Dehnt sich die Frässpindel aufgrund der thermischen Belastung beim Fräsen aus, dann wird die Bearbeitung ungenau. Deshalb entwickelt ein Team der FH Köln im Projekt „Smart Spindle“ mit der Mechatron GmbH ein intelligentes Steuerungssystem, um die temperaturbedingten Ausdehnungen auf ein Minimum zu reduzieren.

Mit Hilfe von Hochfrequenzfrässpindeln werden in der industriellen Fertigung unterschiedliche Werkstoffe wie Aluminium oder Kunststoff bearbeitet. „Sie werden in vielen Bereichen eingesetzt. Mit ihnen werden zum Beispiel die Randkonturen von optischen Kunststoffen für Brillen, Zahnersatzmodelle oder Aluminiumgehäuse geformt. All diese Anwendungsfälle verlangen ein hohes Maß an Präzision, das bei Ausdehnung der Frässpindel durch thermische Belastung nicht mehr gegeben ist“, erklärt Prof. Dr. Jörg Luderich vom Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik der TH Köln die Problemstellung. „Da bisherige Lösungen für dieses Problem entweder nicht effektiv genug oder zu teuer und klimaschädlich sind, entwickeln wir ein neuartiges, optimiertes System zur Temperaturstabilisierung.“

Das Vorhaben knüpft dabei an die Ergebnisse des ebenfalls von Prof. Dr. Luderich geleiteten und in Kooperation mit der Mechatron GmbH durchgeführten Forschungsprojektes „Cool Spindle“ an. Dort wurde ein Kühlkonzept entwickelt, das die erzeugte Wärme von Wärmerohren aus der Spindel herausleitet und über einen integrierten Kühlkörper an die Umgebungsluft abführt. „Im Vergleich zu den derzeit überwiegend genutzten flüssigkeitsgekühlten Systemen kann dadurch rund 30 Prozent Energie eingespart werden, da keine kosten- und energieintensiven Bestandteile wie Kühlaggregate mehr benötigt werden. Zudem kann auf klimaschädliche Kältemittel verzichtet werden“, so Luderich.

In „Smart Spindle“ soll die im Vorgängerprojekt entstandene Technologie weiterentwickelt werden, wie Lucas Jonath, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik erklärt: „Das in ,Cool Spindle‘ verwendete System ermöglicht es, den Wärmefluss umzukehren und somit nicht nur zu kühlen, sondern auch zu heizen. So kann die Frässpindel auch bei kurzen Unterbrechungen des Fertigungsprozesses betriebsbereit gehalten werden. Wir werden das bestehende Konzept in einem ersten Schritt mit Heizelementen und Temperatursensoren erweitern, sodass ein regelbares System entsteht, das vorausschauend und situationsgerecht kühlt oder heizt.“

In einem weiteren Schritt soll eine KI-Anwendung entwickelt werden. Sie soll sehr schnell auf Änderungen reagieren, aber auch optimale Heiz- und Kühlzyklen für sich wiederholende oder ähnliche Bearbeitungsaufgaben selbständig erlernen und stetig optimieren können. „Dadurch sollen die thermischen Dehnungen während der kritischen Phasen der Bearbeitung stets konstant bleiben“, so Jonath. Dies ermögliche höhere Genauigkeiten im Fertigungsprozess sowie eine erhöhte Lebensdauer der Maschinenmodule.

Hohe Oberflächengüte dank cooler Spindel

Das Forschungsprojekt „Smart Spindle – Entwicklung eines intelligenten, selbstlernenden Steuerungssystems für Hochfrequenz-Frässpindeln“ wird an der TH Köln unter der Leitung von Prof. Dr. Jörg Luderich durchgeführt. Projektpartner ist die Mechatron GmbH. Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) über zwei Jahre gefördert.

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