Energieeffizienz beim Werkzeugspannen

pb,

Spannsystem aus Formgedächtnis-Legierungen

Werkzeugspannsysteme besitzen einen erheblichen Einfluss auf die Präzision und die Wirtschaftlichkeit von Zerspanprozessen. Bei herkömmlichen Spannsystemen wird die notwendige Spannkraft zum Fixieren der Werkzeugaufnahme mithilfe von Federpaketen aufgebracht. Die notwendige Kraft zum Lösen der Aufnahme wird unter hoher Energieaufnahme durch eine hydraulische Löseeinheit realisiert. Daher erforschen Ott-Jakob Spanntechnik und das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover ein neuartiges Spannkonzept auf Basis bidirektional wirkender Aktoren aus Formgedächtnislegierungen.

Ott-Jakob Spanntechnik und das IFW der Leibniz Universität Hannover erforschen ein neuartiges Spannkonzept auf Basis bidirektional wirkender Aktoren aus Formgedächtnislegierungen. © IFW

Die präzise und wirtschaftliche Zerspanung wird maßgeblich durch die Einspannung des Werkzeugs beeinflusst. Herkömmliche Spannsysteme nutzen Federpakete zur Aufbringung der notwendigen Spannkraft Fspann. Das Lösen der Werkzeugaufnahme wird mittels einer hydraulischen Löseeinheit realisiert, die eine Lösekraft aufbringt. Die Löseeinheit besitzt einen vergleichsweise hohen Energiebedarf, da sie während des Betriebs den Hydraulikdruck dauerhaft aufrechterhalten muss, um schnelle Werkzeugwechselzeiten zu ermöglichen. Daher arbeiten Ott-Jakob Spanntechnik und das IFW an einem innovativen Ansatz eines neuen Werkzeugspannsystems. Anstelle der Federpakete und einer hydraulischen Löseeinheit wird im Forschungsprojekt „FGL-Spann“ ein Spannsystem mit bidirektional wirkender Aktorik aus Formgedächtnislegierungen (FGL) entwickelt. Die Aktorik vereint die Spann- und Lösefunktion und ermöglicht potenziell die Substitution der hydraulischen Löseeinheit und der Federpakete. Zudem kann der notwendige Bauraum für das Gesamtsystem reduziert werden.

Anzeige

Mehr Funktionalität durch Formgedächtnislegierung

Der Spannmechanismus herkömmlicher Werkzeugspannspannsysteme setzt sich aus den Federpaketen, der Zugstange und dem Spannsatz der Werkzeugaufnahme zusammen. Die benötigte Spannkraft wird durch das Zusammenwirken der Federpakete und einem Spannsatz erzeugt. Zum Lösen der Einspannung und zum Ausdrücken der Werkzeugaufnahme wird ein Hydraulikaktor verwendet, der die notwendige Lösekraft mit einem Hydraulikstempel entgegen der Spannkraft aufbringt.

Der hohe Energiebedarf der hydraulischen Löseeinheit herkömmlicher Systeme ist vor allem bei den aktuellen Energiekosten kritisch zu beurteilen. Diesem Nachteil soll mithilfe einer neuartigen Aktorik basierend auf FGL entgegengewirkt werden. FGL weisen eine hohe Energiedichte auf. Somit ist es auf engstem Bauraum möglich, hohe Kräfte bei gleichzeitig hohen Stellwegen zu erzeugen. Der Arbeitsbereich von FGL-Aktorik ist vergleichbar mit dem eines herkömmlichen Hydraulikaktors. Für die Betätigung des FGL-Aktors wird der Formgedächtniseffekt genutzt.

Aufbau und Funktion federbasierter Werkzeugspannsysteme © IFW

FGL zeichnen sich dadurch aus, dass durch eingebrachte Energie, zum Beispiel in Form von Wärme, eine Längenänderung erfolgt. Dieser Effekt kann zur Realisierung von Kräften und Stellbewegungen verwendet werden. Nach Abkühlung des Aktors stellt sich automatisch der Ausgangszustand wieder ein. Diese bidirektionale Längenänderung zwischen Nieder- und Hochtemperaturphase basiert auf dem Umklappen der molekularen Gitterstruktur zwischen dem verzwillingten und entzwillingten Gitterzustand beziehungsweise dem Wechsel zwischen der Martensit- (kalter Zustand) und der Austenitphase (warmer Zustand). Der beschriebene Effekt wird als Zwei-Wege-Effekt bezeichnet. Durch den Wechsel zwischen der Nieder- und Hochtemperaturphase kann der Aktor bidirektional eingesetzt werden. Im Aktor können also beide Funktionen herkömmlicher Systeme – das heißt das Spannen und auch das Lösen der Werkzeugaufnahme- vereint werden.

Design eines thermischen FGL-Aktors für eine Frässpindel

Der auf dem Zwei-Wege-Effekt basierende bidirektional wirkende FGL-Aktor soll als Retrofitlösung in ein am Markt erhältliches Spannsystem integriert werden können. Daher gelten dieselben Anforderungen an den FGL-Aktor wie an konventionelle Systeme. Ziel ist die Realisierung einer Spannkraft von mindestens 5,8 kN sowie einer Lösekraft von mindestens 3,0 kN. Gleichzeitig ist der notwendige Hub mit 7,4 mm definiert. Zur Umsetzung der angestrebten Retrofitlösung ist die Baugröße auf einen maximalen Außendurchmesser von 34 mm sowie eine maximale Länge von 405 mm begrenzt. Es wird weiterhin eine möglichst geringe Schaltzeit benötigt, um die notwendige Dynamik für den Werkzeugwechsel zu ermöglichen.

