Fraunhofer IWU mit Innovationen für eine ressourceneffiziente Produktion

In Kugelgewindemuttern integrierte Formgedächtnisaktoren gewährleisten die Prozessstabilität von Werkzeugmaschinen (Quelle: © Fraunhofer IWU)

Energie- und ressourceneffizienter produzieren: Unter dieser Zielstellung erarbeitet das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) Lösungen für die Produktion von Morgen. Anhand verschiedener Exponate präsentierte das IWU auf der EMO 2013 in Hannover seine Kernkompetenzen bei der Entwicklung und Optimierung moderner Technologien und Verfahren für aktuelle Herausforderungen in der Werkzeugmaschinenbranche.
Erstmals wurde ein am Fraunhofer IWU entwickeltes Aufstellelement präsentiert, das Maschinen und Anlagen effizient und kostengünstig gegen äußere Stoß- und Schwingungseinträge isoliert. Immer dann, wenn in der Metallbearbeitung mit besonders hoher Präzision produziert werden muss, wirken sich äußere Störeinflüsse negativ auf die Fertigungsqualität aus. Um diese Einflüsse zu reduzieren, die beispielsweise durch Maschinen und Anlagen in der Produktionsumgebung oder auch durch eine viel befahrene Straße in der Nähe der Fertigungshalle ausgelöst werden können, standen bisher insbesondere für größere Anlagen nur aufwendige passive Isolierungsmaßnahmen zur Verfügung. Das neue aktive System ist flexibel einsetzbar und schnell zu installieren, kann mit bis zu drei Tonnen belastet werden und ist sowohl für Maschinen mit Dreipunkt- als auch Vierpunktaufstellungen geeignet. Darüber hinaus erschließt die Neuentwicklung in der Inbetriebnahme und Kompensation wandernder Lasten sowie im Bereich mobiler Bearbeitungsmaschinen neue Möglichkeiten.
Ein besonders großes Optimierungspotenzial sehen die Forscher des Fraunhofer IWU im konsequenten Leichtbau dynamisch bewegter Baugruppen. Mit Faser-Kunststoff-Verbunden oder Metallschäumen lassen sich bestehende Konstruktionsgrenzen überwinden. Die Herausforderung bei Simulation und Fertigung der Bauteile liegt insbesondere in den Anforderungen an die Steifigkeit und Festigkeit des Materials. Am Fraunhofer IWU wurde ein Leichtbau-Maschinenschlitten aus Aluminiumschaum konstruiert, welcher im Vergleich zu einem konventionellen Schlitten aus Stahl trotz geringeren Gewichts eine nahezu doppelt so hohe Struktursteifigkeit aufweist. Anhand eines Z-Schiebers aus CFK zeigen die Wissenschaftler, wie trotz einer Materialeinsparung von 25 % die Baugruppensteifigkeit um 150 % erhöht werden kann – derartig umfangreiche Verbesserungen sind mit metallischen Werkstoffen nicht zu erzielen.

In technischen Prozessen entsteht oft ungewollt Wärme, bspw. durch Reibungseffekte oder in Form von thermischen Verlusten in Motoren. Diese Effekte können die Produktqualität oder auch das Verschleißverhalten von Bauteilen negativ beeinflussen. Am Fraunhofer IWU nutzen Wissenschaftler diese Wärme gezielt und wandeln sie mittels speziellen thermischen Formgedächtnislegierungen in mechanische Arbeit um. Das Ziel ist die Entwicklung völlig autarker Systeme, die aktiv in die Struktur eines Bauteils eingebunden sind und keinerlei zusätzliche Energie von außen mehr benötigen – so wie bei einer am IWU entworfenen Kugelgewindemutter: Um die Präzision des jeweiligen Bearbeitungsprozesses zu erhöhen, werden die Muttern je nach Einsatzbereich der Maschine auf einen definierten Kraftwert vorgespannt. Im Verlauf der Bearbeitung führt Reibung zur Erwärmung von Spindel und Mutter., die dadurch entstehende Ausdehnung der Komponenten beeinflusst die Vorspannkraft und verschlechtert damit die Genauigkeit des Bearbeitungsprozesses. Der am Fraunhofer IWU entwickelte strukturintegrierte Formgedächtnisaktor nutzt diese Prozesswärme jedoch und kompensiert die Ausdehnung. Somit kann die Bearbeitungsgenauigkeit ohne zusätzliche Steuerung oder Energie von außen deutlich erhöht werden.

Neue Software: Multitasking für die automatisierte Qualitätssicherung
Die automatisierte Qualitätssicherung wird auch für die Automobilproduktion und den Maschinenbau immer bedeutsamer. Um Zusammenhänge und notwendige Kennzahlen auch innerhalb von komplexen Prozessketten zu ermitteln, sollte eine moderne Qualitätssoftware eine Vielzahl von Prüf- und Messaufgaben in einem System zusammenführen und im Idealfall automatisiert auswerten. Hierfür benötigen herkömmliche Systeme aber in der Regel sehr viel Rechenzeit. Am Fraunhofer IWU wurde die Software Xeidana® (eXtensible Environment for Industrial Data ANAlysis) entwickelt, die speziell auf diese Anforderungen ausgerichtet ist. Dem Anwender wird ein vollständiges Lösungspaket zur Verfügung gestellt, das Aufgaben von der Datenakquisition bis hin zur automatisierten Qualitätskontrolle abdeckt. Die Besonderheit: Mit Xeidana® kann eine vergleichsweise hohe Anzahl von Daten verschiedener Sensorsysteme parallel erfasst und automatisch ausgewertet werden, wobei diese multisensorielle Qualitätskontrolle die Kombination einer Vielzahl verschiedener Sensortypen ermöglicht. Die Software erfasst und analysiert so beispielsweise Thermografiebilder und optische Livevideos gemeinsam mit den Informationen von Ultraschall- oder Wirbelstromsystemen. Die Daten werden in einem individuell visualisierbaren Arbeitsbereich abgelegt und automatisiert ausgewertet. Für die notwendige Rechenleistung sorgt eine Optimierung für Mehrkernsysteme.
Gemeinsam mit Industriepartnern wurde am IWU auch ein neues Konzept für die energieeffizientere Schleifbearbeitung von Nocken mittels Minimalmengenschmierung entwickelt. Über 80 % der benötigten Energie werden derzeit allein für die Zuführung, Aufbereitung und Kühlung des Kühlschmierstoffes verwendet. Die neue thermisch optimale Bearbeitungsstrategie der IWU gestaltet diesen Arbeitsschritt effizienter: Die Schleifscheibe wird mit einem speziellen mikrostrukturierten Belag versehen, große Poren in der Beschichtung verteilen das Schmiermittel optimal, transportieren heiße Späne ab und reduzieren die Reibungswärme deutlich, ein Minimalmengenschmiersystem reduziert den Bedarf an Kühlschmierstoff. Das Konzept soll in einem nächsten Schritt bei einem Automobilhersteller unter Serienbedingungen getestet werden. Eine Umstellung der Technik könnte hier in etwa die Hälfte der Energie einsparen, die für den Kühl- und Schmiermittelbedarf aufgebracht werden muss. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie hat dieses Projekt im Rahmen des Energieforschungsprogramms gefördert.  

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