Lichtgewicht slede kan eigenfrequentie aanpassen

Aan het wbk Institut für Produktionstechnik van het Karlsruher Institut für Technologie is een slede uit koolstofvezelversterkte kunststof ontwikkeld. Hij is bedoeld voor toepassing in bewerkingscentra - freesbanken met geautomatiseerde gereedschapwisseling - en maakt het mogelijk de eigenfrequentie van de machine aan te passen aan het bewerkingsproces. Volgens het KIT leidt dit tot een duidelijk hogere kwaliteit en productiviteit.

Bij een bewerkingscentrum gaat het om een systeem dat in trilling kan worden gebracht. Versterkt de bewerking van een werkstuk de eigenfrequentie van de machine, dan kan dat niet alleen leiden tot een verminderde kwaliteit van het werkstuk door trilling van het gereedschap. Het kan ook de slijtage aan machinecomponenten versterken. Vooral  frezen - een bewerkingsproces met onderbroken snede - is een kritisch proces. De problemen kunnen alleen worden voorkomen door in een dergelijk geval de verspaningscapaciteit te verlagen. Maar dit verlengt de bewerkingstijd en dat gaat ten koste van de economie van de bewerking. Vooral omdat het meestal niet gaat om een aanpassing voor een enkel bedrijfspunt maar voor het hele bewerkingsgebied geldt.

Koolstofvezel

Wetenschappers aan het wbk Institut für Produktionstechnik van het KIT hebben voor dit probleem een innovatieve oplossing bedacht. Het idee: Een actieve verandering van de massa van de machine leidt - vooral bij de bewegende delen - tot een verschuiving van de eigenfrequentie. Wel moet de verandering van de massa voldoende groot zijn ten opzichte van de oorspronkelijke massa. Om dat te bereiken zijn de bewegende delen van de gereedschapmachine - bijvoorbeeld de sledes, de spilopnames en gereedschapkolom als lichtgewicht componenten ontworpen. Dit is mogelijk door koolstofvezelversterkte kunststoffen toe te passen die aanzienlijk lichter zijn dan het gebruikelijke staal en gietijzer en toch een hoge stijfheid bezitten.

Afstemmen

De wetenschappers hebben een slede ontwikkeld in koolstofvezelversterkte kunststof die is voorzien van kamers. De kamers maken het mogelijk het dynamisch gedrag af te stemmen door de verschillende kamers onafhankelijk van elkaar via een pomp met vloeistof te vullen. Zo kan de totale massa van de machine variabel worden gestuurd. De dynamiek van de bewegende componenten is daardoor niet beïnvloed.

Met de koolstofvezelversterkte slede kan de verspaningscapaciteit nog verder worden verhoogd omdat kritische trillingen niet meer hoeven te worden verminderd door de procesparameters aan te passen, maar door de verschuiving van de eigenfrequentie door de vulling van de kamers te wijzigen. Hoe meer kamers worden gevuld, des te hoger wordt de massa van de slede en des te lager de eigenfrequentie.

Potentieel

Om het potentieel van het concept te onderzoeken is een vereenvoudigde testopstelling ontwikkeld. De opstelling bestaat uit de slede die op wagens over rechtgeleidingen loopt en door een kogelomloopspil wordt aangedreven . Aan de hand van een experimentele modaalanalyse hebben de wetenschappers de verschuiving van de eigenfrequenties bepaald: de slede werd met een impulshamer in trilling gebracht en de eigenfrequentie vastgesteld. Om deze te verschuiven werden de kamers gevuld met water. Hierdoor werd de massa vergroot en werd de eigenfrequentie verlaagd.

Aan de hand van talrijke proefnemingen is de werking van het idee succesvol aangetoond. Verder onderzoek moet leiden tot betere simulatiemodellen om een nauwkeurig ontwerp van de verschillende componenten mogelijk te maken. Tegelijkertijd werkt het wbk-instituut aan parallel hieraan met een Duitse machinebouwer aan de omzetting van het concept. Professor . Jürgen Fleischer van het KIT verwacht dat de componenten in ongeveer vijf jaar op de markt zullen komen

http://www.kit.edu/