Industrie 4.0: Minimierte Schwingungen beim Fräsprozess

Schwingungen beim Fräsen verursachen rauere Oberflächen, Werkzeugverschleiß und Ausschuss. Das Fraunhofer IPT hat im Forschungsprojekt »FixTronic« gemeinsam mit Partnern ein Spannsystem nebst Software entwickelt, das Schwingungen minimiert und die Fräsprozesse stabiler und kostengünstiger macht.

Aktives Spannsystem mit Werkstück Bildquelle: © Fraunhofer IPT

Zur aktiven Stabilisierung des Fräsprozesses integrierten das Aachener Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT Sensoren in ein Spannsystem, mit denen sich der Zustand des Werkstücks während der Fräsbearbeitung überwachen lässt. Piezoaktoren erzeugen dann bei Bedarf eine gezielte Gegenschwingung auf das Werkstück, um die Schwingung des Fräswerkzeugs zu minimieren.

Werkstückdynamik Bildquelle: © Fraunhofer IPT

Simulation der veränderten Werkstückdynamik

Versuche zeigten, dass sich mit dieser Methode die Schwingungen im Werkstück selbstständig um mehr als 70 Prozent reduzieren lassen.  Das Spannsystem lässt sich mit der Werkzeugmaschine vernetzen, sodass eine 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. 

Um die Schwingungen des Werkstücks noch weiter zu reduzieren, nutzen die Ingenieure des Fraunhofer IPT eine selbst entwickelte Simulationssoftware. Damit lässt sich der Fräsprozess vor der eigentlichen Bearbeitung simulieren und kritische Spindeldrehzahlen werden vermieden, die zu einer Anregung der Eigenfrequenzen des Werkstücks führen würden, 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.