Die Aufgabe einer Führung ist es, die Bewegung eines Elements in bestimmte Richtungen zu beschränken. Führungen werden in Werkzeugmaschinen eingesetzt, um Werkzeuge und Werkstücke präzise zueinander zu führen. Neben konventionellen Wälzführungen gibt es auch reibungsfreie, berührungslose Führungen. Hierbei handelt es sich um magnetische, aerostatische und hydrostatische Führungen. All diese Führungen benötigen einen Umgriff, um die Führungsschiene. Der Umgriff erfordert sehr enge Fertigungstoleranzen. In bisherigen Forschungsarbeiten zu umgriffsfreien Führungen wurden erfolgreich elektromagnetische Aktoren mit aerostatischen Lagern kombiniert. Durch diese Kombination konnte ein Umgriff vermieden werden, die eingesetzten aerostatischen Lager stellen jedoch ebenfalls sehr hohe Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit der Führungsfläche.
In dem nun verfolgten Ansatz wird anstelle der aerostatischen Lager ein flexibles Luftgleitkissen mit einem elektromagnetischen Aktor kombiniert. Da durch das Luftgleitkissen und den Elektromagneten entgegengesetzte Lasten aufgenommen werden, entfällt der Umgriff. Durch die Nutzung des elastischen Luftgleitkissens werden, gegenüber traditionellen aerostatischen Lagern, höhere Toleranzen der Führungsflächen zulässig. Luftgleitkissen sind eine bewährte Technik. Sie werden schon seit vielen Jahren in der Industrie zur Verschiebung schwerer Lasten verwendet, haben bisher aber in Führungen von Maschinen keine Anwendung gefunden.
Durch eine aktive Regelung des Elektromagneten und der Luftzufuhr des Luftgleitkissens kann die Schwebehöhe des Aktors beeinflusst werden. Damit ist es möglich, Unebenheiten in den Führungsflächen auszugleichen. Durch die geringeren Anforderungen an die Führungsflächen und den vermiedenen Umgriff ergeben sich erhebliche Kosteneinsparungen. Ziel des Projektes ist der Aufbau einer Linearführung mit den erforschten Aktoren. Diese soll aufgebaut, evaluiert und in großen spanenden Werkzeugmaschinen eingesetzt werden.
Im Rahmen des DFG-geförderten Forschungsprojektes wird ein Aktor für solch eine Führung mithilfe der Finite Elemente Methode (FEM) und numerischer Strömungsmechanik (CFD) simuliert und experimentell untersucht. Es werden mithilfe eines thermoplastischen Polyurethans (TPU) elastische Bälge für ein Luftgleitkissen additiv gefertigt, um Simulationsergebnisse experimentell zu validieren. Herausfordernd dabei ist die Handhabung der Elastizität des TPUs, da diese zu fertigungsbedingten Formeinschränkungen führt. Eine weitere Herausforderung besteht in der Festlegung der Materialstärke des Luftgleitkissenbalgs. Hierbei existiert ein Zielkonflikt zwischen Flexibilität und Festigkeit. Das Luftgleitkissen soll einerseits einen höheren Arbeitsdruck als am Markt erhältliche Luftgleitkissen liefern. Dieser hohe Arbeitsdruck ist erforderlich, damit das Luftgleitkissen hohen flächenbezogenen Kräften standhält. Der höhere Druck kann durch formgebende Strukturen und einer Materialaufdickung erreicht werden. Gleichzeitig sollen damit Schwingungen des Balgs verhindert werden. Andererseits soll das Luftgleitkissen weiterhin elastisch verformbar sein, damit die Schwebehöhe des Aktors durch eine Verformung des Balgs geregelt werden kann. Mit dieser Anforderung an die Elastizität, wird wiederum die maximale Materialstärke begrenzt.
Kontakt:
Für weitere Informationen steht Ihnen Adrian Bergmann, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover, unter +49 511 762 18294 oder per E-Mail (adrian.bergmann@ifw.uni-hannover.de) gern zur Verfügung.
