Pinocchio, Vibrationen, Werkzeugmaschinen

Besonders bei der Bearbeitung von Blisks kommen Werkzeuge mit großer Auskraglänge zum Einsatz. Damit ist die Gefahr von Vibrationen groß. Systeme zur Unterdrückung dieser Vibrationen würden die schnellere und effizientere Bearbeitung ermöglichen. - Bild: IPT

Ein beschädigtes Werkstück, ein gebrochenes Werkzeug oder gar Schäden an der Werkzeugmaschine: Vibration bei der Zerspanung ist der Schrecken eines jeden Maschinenbedieners. Besonders anfällig für eine solche Vibration ist ein lang auskragendes Werkzeug, da hier die Gefahr von Schwingungen des Werkzeugs in der Maschine besonders groß ist. Solche Werkzeuge werden jedoch für die Zerspanung von Werkstücken mit tiefen Kavitäten immer häufiger benötigt.

Hauptgrund ist die zunehmende Variantenvielfalt und die wachsende geometrische Komplexität der Werkstücke in der spanenden Fertigung. Schwingungsarme Werkzeuge können dann dabei helfen, Bearbeitungszeiten auf der Maschine bei gleichzeitig hoher Oberflächenqualität zu minimieren. Ein breites Einsatzfeld ist der Werkzeug- und Formenbau, der besonders häufig den Einsatz eines langen Werkzeugs zum Fräsen erforderlich macht.

Aber auch bei der Bearbeitung von Komponenten für Turbomaschinen wie beispielsweise Blisks treten sehr tiefe Kavitäten auf. Diese Verdichterräder kommen in nahezu allen modernen Turbomaschinen zum Einsatz und angesichts des Booms in der Luftfahrt¬industrie und des Trends zum Downsizing im Fahrzeugmotorenbau sind sie mittlerweile gängige Bauteile, die in gewaltigen Mengen auf Werkzeugmaschinen hergestellt werden.

Tiefe Kavitäten erfordern lange Werkzeuge

Die verwinkelte und enge Geometrie kann dann nur mit besonders langen Werkzeugen zum Fräsen hergestellt werden. Damit garantiert vibrationsfrei bearbeitet werden kann, müssen die Schnittparameter an der Maschine entsprechend reduziert werden. So wird wertvolle Bearbeitungszeit auf der Werkzeugmaschine verschenkt.

Pinocchio, Vibrationen, Werkzeugmaschine
Semir Maslo ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik (IP) und leitet dort das Projekt ‚Pinocchio‘. - Bild: IPT

Das könnte sich in ein paar Jahren ändern: Im Forschungsprojekt ‚Pinocchio‘ entwickelt das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen zusammen mit einem Konsortium aus der Industrie ein flexibles Werkzeughaltersystem für Werkzeugmaschinen, das die Vibrationen bei lang auskragenden Werkzeugen minimiert oder reduziert.

Ideal wären Maßnahmen, die während der eigentlichen Bearbeitung auf der Maschine stattfinden. In einem Ansatz soll das Fräswerkzeug während der Bearbeitung in die Spindel der Werkzeugmaschine eingezogen werden. „Diese Lösung ist mit Blick auf die hohe Steifigkeit eine besonders wirksame Maßnahme. Problematisch sind aber die enorm hohen Genauigkeitsanforderungen an die Führungen und an den Motor zum Einziehen des Werkzeugs“, erklärt Projektleiter Semir Maslo vom IPT. Immerhin muss der Referenzpunkt des Werkzeugs auf µm genau bekannt sein, damit die benötigte Bearbeitungspräzision auf der Maschine erreicht werden kann. Zudem muss dann auch noch das CAM-Modul entsprechend angepasst werden.

CNC-gesteuerte Stabilisierungshülle ist der Favorit

Ein anderer Ansatz wäre es, eine Art Stabilisierungshülle CNC-gesteuert über den Schaft des rotationssymmetrischen Werkzeugs zu schieben, die das Werkzeug stabilisiert. „Der Referenzpunkt des Werkzeugs bleibt dabei unverändert und deshalb lässt sich diese Lösung einfacher ohne Genauigkeitsverlust realisieren“, erklärt Semir Maslo. Zudem müsse bei dieser Lösung das CAM-Modul nicht umprogrammiert werden. Es werde lediglich eine Software benötigt, die den Verfahrweg der stabilisierenden Hülse steuert. „Dieser Ansatz ist derzeit unser Favorit. Dennoch prüfen wir alle Alternativen“, berichtet Semir Maslo.

Pinocchio, Werkzeugmaschine, Vibration
Eine Fertigungslinie für Blisks bei MTU in München. Vibrationsarme Werkzeuge würden dabei helfen, die Produktivität zu erhöhen. - Bild: MTU

Wünschenswert wäre ein intelligentes autonomes System, das bei Vibrationen sofort reagiert und die Hülse entsprechend verfährt. Ein solches System ist allerdings laut Semir Maslo noch Zukunftsmusik: „Bei einem solchen autonomen System besteht die Gefahr von Kollisionen zwischen Stabilisierungshülse und Werkstück“, erklärt Semir Maslo. Er kann sich daher eher vorstellen, dass das System wie eine zusätzliche Maschinenachse bei der Simulation im CAM-System behandelt und in der Werkzeugmaschine entsprechend gesteuert wird. Es sei Ziel des Forschungsprojektes, Erfahrungswerte für die optimalen Verfahrwege der Hülse zur wirksamen Unterdrückung von Vibrationen zu sammeln.

Häufige Werkzeugwechsel können vermieden werden

Ebenfalls an dem Forschungsprojekt Pinocchio beteiligt ist die Firma Innoclamp. Geschäftsführer Christian Kolvenbach verweist darauf, dass Pinocchio noch einen zweiten Bereich adressiert: „Wir wollen häufige Werkzeugwechsel reduzieren und den Bearbeitungsprozess auf der Werkzeugmaschine insgesamt flexibler gestalten“. Das Unternehmen verfolgt daher den Ansatz, einen in die Spindel der Werkzeugmaschine integrierten Werkzeugwechselmechanismus zu entwickeln.

Werkzeugmaschine, Vibration, Pinocchio
Roman Kalocsay (links) und Christian Kolvenbach sind Geschäftsführer des Projektpartners Innoclamp. - Bild: Innoclamp

Dabei soll das Werkzeug nicht wie bisher über die HSK-Schnittstelle eingewechselt werden, sondern die Auskraglänge des Werkzeugs in der Maschine variiert werden können. Das System soll dazu in der Spindel über einen Mechanismus verfügen, das Werkzeug zu spannen und zu entspannen. Soll die Auskraglänge verändert werden, verfährt das Werkzeug zu einer Station, die man sich als eine Art höhenverstellbare Prallplatte vorstellen kann. Die Spannung wird dann gelöst, die Auskraglänge durch Verfahren der Spindel entsprechend variiert und anschließend wird die Spannung wieder aufgebaut.

Der Werkzeugrevolver kann entfallen

Nach Anfahren einer Station zur Vermessung der neuen Werkzeug¬länge kann die Bearbeitung dann wieder fortgesetzt werden. Warum dann nicht gleich ein neues Werkzeug mit einer passenden Länge aus dem Werkzeugmagazin einwechseln? „Tatsächlich ist der Zeitvorteil bei dieser Lösung im Vergleich zu einem klassischen Werkzeugwechsel dahin. Interessant ist der Ansatz trotzdem, weil ein Werkzeugrevolver dann nicht mehr erforderlich ist“, urteilt Semir Maslo.

Werkzeugmaschine, Pinocchio, Vibration
Aufgrund der zunehmenden Variantenvielfalt werden die zu bearbeitenden Werkstücke immer komplexer und es treten häufig tiefe Kavitäten auf. - Bild: Grob

Aber wozu der Aufwand? Kommen gerade Teile mit komplexen Geometrien in Zukunft nicht ohnehin aus dem 3D-Drucker? „Davon sind wir noch weit entfernt“, glaubt Geschäftsführer Roman Kalocsay von Innoclamp. Das Problem seien gerade bei langen Werkstücken große Eigenspannungen, die bei dem Verfahren des Lasersinterns auftreten. Deshalb sei man mit Blick auf die Genauigkeiten und Oberflächenqualitäten noch weit von den klassischen spanenden Fertigungsverfahren wie Fräsen entfernt.

Eine spanende Nachbearbeitung der mit additiven Verfahren hergestellten Teile werde noch lange erforderlich bleiben. „Genaue Passungen lassen sich mit den additiven Manufacturing-Verfahren derzeit nicht realisieren. Auch bei Führungen ist die Oberflächenqualität noch viel zu schlecht“, urteilt Roman Kalocsay.