Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF), Braunschweig


Das Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik gehört zu den produktionstechnischen Instituten in Deutschland. Die Arbeiten teilen sich in zwei Lehrstühle auf, welche sich einerseits mit der Nachhaltigen Produktion & Lifecylce Engineering (Prof. Dr.-Ing. C. Herrmann) und andererseits mit der Fertigungsautomatisierung & Produktionstechnik (Prof. Dr.-Ing. K. Dröder) befassen.

Zur Bewältigung der vielfältigen Herausforderungen in Hinblick auf eine moderne Produktion, befasst sich die Abteilung Fertigungstechnik mit den Schwerpunkten "Feinbearbeitung" und "Holz- und Verbundwerkstoffe".

Für die Holz- und Verbundwerkstoffbearbeitung erforscht das Institut die werkstoffspezifische Auslegung und Optimierung von Fertigungsprozessen, die Maschinendynamik und -akustik, den Werkzeugbau sowie mit der strömungsoptimierten Späneabsaugung. Dazu gehört insbesondere die Entwicklung und Integration von Prozess- und Qualitätsüberwachungssystemen, um die Eigenschaften der Prozesse sowie Maschinen zu analysieren und zu verbessern. Der Fokus der Untersuchungen bezieht sich primär auf anisotrope Werkstoffe, wie Holz, GFK, CFK sowie beliebige Verbundwerkstoffe inklusive hybrider Werkstoffe.

Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Klaus Dröder
Technische Universität Braunschweig
Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF)
Langer Kamp 19 B
38106 Braunschweig
Tel.: +49-531-391-7601
k.droeder@tu-braunschweig.de
http://www.iwf.ing.tu-bs.de◥

Dr.-Ing. Hans-Werner Hoffmeister
Technische Universität Braunschweig
Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF)
Langer Kamp 19 B
38106 Braunschweig
Tel.: +49-531-391-7606
h.hoffmeister@tu-bs.de
http://www.iwf.ing.tu-bs.de◥

 


 

Sensorintegration in die Werkzeugspindel

Titel: Erhöhung der Maschinen- und Prozesssicherheit durch Sensorintegration in die Werkzeugspindeln von Bearbeitungszentren sowie Hobel- und Kehlmaschinen

Bewilligungszeitraum: 01.07.2010 – 31.12.2012, AiF Fördernr.: 16612 N

In der Holzbearbeitung nimmt der Einsatz der Hochgeschwindigkeitszerspanung (HSC) stetig zu. Durch die daraus resultierenden hohen Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe befinden sich die Maschinen meist nahe ihrer technischen Leistungsgrenze, wodurch erhöhte Störungsrisiken entstehen. Mit dem Trend zu immer höher werdenden Bearbeitungsgeschwindigkeiten wächst auch die Anforderung an die Wuchtgüte der eingesetzten Werkzeuge. Während der HSC-Bearbeitung wirken sich kleinste Unwuchten spürbar aus und erzeugen hohe Fliehkräfte, die sich in Form von ungewollten Schwingungen bemerkbar machen. Diese Schwingungen können sich bis zur Werkzeugschneide fortpflanzen und sorgen somit für eine schlechte Maßhaltigkeit des Werkstücks sowie schlechten Oberflächenqualitäten.

Des Weiteren kann es bei häufigen Werkzeugwechseln vorkommen, dass sich Fremdkörper in Form von Spänen im Bereich der Plananlagefläche auf der Arbeitsspindel ablagern. Beim Spannen eines Werkzeugträgers kann es in solch einem Fall zu einer Reduzierung der Spannkraft kommen. Während der Bearbeitung kann ein durch den Prozess bedingtes Moment dazu führen, dass der nicht ausreichend gespannte Werkzeughalter in der Werkzeugschnittstelle durchrutscht und zu einem erhöhten Verschleiß an der Arbeitsspindel führt.

In dem vorliegenden Forschungsvorhaben wurde eine Erhöhung der Maschinen- und Prozesssicherheit durch Sensorintegration in die Werkzeugspindeln von Bearbeitungszentren sowie Hobel- und Kehlmaschinen angestrebt. Dazu wurde zunächst eine Fehleranalyse durchgeführt, welche die Einfluss- und Störgrößen bei der Bearbeitung mit Hohlschaftkegel-Spannsystemen (HSK) aufzeigt. Dabei konnte festgestellt werden, dass sämtliche dargestellte Größen auf zwei Belastungszustände zurückgeführt werden können. Zum einen führen Abweichungen der Spannkraft bzw. axiale Vorschubkräfte zu einer Änderung der Druckspannung auf die Plananlage der HSK-Aufnahme. Zum anderen resultieren sämtliche Szenarien zum Auftreten einer Unwucht in einem Biegemoment, welches auf die gesamte Spindel wirkt.

