Industrie 4.0 im Fräsprozess: Geringere Schwingungen durch aktive Dämpfung und angepasste Drehzahlen

Ziel des Projekts »FixTronic« 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.

Das zweijährige Projekt wurde im Rahmen des Programms »Leitmarktwettbewerb Produktion.NRW« gefördert.

Projektpartner

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen
Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM, Paderborn
CP autosport GmbH, Büren
Innoclamp GmbH, Aachen
WBA Aachener Werkzeugbau Akademie GmbH, Aachen

Semir Maslo M.Eng.

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
Steinbachstraße 17
52074 Aachen
www.ipt.fraunhofer.de
semir.maslo@ipt.fraunhofer.de

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