Im Ergebnis steigender Schnittleistung aufgrund von Weiterentwicklungen der Schneidstoffe und Maschinenelemente und damit höherem Energieeinsatz nehmen die Verlustleistungen zu, sodass die Wirtschaftlichkeit der Fertigung aufgrund thermisch bedingter Fehler und die notwendigen Aufwendung für deren Beherrschung nicht mehr gegeben ist. Bisher verfolgte Lösungsansätze stoßen teilweise an Grenzen, u. a. durch eine zugleich gewünschte Energieeffizienz der Fertigung.

Anspruch des SFB/TR 96 sind daher Beiträge zur Lösung des Zielkonflikts von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität bei der spanenden Fertigung.

Illustration Lösung des Zielkonflikts von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

Der verfolgte Lösungsansatz basiert auf Maßnahmen, die es erlauben, den Prozess trotz steigender Verlustleistungen ohne zusätzliche energetische Maßnahmen unter thermisch instationären Umgebungsverhältnissen und unter durch Einzel- und Kleinserienfertigung gekennzeichnete Betriebsbedingungen zu beherrschen. Der SFB/TR 96 erforscht und entwickelt in seiner Laufzeit hinsichtlich des thermo-elastischen Maschinenverhaltens wirksame Korrektur- und Kompensationslösungen, die zur spanenden Genauigkeitsbearbeitung unter den zukünftigen Bedingungen energieeffizienter Produktion befähigen.

Daraus leiten sich folgende Teilziele ab:

1. Schaffung von Modellgrundlagen für eine umfassende Berechnungsfähigkeit thermo-elastischer Verformungen und der diese verursachenden Wärmeströme sowie der Abbildung von Strukturveränderlichkeit infolge Relativbewegungen und Rechenzeitminimierung,
2. Realisieren eines prozessaktuellen, durchgängigen Datenabbildes als digitale Repräsentation der thermo-elastischen Wirkungskette. Dies umfasst Modelldaten sowie Parameter und sieht die Möglichkeit eines zyklischen Updates vor.
3. Erfassung der Auswirkungen von Wärmequellen und -senken auf das thermische Verhalten von Werkzeugmaschinen sowie die Beschreibung des zeitlichen Verhaltes. Nachführen örtlich und zeitlich schwankender Parameter mittels Parameteridentifikationsverfahren als Voraussetzung für den Entwurf und Betrieb von Korrektur- und Kompensationslösungen,
4. Entwicklung von grundlegenden messtechnischen Lösungen zur Erfassung thermo-elastischer Fehlerin ausgewählten Strukturbereichen von Werkzeugmaschinen und deren Nutzung für Korrektur- und Kompensationslösungen,
5. Entwicklung und Umsetzung von Lösungen zur steuerungsintegrierten Korrektur thermo-elastischer Fehler unter Berücksichtigung von prozessbegleitender Datenanalyse
6. Entwicklung und Integration gestalterischer und werkstoffeigenschaftsgetragener Lösungen zur Kompensation thermo-elastischer Wirkungen durch Verstetigung des Temperaturfeldes und Minderung und Homogenisierung des Wärmeenergieeintrags im Bereich tragender Strukturen,
7. technisch-betriebswirtschaftliche Bewertung der im SFB/TR 96 entwickelten Lösungen hinsichtlich ihrer Wirkung auf Produktqualität, Mengenleistung, Energieverbrauch und Kosten

In Phase 1 (Basisphase) erfolgten die grundlegenden Modellierungs- und Parametrierungsuntersuchungen der Teilprojekte auf Komponentenebene. Ziel war es, Grundlagen, Phänomene, Einflussfaktoren und Lösungsansätze zur Beherrschung des thermischen Verhaltens zu erforschen. Die Forschungsarbeiten wurden durch Versuche an teilprojektspezifischen Prüfständen ergänzt, Teilmodelle zu Komponenten und Baugruppen sowie Mess- und Modellierungsmethoden erfolgreich entwickelt und erste Lösungen an realen Maschinenumgebungen erprobt.

Anspruch von Phase 2 (Integrationsphase) war die Erhöhung der Komplexität der Analyseobjekte. Im Fokus der Forschung standen Baugruppen. Als repräsentative komplexe WZM-Baugruppen wurden die Integrationsobjekte(IO)Motorspindel, Maschinengestell und Vorschubachseausgewählt. Die wissenschaftlichen Arbeiten der Teilprojekte wurden an den Integrationsobjekten konzentriert, um die Wechselwirkung von Einzeleffekten zu untersuchen.

In Phase 3 (Demonstrationsphase) werden die Forschungsarbeiten auf die Gesamtmaschine bezogen. Auf Basis der Untersuchungen an einfachen Teil- und Gesamtmodellen werden Korrektur- und Kompensationslösungen auf die Anwendung für die Gesamtmaschine unter den Bedingungen des realen Betriebs erweitert. Hieraus ergeben sich neue wissenschaftliche Herausforderungen durch eine Vielzahl zu berücksichtigender Unsicherheiten und Parameterschwankungen. Die Modelle müssen hierfür erweitert und neue Lösungen für die Beherrschung von variablen Betriebsbedingungen wie eine Online-Identifikation entwickelt werden.