Zur messtechnischen Erfassung dieser Belastungszustände wurde ein robustes, kompaktes Dünnschichtsystem entwickelt, welches direkt auf die Plananlage der Arbeitsspindel appliziert werden kann. Die Herausforderung dabei war, ein piezoresistives und zugleich verschleißfestes Dünnschichtsystem zu entwickeln, welches vollständig elektrisch isoliert von der Maschinenmasse funktioniert (Abb. 1).

Abbildung 1: Sensorkraftstrukturen auf der Stirnfläche der Arbeitsspindel nach fotolithografischer Belichtung und anschließender nasschemischer Behandlung mit Ätzlösung.

Die Konstruktion der sensorintegrierten Werkzeugspindeln erfolgte anhand konventioneller Arbeitsspindeln für Bearbeitungszentren sowie Hobel- und Kehlmaschinen. Dazu wurden die Arbeitsspindeln dahingehend modifiziert, dass das Dünnschichtsystem, die Elektronik, die Verkabelung, die Energie- und die Datenübertragung integriert werden konnten (Abb. 2).

Abbildung 2: Komponenten der Signalverarbeitung der sensorintegrierten Werkzeugspindel.

Die Strategie zur messtechnischen Erfassung der Druckbelastung sowie des Biegemomentes beruht auf einem entsprechenden Berechnungsmodell, das mit dem Dünnschichtsensorsystem eine axial wirkende Kraft, ein Biegemoment auf die Arbeitsspindel sowie dessen Richtung bestimmen kann. Auf Basis dieser Grundlage wurde ein Mess- und Diagnosesystem erstellt, mit welchem alle relevanten Messgrößen erfasst und analysiert werden können.

Schließlich wurde die sensorintegrierte Werkzeugspindel exemplarisch in eine Hobel- und Kehlmaschine integriert und die Anbindung der Auswerteeinheit an die Not-Aus-Schaltung der Maschine gekoppelt. In den Versuchen unter realen Bearbeitungsbedingungen konnte gezeigt werden, dass die Einspannsituation eines Werkzeugs zuverlässig erfasst werden kann. Zudem konnte gezeigt werden, dass das System in der Lage ist, bei einem Werkzeug mit einer Gesamtmasse von 33,5 kg eine Unwucht mit einer Unwuchtmasse von nur 25,24 g zu detektieren. Darüber hinaus wurde in Hobelversuchen mit Schnitttiefen von 2 bzw. 4 mm gezeigt, dass das Drehmoment und somit auch die Schnittkraft in Abhängigkeit der Schnitttiefe erfasst wird.

Der Abschlussbericht◥ ist bei der Technischen Universitätsbibliothek (TIB) Hannover erhältlich.

 


 

Aktive und passive Staub- und Späneerfassung

Titel: Aktive und passive Staub- und Späneerfassung unter besonderer Berücksichtigung von Bearbeitungszentren und der Hochgeschwindigkeitszerspanung

Bewilligungszeitraum: 01.10.1995 – 31.12.1997, AiF Fördernr.: 10360

Neben der Lärmbelastung stellen Staubemissionen eines der größten gesundheitsgefährdenden Potentiale in der zerspanenden Holzbearbeitung dar, da die Holzstäube die Atemwege der Mitarbeiter belasten können. Zusätzlich wird das Stapeln von Werkstücken aufgrund verschmutzter Oberflächen erschwert. Als weiterer wirtschaftlicher Faktor kann die zusätzlich investierte Arbeitszeit für manuelle Reinigungstätigkeiten von bearbeiteten Werkstücken gezählt werden.

Zusätzlich wird der Einsatz berührungsloser Sensorsysteme verhindert oder eingeschränkt, der eine Voraussetzung für eine zurzeit stagnierende Automatisierung in der Holzbearbeitung ist. Erhebliche wirtschaftliche Potentiale liegen durch die während der Bearbeitung nicht oder ungenügend stattfindende Staub- und Späneerfassung brach.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens war es ein erklärtes Ziel, die Effektivität von Erfassungselementen in Oberfräsen und Bearbeitungszentren sowohl hinsichtlich der Staub- als auch von der Kostenseite zu optimieren und dies auch anhand praktisch umgesetzter Prototypen zu belegen. Zur Realisierung dieses Zieles mussten im Vorfeld grundlegende Parameter der Strömungsförderung vor dem Hintergrund der Anwendung in der Holzbearbeitung auf Versuchsständen ermittelt und mit Hilfe geeigneter Maßnahmen optimiert werden.

