Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Piezobasierte aktive Stößelführung mit integrierter Regelung

Führungen stellen innerhalb von Produktionsmaschinen eine der wichtigsten Komponenten dar. Steigende Anforderungen hinsichtlich der Prozesssicherheit fordern jedoch die Komponentenqualität sowie die beteiligten Toleranzen zunehmend heraus. Gleichzeitig begrenzen diese Größen die Fertigbarkeit komplexer Bauteile.

Anhand der Anwendung Umformtechnik fokussiert dieser Antrag die Entwicklung einer aktiven Stößelführung auf Basis von piezoelektrischen Keramiken zur Einstellung der Vorspannung bzw. des Führungsspiel.

Ausgehend von einem konkreten Anwendungsfall wird ein Systemkonzept für die Komponente entwickelt, mit Berücksichtigung der Integration von Piezoaktoren/-sensoren und notwendiger Mess- und Regelungselektronik. Danach wird das System derart modelliert, dass sowohl statische als auch dynamische Aspekte des Systems in Abhängigkeit der beteiligten Parameter abgebildet werden können. Dieses Modell ist die Grundlage für die spätere Dimensionierung, welche nach der Entwicklung der Elektronik erfolgt. Das aufgebaute System wird anhand eines Realprozesses in einem Pressenversuchsstand getestet.

Folgende Teilergebnisse werden angestrebt:

- übertragbares Systemkonzept für piezoaktive Profilschienenführung

- Nachweis der Funktionsfähigkeit der Komponente im Prozess

- Quantifizierung der prozesstechnischen und wirtschaftlichen Vorteile

Eine aktive Führungskomponente kann den Zielkonflikt für die Unternehmen zwischen hoch präzisen Führungseigenschaften und hohem Verschleiß auflösen. Damit werden Anwender, insb. kmU befähigt, wirtschaftlich ihre Bauteilqualität zu erhöhen und die Ausschussquote zu verringern. Die gleichzeitige Messung der auftretenden Kräfte lässt zudem eine optimale Arbeitspunkteinstellung zu. Auf diese Weise sind verschiedene Prozesse auf den gleichen Maschinen durchführbar. Kleine und mittelständische Komponentenhersteller und Maschinenhersteller können Produkte mit besseren Eigenschaften anbieten und so ihre Marktposition stärken.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt wurde erfolgreich eine Profilschienenführung ausgelegt und aufgebaut, mit welcher eine Änderung der Vorspannung von einer Vorspannungsklasse zur nächsten (V1 --> V2; 0,04C --> 0,1C) während des Betriebes möglich ist. Hierbei wurde sich nicht auf die rein akademisch relevante grundsätzliche Adaptierbarkeit beschränkt, sondern die industriell relevanten und vom Hersteller dokumentierten Vorspannklassen als Zielgrößen genutzt.

Ein Einsatz derartiger Komponenten ermöglicht die Nutzung einer höheren Vorspannung nur im Fall hoher Präzisionsanforderungen, während im Fall von niedrigeren Anforderungen die Vorspannung zugunsten einer längeren Lebensdauer reduziert werden kann. Die hohe Stelldynamik ermöglicht einen sofortigen Wechsel und beeinträchtigt somit auch nicht die Bearbeitungsgeschwindigkeit.

Herauszustellen ist, dass der vom Hersteller zugesicherte Bauraum durch die Integration der Aktorik nicht verändert wurde, sodass auch eine nachträgliche Integration dieser aktiven Komponente möglich ist.

Im Rahmen des Projektes wurde die Profilschienenführung in eine umformtechnische Anlage integriert, um zudem eine mögliche Prozessbeeinflussung zu zeigen. Anhand realer Messergebnisse konnte gezeigt werden, dass durch die Aktivierung der Komponente ein unterschiedliches Kippverhalten des Stößels bewirkt wird.