C02: Gesteuerter Wärmefluss

Modellierung und Entwurf von Systemen zur aktiven Steuerung der Temperaturverteilung in Gestellbaugruppen

Teilprojektleiter

Prof. Dr.-Ing. Welf-Guntram Drossel: TU Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse; Professor für Adaptronik und Funktionsleichtbau,  Fraunhofer IWU Chemnitz

Das Ziel des Teilprojektes C02 ist die theoretische und experimentelle Untersuchung der Möglichkeiten zur aktiven Steuerung von Wärmeströmen in Gestellstrukturen von Werkzeugmaschinen. Dabei stehen das schnelle Erreichen eines Beharrungszustandes mit möglichst homogenem Temperaturfeld und dessen längstmögliche Beibehaltung im Mittelpunkt. Zu diesem Zweck soll der Einsatz von Phase-Change-Materialien (PCM) mit Metallschaum als Trägermaterial untersucht werden. Mit Hilfe der zusätzlichen Wärmekapazität sollen kurzzeitig Lastspitzen aufgenommen werden um somit einen Temperaturanstieg zu verhindern. Um die Ankopplung dieser zusätzlichen Wärmekapazität konform zum angestrebten Temperaturfeld-Zeit-Verlauf der Komponente zu gestalten, soll der Wärmeübergang aktiv gesteuert werden. In Phase 1 wurden dafür die grundlegenden Mechanismen zusätzlicher Wärmekapazitäten auf Basis von Phasenwechselmaterialien und Möglichkeiten schaltbarer Wärmeübergänge unter Einsatz aktiver Werkstoffe wie thermischen Formgedächtnislegierungen und magnetorheologischen Fluiden untersucht. Diese Grundlagen zeigen großes Potential zur gezielten Beeinflussung von Wärmeströmen diskreter Wärmequellen und sollen in Phase 2 anhand realer Maschinenkomponenten verifiziert werden.
Zu diesem Zweck werden die bisher entwickelten Modelle um reale Randbedingungen erweitert und zur Auslegung von Kompensationskomponenten für einen Lineardirektantrieb und einen Kugelgewindetrieb genutzt. Die umgesetzten Kompensationslösungen werden experimentell in Prüfständen und einem Integrationsobjekt des SFB/TR 96 erprobt. Zusätzlich wird das Systemverhalten von Gestellbaugruppen mit mehreren Wärmequellen und Kompensationskomponenten in Kontrast zu der diskreten Wärmequelle einer Antriebseinheit modelliert und untersucht. Ergebnis der zweiten Phase sind prototypische Komponenten, die zur gezielten Beeinflussung des Wärmeeintrags diskreter Wärmequellen in die angrenzende Struktur sowie zur Beeinflussung der Temperaturverteilung in Baugruppen geeignet sind.
Im Mittelpunkt der Phase 3 steht dann die Überführung in Konstruktionsrichtlinien für Produktionsmaschinen und die Bereitstellung eines Modellbausteins zur Integration der aktiven Steuerung des Wärmeflusses in den virtuellen Entwurf von Werkzeugmaschinen. Ziel ist die, auch unter wirtschaftlichen Randbedingungen, optimale Kombination von Kompensations- und Korrekturmaßnahmen in einem durchgängigen Gesamtentwurf.