Thinking outside the box: So öffnet OPAL die Schranken der Maschinenoptimierung

Wo andere Grenzen sehen, erkennen wir Innovationen. Auch im Rahmen eines unserer jüngsten Projekte folgten wir dieser Maxime. Das Ziel: Die Masse eines Maschinenbauteils reduzieren – und zwar bei gleichzeitigem Erhöhen der Formsteifigkeit. Wie das möglich war? Indem wir unser Know-how und unsere Erfahrung genutzt haben, um die Aufgabenstellung aus einer neuen Perspektive zu betrachten.

Aus einem Guss: Das Ausgangsbauteil und seine physikalischen Grenzen

Bei der Hauptfigur des Projekts handelte es sich um den Schieber eines CNC-Bearbeitungszentrums, welcher den Fräskopf aufnimmt (Abbildung 1). Der üblichen Vorgehensweise folgend, wurde eine möglichst gute Balance zwischen Masse und Stabilität bereits während der Entwicklung des Bauteils angestrebt. Hierfür nutzte der Hersteller entsprechende Simulationsmethoden (FEM).

Die Herstellung des Schiebers erfolgte als Sandformguss –und das durchaus aus gutem Grund. Denn weil sowohl Sand als auch Gussmodel mehrfachverwendet werden können, gilt das Sandformgießen als besonders wirtschaftliches und nachhaltiges Verfahren. Der Nachteil: Hinsichtlich der geringstmöglichen Wandstärke –und damit auch in Bezug auf die Masse –weist das Sandformgießen seine Erzeugnisse in klare technologische Schranken.

Das ursprüngliche Gewicht des Schiebers lag bei 1.370 kg. Bevor wir uns der Optimierung des 2,3 x 0,6 x 0,57 m großen Bauteils annahmen, konnte seine Masse bereits erfolgreich um 235 kg verringert werden. Die verfahrensbedingten Grenzen schienen damit ausgelotet zu sein. An diesem Punkt kamen wir ins Spiel!

Da geht noch was: Erste Überlegungen und Optimierungen

Mit dem Wunsch, die Antriebsauslegung auf Basis einer weiter optimierten Balance zwischen Steifigkeit und Masse positiv zu beeinflussen, trat der Hersteller des Bearbeitungszentrums an uns heran. Weil wir mit derartigen Vorhaben dank unserer langjährigen Erfahrung in der Maschinenentwicklung bestens vertraut sind, zögerten wir nicht, diese Herausforderung anzunehmen.

Unser erster Denkansatz: Fertigungstechnische, montagetechnische und gesamtheitliche Randbedingungen (z. B. Maschinendynamik) können unter Nutzung der am Markt verfügbaren Tools zur Gestaltoptimierung nur eingeschränkt berücksichtigt und Optimierungsprobleme deshalb nicht immer hinreichend beschrieben werden. Das zusätzliche Einbeziehen der praktischen Realisierbarkeit und Zielstellung als Gesamtes erschien uns deshalb als sinnvolle Basis für eine weitere Optimierung. Die mithilfe dieses Kontextes erstellten Entwürfe waren dann direkt als Konstruktion umsetzbar.

Leichter. Stabiler. Besser: Der Optimierungsprozess beginnt

Die oben beschriebene Vorgehensweise erlaubte uns unterschiedliche Veränderungen der Bauteilkonstruktion. Bereits mit der ersten Formoptimierung zugunsten einer verbesserten Stabilität unter Beibehaltung der Masse von 1.135 kg (Abbildung 2)erreichten wir eine um 35 % höhere Bauteilsteifigkeit (exakte Werte siehe Tabelle).

Setzt man die erreichte Steifigkeit ins Verhältnis zur Masse des Schiebers, ergibt sich daraus ein höherer Leichtbauindex, sprich eine verbesserte Effizienz hinsichtlich Statik und Dynamik. Eine große Herausforderung war damit bereits gemeistert.

Level up! Wer nicht vom Weg abweicht, bleibt auf der Strecke

Mit den oben beschriebenen Bauteilvarianten waren die Möglichkeiten der Gestaltoptimierung unter Beibehaltung des ursprünglichen Fertigungsverfahrens ausgeschöpft. Um weitere Einsparungen erzielen zu können, mussten wir uns also vom Sandformgießen lossagen – und hatten natürlich sofort einen neuen Plan parat.

Eine unserer größten Stärken als Maschinenentwickler sehen wir in der Bauteilgestaltung mit extrem niedrigen Wandstärken. Auch im Rahmen dieses Projekts machten wir uns unsere Erfahrung auf dem Gebiet smarter Fertigungstechnologien zunutze. Der Fokus lag dabei auf einer Optimierung von Masse und Stabilität, die nicht mit einer signifikanten Einschränkung der Maschinenfunktionalität einhergeht.

Unser Lösungsansatz war ein pragmatischer: Um unsere gestalterische Flexibilität beim Erreichen einer optimalen Bauteilmassemaximal ausschöpfen zu können, entschieden wir uns für dünnwandige (und dementsprechend leichte) Stahl-Schweiß-Strukturen. Mit Blick auf die gewünschten Masseeigenschaften wäre natürlich auch der Einsatz leichterer Materialien (z. B. Kohlefaser) in Betracht zu ziehen gewesen, in den meisten Fällen ist dies aufgrund des ungünstigen Kosten-Nutzen-Verhältnisses bei der Herstellung kleiner Stückzahlen aber keine wirtschaftliche Entscheidung.

Durch die von uns entwickelte Stahl-Schweiß-Konstruktion aus gebogenen Blechen und Profilen mit einer Wandstärke von 3–5 mm wurde die Masse des Schiebers auf 730 kg (und damit um weitere 36 %) reduziert. Die Steifigkeit des Bauteils wuchs um 19 %,der Leichtbauindex stieg also im Vergleich zur anderen Variante nochmals deutlich an.

Ein weiterer Vorteil der Konstruktionsart: Die statischen und dynamischen Eigenschaften der Maschine konnten mithilfe dieser Bauart erhalten bzw. sogar verbessert werden. Im Fräsversuch wurde erstmalig die volle Spindelleistung von 400 Nm (100 %) erreicht.

Mit der enormen Gewichtseinsparung war das Ziel der positiven Einflussnahme auf die Antriebsauslegung erreicht – einer verbesserten Performance des Bearbeitungszentrums oder dem Einsatz kleinerer Antriebe stand damit nichts mehr im Weg.

Optimierung jenseits des Tellerrands: Maschinenentwicklung mit OPAL

Mit unserer Herangehensweise an die beschriebene Aufgabenstellung setzen wir ein deutliches Zeichen: Wir denken in neuen Mustern und über Standards hinaus. Nur, indem wir scheinbar fest definierte Auslegungsgrenzen ganz bewusst überschritten haben, konnten wir im Rahmen dieses Projekts das Maximum erreichen.

OPAL setzt auf die Maschinenoptimierung der Zukunft – eine Optimierung, die nicht nur auf Kompromisse abzielt, sondern innovative Entwicklung auf höchstem Leistungsniveau bieten kann.