Neuartige Anlagen für den Sieg im Fertigungswettbewerb
Die Forderung nach kürzeren Konstruktionszyklen stellt eine Bedrohung für die Präzision der Werkzeuge und die Qualität der Produkte dar, woraus sich die Notwendigkeit neuartiger Materialien und Verfahren ableiten lässt. Die Lösungen für dieses Problem könnte ein relativ neuer Bereich der Ingenieurwissenschaften - die Mechatronik - zu bieten haben. Mechatronik baut innerhalb von Produktdesign und Fertigung auf den gemeinsamen Stärken von Mechanik-, Elektronik- und Computertechnologien auf, um letztlich die Funktionalität zu optimieren. Europäische Wissenschaftler wollten unter Einsatz der Mittel des HYMM-Projekts ("Advanced Hybrid Mechatronic Materials for ultra precise and high performance machining systems design") neue intelligente Materialien für Werkzeugmaschinen entwickeln, die in kostengünstigen Hybrid-Mechatronikstrukturen zur Fertigung verwendet werden können. Unter intelligenten Materialien versteht man Werkstoffe, die ähnlich wie ein lebender Organismus "intelligent" auf die Umwelt reagieren. In den Sensoren und Aktoren, d. h. Bauteilen, die in Reaktion auf ein Signal agieren, kommen diese bereits vielfach zum Einsatz. Letztlich bestand das Ziel in intelligenten, flexiblen und schnellen Bearbeitungssystemen, mit deren Hilfe eine drastische Reduzierung der Bearbeitungszeit in Kombination mit einer verbesserten Genauigkeit realisierbar ist. Die Wissenschaftler entwickelten Mechatronik-Simulationswerkzeuge zur Bewertung der Leistungsfähigkeit der Designkonzepte. Unter Einsatz dieser Software untersuchten sie ein Hybrid-Verbundmaterial, das aus einem gewellten Kern mit einer kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffmatrix (CFK) besteht, und stellten dieses anschließend her. Dieses Verbundmaterial wurde verwendet, um ein Maschinenteil (eine Ramme) herzustellen, nur das halb so schwer wie ein herkömmliches Teil dieses Typs war. Das Teil wies verbesserte Schwingungsdämpfungseigenschaften auf, die von entscheidender Bedeutung für die zunehmende Achsenbeschleunigung und somit die Bearbeitungsgeschwindigkeit ohne Genauigkeitsverlust sind. Die Entwicklung von Steuerungshard- und -software zur intelligenten Steuerung der Mechatronikbauteile bildeten das letzte Glied in der Kette zum Bau einer Prototyp-Demonstratorramme aus CFK-Material. Intelligente optische Faser-Bragg-Gittersensoren (FBG) konnten integriert werden. Ein Softwaremodell ermöglichte die Vorhersage der Werkzeugspitzendrift unter verschiedenen statischen und thermischen Belastungsbedingungen auf Basis von Echtzeitdaten des Sensors und somit die Fähigkeit zur "intelligenten" Anpassung. Die vom HYMM-Team entwickelten Mechatronikbauteile warten im Vergleich zu konventionellen Bearbeitungswerkzeugen mit weniger Gewicht und mehr Leistungsvermögen auf. Langfristig steckt in einer fortgeführten Verfeinerung von Materialien, Prozessen und Steuerungssoftware das Potenzial zur drastischen Kostensenkung sowie die Chance auf einen Riesenaufschwung für den europäischen Fertigungssektor, der derzeit vom zunehmenden internationalen Wettbewerb bedroht ist.
