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FOR 1845: Ultra-Precision High Performance Cutting (UP-HPC)

Die Forschungsgruppe "Ultra-Precision High Performance Cutting" (UP-HPC) war eine von April 2014 bis Juni 2020 laufende und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte Kooperation der Bremer Universität mit der Leibniz Universität Hannover. Beteiligt waren in Bremen das Labor für Mikrozerspanung (LFM, Professor Ekkard Brinksmeier) und das Bremer Institut für Strukturmechanik und Produktionsanlagen (bime, Professor Bernd Kuhfuß) sowie in Hannover das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW, Professor Berend Denkena). Koordiniert wurde die Forschungsgruppe währen ihrer gesamten Laufzeit von Dr. Lars Schönemann (Leibniz IWT, Bremen).

Das Ziel der Forschungsgruppe war es, die unverhältnismäßig langen Haupt- und Nebenzeiten in der Ultrapräzisionsbearbeitung mit wissenschaftlichen Methoden zu reduzieren, um damit dieser Technologie zu wirtschaftlichen Einsatzmöglichkeiten in der produzierenden Industrie zu verhelfen. Hierzu wurden in fünf Teilprojekten folgende Fragestellungen erforscht:

Teilprojekt 1 „Ultrapräzise Fräsbearbeitung mit mehreren Werkzeugen“

Teilprojekt 1 „Ultrapräzise Fräsbearbeitung mit mehreren Werkzeugen“ (LFM, Bremen) beschäftigte sich mit der Erforschung und Entwicklung eines Werkzeugverstellsystems für das Diamantfräsen. Aufgrund der geforderten Präzision wird hier in der Regel auf einschneidige Werkzeuge zurückgegriffen, um Oberflächen mit Rauheiten von < 10 nm und Formabweichungen < 100 nm erreichen zu können. Für die Verwendung mehrschneidiger Werkzeuge ist ein geregeltes Verstellsystem zwingend erforderlich. Dies wurde in diesem Teilprojekt auf der Grundlage einer lokal begrenzten thermischen Dehnung des Werkzeughalters erarbeitet und untersucht. Hierzu wurde u.A. ein Referenzdesign für einen Werkzeughalter erstellt und eine mit der Spindeldrehung synchronisierte Wärmequelle („LED-Ringlicht“) entworfen. In der prototypischen Umsetzung konnte gezeigt werden, dass eine Werkzeugverstellung im Nanometerbereich bis zu mehreren Tausend Umdrehungen pro Minute erreichbar ist (Abbildung 1).

Teilprojekt 2 „Ultrapräzise Hochgeschwindigkeits-Fräsbearbeitung“

Teilprojekt 2 „Ultrapräzise Hochgeschwindigkeits-Fräsbearbeitung“ (LFM, Bremen) widmete sich der wissenschaftliche Untersuchung hoher Schnittgeschwindigkeiten beim Diamantfräsen von duktilen und sprödharten Werkstoffen. Für Metalle wurde erstmals der Übergang zur adiabatischen Scherung ab einer definierten Grenzgeschwindigkeit beim Diamantfräsen nachgewiesen, was mit sinkenden Zerspankräften und einem geringeren Werkzeugverschleiß einhergeht (Abbildung 2). Für sprödharte Werkstoffe konnte eine Vergrößerung der kritischen Spanungsdicken als Resultat von höheren Schnittgeschwindigkeiten nicht generell nachgewiesen werden. Es wurde aber gezeigt, dass die erreichbare Oberflächenqualität sich grundsätzlich verbessert, da der Anteil an Sprödbruch sich bei hohen Geschwindigkeiten verringert.

Teilprojekt 3 „Elektromagnetische Ultrapräzisions-Linearführung“

Teilprojekt 3 „Elektromagnetische Ultrapräzisions-Linearführung“ (IFW, Hannover) entwickelte eine magnetgeführte Linearachse zur Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit in der Ultrapräzisionsbearbeitung. Die neue Achse ermöglicht neben einer schnellen und reibungsfreien Linearbewegung weiterhin eine Kompensation von Bahnabweichungen in allen sechs Freiheitsgraden. Die hier entwickelte Achse erreicht eine Beschleunigung von bis zu 14 m/s und eine Verfahrgeschwindigkeit oberhalb von 6000 mm/min bei einer Positioniergenauigkeit besser als 300 nm bzw. 1.9 µrad. Durch die Anwendung einer Feed-Forward-Regelung konnten dynamische Bahnabweichungen während der Beschleunigung und Verzögerung der Achse minimiert werden. Ultimativ betragen die Bahnabweichungen über den gesamten Verfahrbereich der Achse von 90 mm weniger als 1 µm bzw. 2 µrad. Unterhalb von 2300 Hz konnten keine kritischen Eigenfrequenzen festgestellt werden.

