DYNAMIKPOTENTIALE IN WERKZEUGMASCHINEN DURCH CFK-METALL HYBRID-GEWINDETRIEB LEICHTBAUSTRATEGIEN

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1 DYNAMIKPOTENTIALE IN WERKZEUGMASCHINEN DURCH CFK-METALL HYBRID-GEWINDETRIEB LEICHTBAUSTRATEGIEN FÜR S. Ihlenfeldt, VORSCHUBANTRIEBE U. Frieß Vortragender: U. Frieß 15. Werkstoff-Forum HANNOVER MESSE, 13. April 2015 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz

2 DYNAMIKPOTENTIALE IN WERKZEUGMASCHINEN DURCH CFK-METALL HYBRID-GEWINDETRIEB 1. Einleitung 2. Dynamik in WZM- Vorschubachsen durch Leichtbau 3. Neuartiger CFK-Hybrid Kugelgewindetrieb 4. Entwicklung des neuartigen CFK- Hybrid Gewindetriebs 5. Zusammenfassung und Ausblick

3 1. Einleitung Motivation für Leichtbau in Werkzeugmaschinen

4 1. Einleitung Aspekte beim Einsatz von CFK in Werkzeugmaschinen

5 1. Einleitung Einsatzfelder für CFK-Hybrid Verbundstrukturen in WZM

6 DYNAMIKPOTENTIALE IN WERKZEUGMASCHINEN DURCH CFK-METALL HYBRID-GEWINDETRIEB 1. Einleitung 2. Dynamik in WZM- Vorschubachsen durch Leichtbau 3. Neuartiger CFK-Hybrid Kugelgewindetrieb 4. Entwicklung des neuartigen CFK- Hybrid Gewindetriebs 5. Zusammenfassung und Ausblick

7 2. Dynamik in WZM- Vorschubachsen durch Leichtbau Struktur- Leichtbau Antriebsstrang- Leichtbau

8 2. Dynamik in WZM- Vorschubachsen durch Leichtbau Min. dynamische Steifigkeit in Abhängigkeit der Steifigkeit der Antriebsanbindung 3-Massen Minimalmodel TCP Je steifer der Antrieb an die Struktur angebunden ist, desto höher die dynamische Steifigkeit und desto geringer die max. Abweichungen bei anal. Antriebskräften

9 DYNAMIKPOTENTIALE IN WERKZEUGMASCHINEN DURCH CFK-METALL HYBRID-GEWINDETRIEB 1. Einleitung 2. Dynamik in WZM- Vorschubachsen durch Leichtbau 3. Neuartiger CFK-Hybrid Kugelgewindetrieb 4. Entwicklung des neuartigen CFK- Hybrid Gewindetriebs 5. Zusammenfassung und Ausblick

10 3. Neuartiger CFK-Hybrid Gewindetrieb Eigenschaften und Grenzen von Standard-KGT in WZM-Vorschubachsen im Vergleich zu Linear-Direktantrieben Vorteile Hohe Untersetzungs-funktionalität führt zu kleineren Antriebsleistungen Bei Bearbeitung mit geringer oder keiner Vorschubdynamik (passive Bearbeitungs- und Gewichtskräfte, Schwerzer-spanung) fallen wesentlich geringere elektr. Verluste an Es werden keine oder geringe thermischen Lasten in den Arbeitsraum eingebracht Durch periphere Antriebsplatzierung ist oft der Verzicht auf separate Motorkühlung möglich Nachteile Mechanisches Übersetzungselement stellt Federelement in Reihenschaltung des Antriebsstranges dar Je nach Konstellation kann Übersetzungselement (KGT) niedrigste mechanische Eigenfrequenz bedingen Thermische Erwärmung des KGT bei hoher kinematischer Dynamik, damit Notwendigkeit einer Fest- Los-Lagerung mit Folge reduzierter Axialsteifigkeit Zusätzliche Trägheit im Antriebsstrang

11 3. Neuartiger CFK-Hybrid Gewindetrieb Simulationsergebnisse des ersten Funktionsmusters Thermische Dehnung Axialsteifigkeit Masse -87 % -10 % -54 % Schichtaufbau Metall-CFK Aufbau Kern aus CFK: unidirektionale, axiale Ultrahochmodul- Fasern für Axialsteifigkeit Torsionssteifigkeit durch +/-45 -Wickellaminat zur Einleitung der Torsionskräfte Metallische Funktionsschicht für Kugellaufflächen

12 3. Neuartiger CFK-Hybrid Gewindetrieb Steifigkeitsvorteil durch Fest-Fest-Lagerung In ungünstiger Lage des Schlittens starker Abfall der Steifigkeit Veränderung der Eigenfrequenzen und der Maschinenstabilität Reduktion der Produktivität Dank extrem reduzierter thermischer Dehnung des Hybrid-CFK-KGT können Fest- Fest-Lagerungen auch im Bereich hoher Vorschubdynamik eingesetzt werden Durchgängig höhere und konstantere Axialsteifigkeiten durch Fest-Fest-Lagerung

13 DYNAMIKPOTENTIALE IN WERKZEUGMASCHINEN DURCH CFK-METALL HYBRID-GEWINDETRIEB 1. Einleitung 2. Dynamik in WZM- Vorschubachsen durch Leichtbau 3. Neuartiger CFK-Hybrid Kugelgewindetrieb 4. Entwicklung des neuartigen CFK- Hybrid Gewindetriebs 5. Zusammenfassung und Ausblick

14 4. Entwicklung des neuartigen CFK-Hybrid Gewindetriebs Auslegung und Lasteinleitung Die Realisierung der Verbindung CFK zur metallischen Funktionsschicht ist kritisch für Funktion des Hybrid-KGT Durch (nahezu) vollständige Kompensation der Materialdehnung entstehenden hohe Beanspruchungen der Faser-Kunststoff Verbindung Klebverbindung Formschluss HV-Lichtbogenspritzen + Hohe Materialvariabilität Sehr enge Toleranzen erforderlich Für große Abmessungen ungeeignet + Vereinfachte Herstellung Limitierte Materialvariabilität Metallischer Schichtverbund zur Reduktion thermischer Eigenspannungen erforderlich

15 4. Entwicklung des neuartigen CFK-Hybrid Gewindetriebs Beispielhafter Herstellungsprozeß

16 DYNAMIKPOTENTIALE IN WERKZEUGMASCHINEN DURCH CFK-METALL HYBRID-GEWINDETRIEB 1. Einleitung 2. Dynamik in WZM- Vorschubachsen durch Leichtbau 3. Neuartiger CFK-Hybrid Kugelgewindetrieb 4. Entwicklung des neuartigen CFK- Hybrid Gewindetriebs 5. Zusammenfassung und Ausblick

17 5. Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Die Produktivität von WZM lässt sich durch Leichtbau wesentlich steigern Auch im Antriebsstrang ist eine hohe Steifigkeit anzustreben Vorschubachsen mit mechanischen Übersetzungselementen weisen Vorteile im Package und in der Energieeffizienz auf Direktantriebe sind bei hoher Prozeßdynamik und kleinen Prozeß- Gewichtskräften vorteilhaft und Der neuartige CFK-Hybrid-GT vereint die Vorteile beider Prinzipien Erweiterung der Einsatzgrenzen von Fest-Fest-Lagerungen für hochdynamische Vorschubachsen aufgrund reduzierter thermischer Dehnungen Ausblick Entwicklung eines voll funktionsfähigen CFK-Hybrid Gewindetriebs mit anschließender Erprobung

18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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