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Maschinenbauforschung

Magnetische Führungssysteme optimieren die Zerspanung

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Magnetführungen bewähren sich im Gießerei- und Umformsektor

Werkzeuge für die Gießerei- und Umformtechnik, Komponenten aus Flugzeugtriebwerken oder Gas- und Dampfturbinen sind komplexe, hoch beanspruchte Bauteile mit hohem Reparaturaufkommen. Im Schadensfall muss zur Wiederherstellung der Bauteilgestalt und Eigenschaften Material mittels additiver Verfahren aufgetragen und anschließend spanend nachbearbeitet werden. Diese sogenannte Rekonturierung ist aufgrund freigeformter Geometriemerkmale, individueller Materialaufträge und insbesondere wegen der Nachgiebigkeit von Werkstück und Werkzeug äußerst herausfordernd.

Magnetführung gleicht Abdrängungseffekte aus

Im Projekt „Geschickte Reparaturzelle“ im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 871 erforscht das IFW den Einsatz aktiver elektromagnetischer Führungen für die Rekonturierung von Triebwerksschaufeln aus der zivilen Luftfahrt. Ziel ist es, die sensorischen und aktorischen Fähigkeiten der Führung zu nutzen, um die prozesskraftbedingte Abdrängung von Werkzeug und Werkstück dynamisch zu kompensieren und somit Gestaltabweichungen zu minimieren. Die auftretenden Prozesskräfte können dabei direkt aus den bestimmbaren und somit bekannten Magnetlagerkräften abgeleitet werden. Mithilfe eines Modells zur Bestimmung der elastischen Verformung des Werkzeugs wird auf Basis dieser Prozesskräfte dessen Abdrängung in Echtzeit berechnet. Die relative Verlagerung zwischen Werkzeug und Werkstück wird dann durch eine Korrekturbewegung der Magnetführung ausgeglichen.

Zur Umsetzung dieses Ansatzes steht am IFW eine einzigartige Versuchsmaschine zur Verfügung. Die „Neximo“ (Bild 5) ist eine 5-Achs-CNC-Fräsmaschine, die eigens für die Erforschung der Magnetführungstechnologie durch das IFW entwickelt wurde.

Bild 5: Blick auf den Maschinenprototyp „Neximo“ mit seiner elektromagnetisch geführten Z-Achse.
Bild 5: Blick auf den Maschinenprototyp „Neximo“ mit seiner elektromagnetisch geführten Z-Achse.
(Bild: IFW)

Die Führung des Schlittens erfolgt dabei mit acht Elektromagneten in O-Anordnung. Diese erzeugen jeweils eine maximale Zugkraft von 15 kN und sind mit je einem Wirbelstromsensor zur Ermittlung des Arbeitsluftspalts ausgestattet. Schwebt der Schlitten in Neutralposition, sind die Arbeitsluftspalte 0,5 mm breit. In Kombination mit einem performanten Regelungssystem auf Basis eines handelsüblichen Industrie-PCs erlaubt die Z-Achse hochdynamische Kompensationsbewegungen in der X-Y-Ebene. Der Stellweg beträgt bis zu 0,2 mm. Die hohe Stelldynamik und der Regelungstakt von lediglich 50 µs erlauben gegenüber konventionellen Maschinenachsen deutlich kürzere Reaktionszeiten und wirken sich somit positiv auf das Kompensationsergebnis aus. Bei der Wiederherstellung von Triebwerksschaufelgeometrien konnten so die Formabweichungen aufgrund der Werkstücknachgiebigkeit bereits um mehr als 60 % reduziert werden.

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