Simo Schmidt

Inhalt: Zur Verbesserung der dynamischen Eigenschaften und zur Reduzierung der Materialkosten von Werkzeugmaschinen gibt es die Bestrebung, neue Werkstoffe, die sich durch hohe Dämpfung und einen guten dichtebezogenen E-Modul auszeichnen, im Werkzeugmaschinenbau einzusetzen. Zementbetone bieten hier hohe Potenziale, haben jedoch den Nachteil einer geringen Zugfestigkeit. Daher müssen die auftretenden Zugkräfte, insbesondere in den örtlichen Bereichen der Krafteinleitung (Schraubenverbindungen) der einzelnen Gestellbauteile von Werkzeugmaschinen, bekannt sein. Dieser Artikel stellt zwei Methoden zur in-situ-Ermittlung der dynamischen Schraubenzusatzkräfte vor und zeigt dessen Vor- und Nachteile sowie die sich daraus ergebenden Einsatzgebiete auf. Diese Methoden können auf eine Vielzahl von Schraubenverbindungen übertragen werden.

Kurzfassung Für produzierende Unternehmen eröffnen sich durch die zunehmende Digitalisierung im Rahmen der Industrie 4.0-Initiative neue Möglichkeiten und Chancen. Dieser Beitrag zeigt am Beispiel des am Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen entwickelten IoP-Demonstrators die notwendigen Hard- und Software-Komponenten zur erfolgreichen Einführung einer geeigneten Netzwerkarchitektur für die Digitalisierung der Werkstattebene bei produzierenden Unternehmen.

Schwingungen im spanenden Bearbeitungsprozess können nicht vermieden werden. Allein die Rotation z. B. eines Fräswerkzeuges führt zu einer harmonischen Fremderregung der Werkzeugmaschine in der Drehfrequenz. Neben derartigen Fremderregungen sind auch selbsterregte Schwingungen – wie das klassische " Rattern " – eine große Herausforderung für produzierende Unternehmen. Hilfsmassendämpfer (HMD) sind eine Möglichkeit sowohl fremd-als auch selbsterregte Schwingungen zu reduzieren. Der meist einfache Aufbau eines HMD führt zu sehr geringen Kosten in der Umsetzung. Allerdings ist der passive HMD in der Regel nur auf eine einzige kritische Resonanzstelle abgestimmt. Verändert nun die Maschine ihre dynamischen Eigenschaften, beispielsweise infolge der kürzeren Auskragung des Z-Schiebers einer Portalmaschine oder eines Bohrwerkes, so kann der HMD nicht mehr seine optimale Wirkung entfalten. Der sogenannte Mehrmassendämpfer (MMD) setzt im Vergleich zum HMD mehrere, aufeinander abgestimmte Einzelmassen ein. Durch die Verteilung der Einzelmassen wird die Robustheit des Zusatzsystems bezüglich einer Veränderung oder Fehleinschätzung der dynamischen Eigenschaften der Maschine gesteigert, sodass der Wirkbereich und damit der Nutzen des Zusatzsystems effektiver und praxistauglicher wird. Die in dieser Arbeit vorgestellte Auslegung für MMDs nutzt anders als bisherige Ansätze die Finite Elemente Methode (FEM) zur physikalischen Berechnung des Schwingungsverhaltens der Maschine. Somit wird die Genauigkeit der Auslegung durch eine exaktere Approximation der Maschinenstruktur erhöht. Neben der Schwingungsamplitudenreduktion infolge einer Fremderregung wird in diesem Beitrag insbesondere auf die Stabilität des Bearbeitungsprozesses und damit auf selbsterregte Schwingungen (z. B. regeneratives Rattern) eingegangen. Mit der vorgestellten neuartigen Auslegungsmethode sollen selbsterregte Schwingungen nachhaltig vermieden werden.

