Preiswerte Sensoren ersetzen Klimatechnik
Sensorik steigert Effizienz und Präzision von Werkzeugmaschinen
Temperaturschwankungen führen zu Verformungen von Werkzeugmaschinen und Bauteilen, sodass ohne Klimatisierung der Produktionsräume der Ausschuss steigt. Durch geeignete Sensorik können Fehler schon im Fertigungsprozess kompensiert und große Teile der Klimatisierungskosten gespart werden.
Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT entwickelt gemeinsam mit den Projektpartnern SHW Werkzeugmaschinen GmbH und SHW Bearbeitungstechnik GmbH Messtechnik, die bereits im Fertigungsprozess Veränderungen an Maschine und Bauteil ermittelt und im Fertigungsprozess Abweichungen kompensiert. Dies ermöglicht ein hochgenaues Arbeiten der Maschinen unabhängig von der Umgebungstemperatur, womit ein hoher Anteil Klimatisierungskosten gespart werden kann.
Rund 75 Prozent aller Fertigungsfehler bei Bauteilen sind auf Temperaturschwankungen zurückzuführen – vor allem bei großen Bauteilen und entsprechend großen Maschinen, da die Wärmeausdehnung sich über sehr lange Strecken besonders bemerkbar macht. Ein gängiger Lösungsansatz ist es hier, Maschine und Umgebung auf einem konstanten Temperaturniveau zu halten. Allerdings funktioniert diese Methode nur zufriedenstellend, wenn sowohl die Klimatisierung als auch die Maschine rund um die Uhr eingeschaltet bleiben. Sonst kann es sehr lange dauern, bis der stabile Zustand wieder erreicht ist. Zudem ist die Temperierung der Maschinen mit einem sehr hohen Energieeinsatz verbunden.
Ziel der Forschungsprojektes »EPSIS – Energieeffizienz und Präzision durch strukturintegrierte Sensorik« ist es, die Genauigkeit der Werkzeugmaschinen auch ohne aufwändige Temperierungstechnik zu stabilisieren. Dazu wird die Verformung der Maschine durch eine Vielzahl integrierter Sensoren ständig überwacht. Ein mathematisches Modell, in dem die Daten weiterverarbeitet werden, bildet die Grundlage für eine näherungsweise Vorhersage der Fehler, die am Bauteil entstehen würden. Sind diese Fehler erst einmal bekannt, kann die Maschine die Bearbeitung entsprechend anpassen und so die Fehler kompensieren. Indem die Maschinenverformung kontinuierlich überwacht und vorausberechnet wird, kann die Maschine selbst völlig ohne Klimatisierung hochgenau arbeiten. Die Betreiber von Werkzeugmaschinen können mit dem Einsatz des Sensorsystems also einen beträchtlichen Teil ihrer Betriebskosten sparen. Beim Entwicklungspartner SHW Werkzeugmaschinen GmbH wurde dafür ein Messsystem installiert, mit dem sich die Ausdehnung eines 20 Meter langen Maschinenbetts direkt erfassen lässt. Das System zeigt an, wie das Maschinenbett bei unterschiedlichen Temperaturen arbeitet. Die Genauigkeit der Messungen ist vergleichbar mit der eines Laserinterferometers – wie es aussieht, jedoch zu einem Bruchteil der Kosten.
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