Teilprojekt 4 „Auswuchtung von Spindeln für die ultrapräzise Hochgeschwindigkeits-Fräsbearbeitung“

Teilprojekt 4 „Auswuchtung von Spindeln für die ultrapräzise Hochgeschwindigkeits-Fräsbearbeitung“ (LFM und bime, Bremen) befasste sich mit der hochpräzisen Messung und automatisierten Kompensation von Unwuchten in ultrapräzisen Luftlagerspindeln bei hohen Drehzahlen. Es konnte gezeigt werden, dass sich Unwuchten durch eine adaptive Anpassung der Spindelanbindung („Dynamischer Hang“) mit höherer Präzision bestimmen und auswuchten lassen. In Kombination mit automatischen Auswuchtsystemen auf der Basis von Fluidaktoren (Festortwuchtung) sowie Ultraschallmotoren (Spreizwinkelmethode) konnte ein Auswuchtgrad von G0.064 in wenigen Minuten erreicht werden (Abbildung 3). Die Genauigkeit dieser Auswuchtsysteme reicht soweit, dass eine Unwucht mit herkömmlichen Systemen nicht mehr nachweisbar ist.

Teilprojekt 5 „Modellbasierte Korrektur von Werkzeugbahnen bei der Ultrapräzisionsbearbeitung“

Teilprojekt 5 „Modellbasierte Korrektur von Werkzeugbahnen bei der Ultrapräzisionsbearbeitung“ (bime, Bremen und IFW, Hannover) verfolgte das Ziel einer optimierten Steuerungs- und Regelungstechnik für die ultrapräzise Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Es wurden verschiedene Ansätze für die echtzeitfähige Steuerungen untersucht, bei denen die Steuerungsparameter adaptiv ermittelt werden. Es konnte gezeigt werden, dass der Folgefehler einer Maschinenachse mit Hilfe dynamischer Parameteroptimierung von vormals 10 nm auf weniger als 2 nm reduziert werden kann. Diese Steuerungskonzepte fanden insbesondere auf der in Teilprojekt 3 entwickelten, magnetischen Achse Anwendung, wofür die Einflüsse verschiedener Regelstrategien (dynamische Vorsteuerung, Rucklimitierung, Input Shaping) und deren Kombinationen untersucht wurden. Hierbei konnten die parasitären Schwingungen, welche den Großteil der dynamischen Achsfehler bei hohen Geschwindigkeiten ausmachen, erfolgreich minimiert werden. Insgesamt lassen sich mit der auf diese Weise optimierten Maschinensteuerung so hohe Geschwindigkeiten fahren, dass die Fertigungszeit um bis zu 25% reduziert wird.

 

Alle Entwicklungen der Forschungsgruppe wurden in einem gemeinsamen Versuchstand (Abbildung 4) zusammengeführt und in exemplarischen Zerspanversuchen getestet.

Die Forschungsgruppe FOR1845 „Ultra-Precision High Performance Cutting“ wurde im Juni 2020 nach sechseinhalbjähriger Laufzeit erfolgreich abgeschlossen. Die Ergebnisse wurden in einer gemeinsamen Abschlussveröffentlichung publiziert, die in den Springer Lecture Notes erschienen ist:

Brinksmeier, Ekkard; Schönemann, Lars (Eds.) (2022): Ultra-precision High Performance Cutting. Report of DFG Research Unit FOR 1845. 1st ed. Cham: Springer Nature Switzerland AG (Lecture Notes in Production Engineering). ISBN: 978-3-030-83764-8 (Hardcover), 978-3-030-83765-5 (eBook). DOI: 10.1007/978-3-030-83765-5.