The constant increase in productivity and manufacturing efficiency drives the industry to incorporate optimization techniques beyond the capabilities of manual optimization and numerous iterative loops within the product design phase. As a result, topology optimization is becoming an integral part of the design process. Nevertheless, design proposals obtained from topology optimization do not always meet all manufacturing constraints, and can be difficult to interpret. Usually, these proposals have to be modified more or less extensively by experienced engineers to be viable for prototyping and production. Oftentimes, these manual modifications and redesigns adversely affect the optimality of the design proposal.
This problem is particularly evident for cast parts. One of the reasons for poor castability is the occurrence of substructures with large cross-sectional areas connected to thin struts, large pockets of material, and other discontinuities in wall thicknesses within the part, all of them increasing the risk of casting defect formation. Some commercial topology optimization tools already allow for the consideration of maximum member sizes. This restriction aims to decrease the possible range of wall thicknesses that can occur within the design proposal. The implementation in mathematical optimization methods is fairly unproblematic. For heuristic iterative optimization methods, which might start with a full design space and huge member sizes, the matter becomes rather difficult.
Using a new binary material topology optimization method developed at the Volkswagen AG as a starting point, a mechanism was designed to enforce maximum member sizes via repetitive discrete events within the optimization process. These act as a penalization of substructures with maximum member sizes exceeding a specified limit, but allow for the structure to be repaired by the optimizer between these events. The modified optimization method was successfully tested for robustness and convergence on two- and three-dimensional academic test problems and industrial parts. In direct comparison to a commercial topology optimization product, the obtained results were promising. To increase the coverage of the possible solution space, a mechanism for optimization branching was developed. The possibility to simultaneously pursue both an unaltered and modified version of the structure at each discrete penalization event generates a binary tree of variations which have been shown to converge in several different local optima with a high degree of optimality, considering the additional member size restriction. This work was done to provide a framework for further development of both maximum member size restrictions and branching optimizations embedded in a heuristic iterative optimization process.

Werkzeugmaschinen unterliegen während der Bearbeitung Schwingungen, die, bei ungünstiger Anregung und in Abhängigkeit der strukturdynamischen Eigenschaften der Maschinenstruktur, problematisch sein können. Um daher schädliche Schwingungen zu vermeiden oder zu bedämpfen, kommen neben prozessseitigen und strukturellen Maßnahmen auch dynamische Zusatzsysteme in Frage, die in der Lage sind, Schwingungsenergie zu dissipieren (passive Systeme) oder durch gegenphasige Regelkräfte der Schwingung entgegenzuwirken (aktive Systeme). Passive Systeme eignen sich aufgrund geringer Anschaffungs-und Betriebskosten gut zum Einsatz in Werkzeugmaschinen. Deren Auslegungs-und Inbetriebnahmeprozess ist aktuell jedoch nicht flexibel, nicht automatisiert und daher zeitintensiv. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher eine praxistaugliche Methodik erarbeitet, um den Einsatz passiver Zusatzsysteme von der Auslegung über die optimale Positionierung dieser Systeme bis hin zur Inbetriebnahme stark zu erleichtern und zu automatisieren. Dabei wird darauf zurückgegriffen, dass in der wissenschaftlichen und industriellen Praxis aufgrund der Durchdringung des Entwicklungsprozesses mit rechnergestützten Methoden häufig FEM-Modelle der Maschinenstrukturen vorliegen. Diese FEM-Modellinformationen lassen sich effizient im gesamten Auslegungsprozess nutzen. Zunächst wird eine energiebasierte Systemreduktionsmethode vorgestellt, mit der die Bestimmung eines für die Auslegung nötigen, äquivalenten Schwingsystems flexibel möglich ist. Anschließend wird das Konzept des mehrstufigen Mehrmassendämpfers vorgestellt und behandelt. Dieses System aus gemeinsam und aufeinander abgestimmten Einzelmassen wird analytisch a-priori berechnet. Es lässt sich auf der Maschinenstruktur räumlich verteilen, wobei optimale Anbindungspositionen automatisch bestimmt werden. Die Arbeit schließt mit der praktischen Umsetzung von Mehrmassendämpfern und deren messtechnischer Verifikation sowie Erprobung in einer Werkzeugmaschine. Die hier vorgestellte Methodik ist weiterhin auch auf Messdaten anwendbar und ermöglicht die flexible Auslegung eines robusten Dämpfersystems mit einer großen Anzahl räumlich verteilter Einzelmassen. Durch die automatische Integration in FE-Berechnungsmodelle kann eine gute, simulative Prognose der verbesserten dynamischen Eigenschaften durch den Einsatz von schwingungsdämpfenden Zusatzsystemen erfolgen. Durch ein inverses Design des Dämpfersystems basierend auf zuvor erfassten mechanischen Eigenschaften geeigneter Koppelelemente entfallen außerdem zeitintensive Anpassungen während der Inbetriebnahme.