Entsprechend der Anforderungen wurden verschiedene Legierungsarten sowie Aktorgeometrien hinsichtlich ihrer potenziellen Leistungsfähigkeit analysiert. Dabei wurde die Legierung NiTiCu7,5 aufgrund der hohen erreichbaren Dehnung von 8 % und der hohen maximal zulässigen mechanischen Spannung von 300 MPa als potenziell geeignete Legierung identifiziert. Gleichzeitig weist das Material eine hohe Zyklenstabilität auf, was einen positiven Effekt auf die Reproduzierbarkeit der Einstellbarkeit der Aktorkraft erwarten lässt. Bezüglich der geometrischen Aktorform wurden als geeignetes Konzept Aktordrähte aus der zuvor gewählten Legierung identifiziert.

Parameter egeben einen Spannhub von 7,52 Millimeter

In der Hochtemperaturphase wird durch das Aufheizen der Drähte die Spannkraft aufgebracht. Beim Abkühlen mithilfe eines Luftstroms wird beim Wechsel in die Niedertemperaturphase die Lösekraft realisiert. Dieses Wirkprinzip wurde gewählt, da der Zwei-Wege-Effekt bei der Realisierung von Kräften ein anisotropes Verhalten aufweist. Aufgrund der Anisotropie sind die Kräfte, die aus der Phasenumwandlung bei Erwärmung resultieren, höher als die Kräfte der Phasenumwandlung beim Abkühlen. Die Betätigung der thermischen FGL-Aktordrähte erfolgt durch elektrisches Widerstandsheizen. Durch den gewählten Drahtdurchmesser von 1,5 mm wird gezielt eine hohe Dynamik beim Schalten begünstigt, da sich die geringe thermische Masse je Draht positiv auf die Dauer der Heiz- beziehungsweise Kühlvorgänge auswirkt.

Konzept des thermischen FGL-Aktors © IFW

Die Aktordrähte werden mithilfe von Madenschrauben in der Drahtaufnahme sowie dem Drahtklemmring fixiert. Um ein Abknicken der Drähte während der Aufbringung der Lösekraft zu verhindern, wurden drei Drahtführungen zwischen der Drahtaufnahme und dem Drahtklemmring vorgesehen. Die maximal realisierbare Kraft pro Draht ergibt sich mit einer zulässigen Spannung von 300 MPa (Herstellerangabe) und einem Drahtquerschnitt von 1,77 mm2 zu 530,14 N. Mit dem derzeitigen Aktorkonzept ist eine Parallelschaltung von 20 Drähten vorgesehen, sodass potenziell eine maximale Gesamtkraft von 10,6 kN ermöglicht wird. Durch Ausnutzung der gesamten verfügbaren Bauraumlänge – das heißt einem FGL-Aktor mit einer Gesamtlänge von 405 mm und einer freien Arbeitslänge von 376 mm – ist somit potenziell ein maximaler Spannhub von 7,52 mm erzielbar.

Unter Ausnutzung von 2 % Dehnung wird somit die Anforderung des notwendigen Spannhubs von 7,4 mm erfüllt und der Draht nicht im Grenzbereich belastet. Weiterhin würden höhere Dehnungen zur Reduzierung der maximal erreichbaren Lebensdauer der Aktordrähte führen. Mit der hier genutzten Parameterkombination wird eine Lebensdauer von mehr als zwei Millionen Zyklen erwartet.

Zusammenfassung und Ausblick: energieeffizienteres Spannsystem auf verringertem Bauraum

Das innovative FGL-Aktorkonzept nutzt den Formgedächtniseffekt aus, um die notwendigen Stellbewegungen auszuführen und die benötigten Kräfte zu realisieren. Ziel ist es, die für den Spannzyklus benötigte Energie zu reduzieren. Der FGL-Aktor wird als bidirektional wirkendes System entwickelt, sodass die getrennte Spann- und Lösefunktionen herkömmlicher Spannsysteme in einer Komponente vereint werden. Dies ermöglicht die Substitution der hydraulischen Löseeinheit und sorgt so für eine Reduzierung des Energiebedarfs. Durch das innovative Design des FGL-Aktors wird somit ein potenziell energieeffizienteres Spannsystem auf verringertem Bauraum realisiert.

Gefördertes Forschungsprojekt

Das Forschungsprojekt „FGL-Spann“ wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) und von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) betreut.

Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena (1959), Institutsleiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW), Leibniz Universität Hannover

Dr.-Ing. Heinrich Klemme (1987), Leiter des Bereichs Maschinen und Steuerungen am IFW, Leibniz Universität Hannover

M.Sc. Jannes Vornkahl (1997), Wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung Maschinenkomponenten am IFW, Leibniz Universität Hannover

Anzeige
Jetzt Newsletter abonnieren

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige

Embedded KI in Wärmepumpen

Sensorboard mit Intelligenz

Embedded-KI hat das Potenzial, die Industrie in vielerlei Hinsicht zu transformieren. Von der Effizienzsteigerung über die Qualitätssicherung bis hin zur Energieeffizienz und Innovation bietet diese Technologie zahlreiche Vorteile. Mittels...

mehr...
Anzeige
Anzeige

Nominierung Produkte des Jahres 2024

ABB: IE5-SynRM

ABB bietet jetzt einen IE5-Ultra-Premium-Motor für explosionsgefährdete Bereiche an. Er arbeitet mit 40 Prozent weniger Energieverlusten auch unter schwierigsten Bedingungen – zum Beispiel in explosionsgefährdeten Bereichen und ist Wettbwerb um die...

mehr...
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige