Messen statt kühlen

Maschinen, mit denen große Bauteile hergestellt werden, verlieren durch Temperaturschwankungen deutlich an Präzision: Schon durch wenige Grad Abweichung können sich Maschine und Bauteil so stark verformen, dass das Ergebnis unbrauchbar wird. Bisher dienten meist aufwändige und kostspielige Klimaanlagen dazu, die schwer kontrollierbare Wärmeausdehnung in den Griff zu bekommen. Mit einem neuen Messsystem lassen sich Veränderungen an Maschine und Bauteil ermitteln und Fehler bereits im laufenden Fertigungsprozess kompensieren.

Der Autor: Michel Klatte, wissenschaftlicher Mitarbeiter, Fraunhofer IPT, Aachen

Rund 75 % 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. Denn durch eine gleichbleibende Temperatur lässt sich die Verformung der Maschine bereits im Vorfeld vermeiden.

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.

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT geht jetzt mit den Projektpartnern SHW Werkzeugmaschinen GmbH und SHW Bearbeitungstechnik GmbH einen anderen Weg: Ziel des gemeinsamen Forschungsprojekts „EPSIS – Energieeffizienz und Präzision durch strukturintegrierte Sensorik“ ist es, die Genauigkeit der Werkzeugmaschinen auch ohne aufwändige Temperierungstechnik zu stabilisieren.

Preiswerte Sensoren ersetzen teure Klimatechnik

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 m 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.

Kostengünstig und genau – Ergebnisse vielversprechend

Erste Testreihen unter den üblichen Bedingungen der Fertigung großer Bauteile zeigten bereits, dass äußere Einflüsse wie Schwingungen oder Ölnebel keinen negativen Einfluss auf das Messergebnis nehmen. Das neue Messsystem wäre damit robust genug für den industriellen Einsatz. In einem nächsten Schritt wollen die Aachener Forscher detailliert ermitteln, wie anhand der erhobenen Daten die Positionierfehler der Maschinenachse korrigiert werden können. Ziel ist es, automatisch die Fertigungsfehler auszugleichen, die durch die Verformung der Maschinenkomponenten entstehen. Außerdem sollen weitere Sensorsysteme installiert werden, um ein noch umfassenderes Bild der gesamten Maschine zu gewinnen. I