Leichtes Dämpfersystem zur Anwendung in Leichtbaustrukturen – LeDaLe

Im Detail

Maschinen- und Anlagenhersteller stehen im Kontext moderner hochautomatisierter Serienfertigungen zunehmend vor dem Trend zu kürzeren Taktzeiten, einer höheren Variantenvielfalt und sinkenden Losgrößen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist die Entwicklung hochproduktiver und flexibler Maschinen- und Anlagenkonzepte erforderlich, die gleichzeitig zu minimalen Kosten angeboten werden müssen. Diese Ziele erfordern oft eine hochdynamische Arbeitsgeschwindigkeit der Maschinen, die signifikant mit dem Gewicht bewegter Maschinenteile zusammenhängt. Eine Massenreduktion dieser Maschinenteile führt zu einer günstigeren Maschinendynamik und somit zur Steigerung der Produktivität.

Jedoch sind Maschinenstrukturen in Leichtbauweise aufgrund ihrer geringen Systemdämpfung oft deutlich schwingungsanfälliger als konventionelle massive Bauweisen. Insbesondere bei hochdynamischen Anwendungen, wie spanenden Bearbeitungsmaschinen, wirken sich diese Schwingungserscheinungen störend auf den Arbeitsprozess aus. Dies kann zu hohen Schallemissionen, einer schlechten Bearbeitungsqualität und im Extremfall sogar zu Schäden an der Maschine und ihren Komponenten aufgrund hoher Schwingungsamplituden führen.

Es existieren zwar verschiedene Dämpfungskonzepte, jedoch bringen diese stets erhebliches zusätzliches Gewicht in das Gesamtsystem ein, was den Leichtbaubestrebungen entgegenläuft. Im Projekt wurden daher Konzepte für massearme Dämpferstrukturen entwickelt, die die Dämpfung der Leichtbaustrukturen erhöhen, ohne das Gewicht zu steigern. Um einen möglichst hohen Leichtbaugrad zu erzielen, wurde der Ansatz des Reibungsdämpfers mit verschiedenen Leichtbauprinzipien und -fertigungstechnologien kombiniert. Dazu gehört der Formleichtbau, der eine Gewichtsminimierung durch Gestalt- und Topologieoptimierung anstrebt und dabei eine gleichbleibende Steifigkeit der Dämpferstruktur bei geringem Stoffeinsatz ermöglicht.

Ein weiteres Prinzip ist der Fertigungsleichtbau, bei dem Gewichtseinsparungspotenziale durch additive Fertigungsverfahren (z.B. innere Hohlstrukturen) realisiert wurden. Als dritter Ansatz wurde der Werkstoffleichtbau berücksichtigt, der eine Gewichtsreduktion durch den Einsatz von Leichtbauwerkstoffen wie Faserverbundwerkstoffen ermöglichte. Anhand zweier Applikationen (Spannfutter und Zerspanungswerkzeug) aus der Werkzeugmaschinenbranche wurden die Dämpferstrukturen in Prototypen überführt und unter realen Bedingungen validiert.