A04: Thermofluidtechnik

Thermo-energetische Beschreibung fluidtechnischer Systeme

Teilprojektleiter

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Weber: TU Dresden, Institut für Fluidtechnik

In Werkzeugmaschinen kommt eine Vielzahl fluidtechnischer Systeme zum Einsatz. Diese erfüllen neben Antriebsaufgaben für Vorschubbewegungen und die Werkstückspannung vor allem die Funktion der Temperierung. Sie bieten die Möglichkeit, einzelne Komponenten wie Antriebsmotoren, Spindeln und Gestellbauteile bis hin zu ganzen Baugruppen zu kühlen oder bei Bedarf vorzuwärmen. Die Fluidkreisläufe bilden damit ein wichtiges Stellelement zur Steuerung und Beherrschung des thermo-elastischen Verhaltens der Maschinen und sind für eine genaue Fertigung unerlässlich. Die zunehmende Komplexität und Leistungsfähigkeit der fluidtechnischen Systeme ist jedoch im Allgemeinen auch mit einem verstärkten Einsatz von Hilfsenergie verbunden, der aus betriebswirtschaftlicher und ökologischer Sicht zu hinterfragen ist. Hieraus ergibt sich ein Optimierungsproblem, das angesichts der komplexen Systemstrukturen und fehlenden Grundsatzuntersuchungen sowie Auslegungswerkzeuge heute nicht zufriedenstellend gelöst werden kann. Wenn man den Themenkomplex der Gestaltung von Werkzeugmaschinen speziell mit dem Fokus der Genauigkeit unter den Bedingungen einer energieeffizienten Fertigung untersuchen will, so muss man die fluidtechnischen Systeme als integralen Bestandteil der Maschinen mit einbeziehen. Diesem Anliegen widmet sich das Teilprojekt A04 unter ganzheitlicher Betrachtungsweise.
Die bisher entwickelten Modellgrundlagen und Berechnungsmethoden sowie die erzielten experimentellen Ergebnisse für fluidtechnische Komponenten und Systeme der Werkzeugmaschine machen deutlich, dass erhebliche Potenziale im Bereich der Verbesserung des Wärmeübergangs von Komponenten liegen und dass Kompensations- und Korrekturstrategien neuartige Systemstrukturen erfordern, die eine lokale und prozessaktuelle Temperierung der Maschinensubsysteme gestatten.
Für die weiteren Schritte steht deshalb auf Komponentenebene die Optimierung der Wärmeübergangsbedingungen durch angepasste Kühlkanalstrukturen und -geometrien im Vordergrund. Dazu sollen beispielsweise Modifikationen von Kühlhülsen in Motorspindeln, welche die Hauptwärmequelle innerhalb der Maschine darstellen, umfassend analysiert werden. Auf Systemebene ergeben sich durch individuelle, prozessaktuelle und bedarfsgerechte Versorgungs- und Kühlaggregate Potenziale für eine effektive Temperierung der verschiedenen Baugruppen bei gleichzeitiger Reduzierung des Wärmeeintrags und der thermo-elastischen Verformungen der Werkzeugmaschine. Vor diesem Hintergrund möchte sich das Teilprojekt der Analyse von Strukturvarianten der Kühlsysteme und deren anforderungsgerechter Topologieanpassung sowie der Entwicklung und Bewertung von Betriebsstrategien hinsichtlich einer bedarfsorientierten Vorsteuerung und Regelung der Versorgungseinheiten widmen.