Das Ziel des Forschungsvorhabens war es, die Effektivität von Erfassungselementen in Oberfräsen und Bearbeitungszentren sowohl hinsichtlich der Staub- als auch von der Kostenseite zu optimieren und dies auch anhand praktisch umgesetzter Prototypen zu belegen. Die strömungsmechanische Förderung von Partikelkollektiven wurde im Strömungskanal mit unterschiedlichen passiven und aktiven Förderhilfen beeinflusst. Dabei stellte sich heraus, dass eine aktive Beeinflussung durch beispielsweise Drehbürsten oder Druckluftdüsen nicht nur unwirtschaftlich, sondern in der praktischen Umsetzung auch zu kompliziert und zu unzuverlässig ist. Erfolgversprechende Konzepte wie das Bürstenlamellenprinzip oder geschlossene Prallflächenkonzepte wurden im Kanal weiter verfeinert und anschließend auf dem Fräsversuchsstand unter realen Zerspanungsbedingungen erprobt. Im Zusammenhang mit der induzierten Wirbelströmung des Werkzeuges stellte sich heraus, dass eine gleichsinnige Überlagerung von Wirbelfeld und beispielsweise von einer Lamellenprallfläche erzeugtem Sekundärströmungsfeld in Fräserumgebung eine Verbesserung des Erfassungsgrades um energetisch bis zu 30 % bewirkt. Es wurden Saugkopfprototypen entwickelt, deren Funktions- und Konstruktionsprinzipien auf andere Bearbeitungszentren und Oberfräsmaschinen übertragen werden können.

Der Abschlußbericht◥ ist bei der Technischen Universitätsbibliothek (TIB) Hannover erhältlich.

 


 

Weitere abgeschlossene Forschungsvorhaben

Optimierter Abstapelprozess für plattenförmige Werkstücke in der Möbelproduktion (2011) — AIF-1-34◥

MINUS ZEHN - Ganzheitliche Lärmreduktion in der Holzbearbeitung (2010) — Abschlussbericht◥

Automatisiertes Stanzen in Holz und Holzwerkstoffen (2009) — AIF-16391◥

Automatisiertes Off-Line-Rüsten von Ummantelungsanlagen (CAM Ummanteln) (2009) — AIF-15244◥

Rüstzeit- und Prozessoptimierung beim Ummanteln (2007) — AIF-14525◥

Werkzeugschnittstelle mit integrierter Sensorüberwachung für die Holzbearbeitung (2007) — AIF-14273◥

Prozessintegrierte Reinigung und Kühlung von Holzbearbeitungswerkzeugen mit Kohlendioxidpartikeln (2006) — AIF-14278◥

Stanzen von Bohrungen zur Leistungssteigerungen an Durchlaufanlagen und Bearbeitungszentren (2006) — Stiftung Industrieforschung (S 670)◥

Qualitätskontrolle mittels Speckle-Interferometrie (2005) — AIF-13854◥

Einsatz von Submikro-Schneidkeramiken zum Fräsen von Holzwerkstoffen (2005) — AIF-13440◥

Ökologische Herstellung von Holzhäusern durch Entwicklung und Umsetzung automatisierter und fertigungsoptimierter Produktionsprozesse (2004) — Schlussbericht◥

Qualitätssicherung durch Prozesskontrolle an einem Bearbeitungszentrum mittels Bildverarbeitung (2004) — AIF-13205◥

Vermeidung von Leim- und Harzablagerungen auf Holzbearbeitungswerkzeugen durch Antihaftstrukturen und ‑beschichtungen (2002) — AIF-12624◥

Optimierung der Oberflächenqualität bei der Massivholzbearbeitung unter besonderer Berücksichtigung von Spanschlägen (2002) — AIF-12418◥

Aggregatoptimierte Staub- und Späneerfassung an Bearbeitungszentren unter besonderer Berücksichtigung des Werkzeugwechslers (2001) — AIF-12271◥

Schallemissions- und Zerspankraftanalyse an homogenen Referenzwerkstoffen zur Prozessüberwachung bei der Holzbearbeitung (2000) — AIF-11630◥

Automatisierte Bestimmung der Jointintervalle beim Hobeln durch Online-Messung der Messerschlagsweiten (2000) — AIF-11539N◥

Optimierung und Automatisierung eines Verfahrens zur Bewertung von Massivholzoberflächen (1998) — AIF-10812N◥

Leistungssteigerung des Bandsägens zur wirtschaftlichen Fertigung konturierter Bauteile aus Holz und Holzwerkstoffen (1998) — AIF-10506◥

Werkstückangepasste Handhabungssysteme zur Beschickung flexibler Holzbearbeitungsmaschinen (1998) — AIF-10505◥

Optimierung des Lackzwischenschliffes von Holz bei Beschichtung mit Wasserlacken (1997) — AIF-10223◥

Schleifen von Konturen in plattenförmigen Bauteilen aus Holz und Holzwerkstoffen (1996) — AIF-9988◥

 


 

Bezugsquellen für die aufgeführten Berichte

Die Berichte liegen bei der Technischen Universitätsbibliothek (TIB) Hannover vor und können dort angefordert werden. Darüber hinaus können die Berichte auch über das IWF abgerufen werden.

 

 


Bildnachweis: IWF der TU Braunschweig