die Verschiebung der Eigenfrequenz durch unterschiedliche Befüllung. Je mehr Kammern befüllt sind, je höher die Masse des Schlittens ist, desto niedriger ist dessen Eigenfrequenz.

Um das Potenzial ihres Ansatzes zu untersuchen, haben die Karlsruher Wissenschaftler einen vereinfachten Versuchsträger aufgebaut. Dieser besteht aus einem CFK-Schlitten in Kammernbauweise. Über Führungswagen und zugehörige Führungsschienen sowie einen Kugelgewindetrieb ist der Schlitten mit Gestell- und Antriebsmotor verbunden. Anhand einer sogenannten experimentellen Modalanalyse bestimmten die Forscher die Verschiebung von Frequenzen: Dazu wurde der Schlitten mit einem Impulshammer angeregt und die Eigenfrequenzen ermittelt. Um diese zu verschieben, wurde Wasser in die Kammern gefüllt, wodurch sich die Masse des Systems erhöhte und die Eigenfrequenz sank. (jv)

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