Indus­trie 4.0 im Fräsprozess

Schwin­gun­gen wäh­rend der Fräs­be­ar­bei­tung min­dern die Pro­zess­leis­tungs­fä­hig­keit und füh­ren zu raue­ren Ober­flä­chen sowie zu hohem Werk­zeug­ver­schleiß und Werk­stück­aus­schuss. Um Schwin­gun­gen zu mini­mie­ren wird in Unter­neh­men oft eine Tri­al-and-Error-Her­an­ge­hens­wei­se für die Pro­zess­aus­le­gung prak­ti­ziert. Das kos­tet Zeit und Geld. Das Fraun­ho­fer-Insti­tut für Pro­duk­ti­ons­tech­no­lo­gie IPT aus Aachen ent­wi­ckel­te im zwei­jäh­ri­gen For­schungs­pro­jekt Fix Tro­nic gemein­sam mit Part­nern ein Spann­sys­tem und eine Simu­la­ti­ons­soft­ware, um Schwin­gun­gen wäh­rend der Fräs­be­ar­bei­tung sys­te­ma­tisch zu mini­mie­ren und die Fräs­pro­zes­se sta­bi­ler und kos­ten­güns­ti­ger zu gestalten.
Ziel des Pro­jekts Fix Tro­nic war es, ein Sys­tem zu ent­wi­ckeln, das selbst­stän­dig auf dyna­mi­sche Ver­än­de­run­gen im Fräs­pro­zess reagiert und Schwin­gun­gen sowie Insta­bi­li­tä­ten aktiv ver­rin­gert. Dazu ent­wi­ckel­ten sie einer­seits ein akti­ves Spann­sys­tem für das Werk­stück und ande­rer­seits eine Simu­la­ti­ons­soft­ware, die die Spin­del­dreh­zahl so opti­miert, dass Eigen­schwin­gun­gen des Werk­stücks nicht ange­regt werden.

Ver­netz­te Spann­sys­te­me mit akti­ver Schwingungsdämpfung

Zur akti­ven Sta­bi­li­sie­rung des Fräs­pro­zes­ses inte­grier­ten die Aache­ner For­scher Sen­so­ren in ein Spann­sys­tem, mit denen sich der Zustand des Werk­stücks wäh­rend der Fräs­be­ar­bei­tung über­wa­chen las­sen. Pie­zo­ak­to­ren erzeu­gen dann bei Bedarf eine geziel­te Gegen­schwin­gung auf das Werk­stück, um die Schwin­gung des Fräs­werk­zeugs zu mini­mie­ren. Ver­su­che zeig­ten, dass sich mit die­ser Metho­de die Schwin­gun­gen im Werk­stück selbst­stän­dig um mehr als 70 Pro­zent redu­zie­ren lassen.
Das Spann­sys­tem lässt sich zudem mit der Werk­zeug­ma­schi­ne ver­net­zen, sodass eine effek­ti­ve Echt­zeit-Über­wa­chung des Werk­stücks mög­lich ist, die den Fräs­pro­zess ins­ge­samt sta­bi­li­siert. Das akti­ve Spann­sys­tem wird damit selbst zu einem so genann­ten cyber­phy­si­schen Pro­duk­ti­ons­sys­tem (CPPS) im Sin­ne der Indus­trie 4.0.

Opti­mie­rung der Spindeldrehzahl

Um die Schwin­gun­gen des Werk­stücks noch wei­ter zu redu­zie­ren, nut­zen die Inge­nieu­re des Fraun­ho­fer IPT außer­dem eine selbst ent­wi­ckel­te Simu­la­ti­ons­soft­ware. Damit lässt sich der Fräs­pro­zess bereits vor der eigent­li­chen Bear­bei­tung simu­lie­ren und kri­ti­sche Spin­del­dreh­zah­len ver­mei­den, die zu einer Anre­gung der Eigen­fre­quen­zen des Werk­stücks füh­ren, bei denen es beson­ders stark schwingt. Für die Soft­ware ent­wi­ckel­ten die Aache­ner For­scher ein soge­nann­tes Mul­ti-Fre­quenz-Sta­bi­li­täts­dia­gramm, das die Ver­än­de­run­gen der Werk­stück­geo­me­trie wäh­rend der Bear­bei­tung berück­sich­tigt. In Ver­su­chen konn­te bereits nach­ge­wie­sen wer­den, dass sich die Schwin­gun­gen durch den Ein­satz der Soft­ware noch­mals deut­lich ver­rin­gern las­sen: Die Ober­flä­chen­rau­heit der getes­te­ten Bau­tei­le konn­te um mehr als 50 Pro­zent gesenkt werden.