Spezielle Dämpfung für Werkzeugmaschinen

Demnach setzt der Verbundwerkstoff ‚Hoverlight‘neue Maßstäbe für die Konstruktion von Werkzeugmaschinen. Durch die Kombination von Aluminiumschaum und partikelgefüllten Hohlkugeln erreiche er einen bisher unerreichten Eigenschaftsmix aus Leichtigkeit, Steifigkeit und Schwingungsdämpfung. In einem Gemeinschaftsprojekt mit einem Industriepartner gelang nun der Nachweis, dass der Werkstoff bei Serienmaschinen Schwingungen um den Faktor 3 besser dämpft, bei einer Gewichtseinsparung von 20 % gegenüber der Originalbaugruppe.

Hoverlight ist ein Verbund aus Metallschaum und Hohlkugeln und kann als Kern von Sandwiches fungieren. Der Aluminiumschaum mit den integrierten Hohlkugeln dämpft Schwingungen deutlich stärker als bislang eingesetzte Materialverbünde. Dies führt zu einer höheren Präzision in der Bearbeitung und einer längeren Lebensdauer der Maschine. Mit der Sandwichbauweise sind zudem erhebliche Gewichtseinsparungen möglich, was eine höhere Dynamik der Bearbeitungsprozesse erlaubt. Dabei lässt sich der Werkstoff an die spezifischen Anforderungen verschiedener Anwendungen anpassen.

Einsatz in der Praxis

In einem gemeinsamen Projekt mit der Chiron Group wurde Hoverlight bereits erfolgreich im Querträger einer Fräsmaschine eingesetzt. Die Ergebnisse:

• Gewichtsreduzierung von 20 %: Der Querträger aus Hoverlight ist deutlich leichter als die vergleichbare Baugruppe aus konventionellen Materialien.
• Wesentlich höhere Dämpfung: Die Schwingungsdämpfung konnte um das Dreifache gesteigert werden, was zu einer höheren Präzision und einer längeren Standzeit der Werkzeuge führt.
• Erhöhte Produktivität: Durch die höhere Geschwindigkeit und Präzision können mit mit Hoverlight-Querträgern ausgestattete Maschinen mehr Teile in kürzerer Zeit produzieren.

Dr. Jörg Hohlfeld, verantwortlich für den Forschungsbereich Metallschaum am Fraunhofer IWU: »Mit Hoverlight haben wir einen Werkstoff entwickelt, der die Grenzen des Machbaren bei der Schwingungsdämpfung verschiebt. Wir lösen den Zielkonflikt auf, der sich aus den eigentlich gegensätzlichen Anforderungen einer steifen Auslegung moderner Werkzeugmaschinen, leichter bewegten Baugruppen und effektiver Schwingungsdämpfung ergibt.«

Bei Werkzeugmaschinen sind alle bewegten Baugruppen für den Einsatz des neuen Verbundwerkstoffes prädestiniert, beispielsweise die Maschinenschlitten. Aber auch außerhalb des Maschinenbaus sind zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten denkbar – dort, wo es ganz besonders auf Leichtigkeit, Steifigkeit und Präzision ankommt:

• In Sandwichbauweise ausgeführte Roboterarme würden von hoher Steifigkeit bei geringer Masse profitieren, da niedrigeres Gewicht höhere Geschwindigkeiten und Beschleunigungen erlaubt;
• Versteifungsstrukturen aus Aluminiumschaum werden bereits in Crashstrukturen von Serienautomobilen eingesetzt, allerdings ohne partikelgefüllte Hohlkugeln, deren Aufgabe in erster Linie der Abbau von Schwingungen ist. Für die Energieabsorption reichen Schaumstrukturen aus;
• Bei Schienenfahrzeugen kommen Wand- und Bodenelemente für den Einsatz von Hoverlight infrage; in der Pekinger U-Bahn sind die Bodenplatten als Sandwiches mit Aluminiumschaumkern ausgeführt – für eine bessere Dämpfung bei niedrigerem Gewicht;
• In Servern und Hochleistungsrechnern sind leichtgewichtige und steife Gehäuse notwendig, um Stabilität und Wärmeableitung zu gewährleisten, während sie Vibrationen dämpfen;
• Medizintechnische Anwendungen wie MRT- oder Ultraschallgeräte sind auf leichte und steife Bauweisen angewiesen; nur so können präzise Messungen garantiert und die Bildqualität beeinträchtigende Vibrationen minimiert werden.

Niedrigere Herstellkosten als nächstes Ziel

Die Forschenden arbeiten kontinuierlich daran, Hoverlight weiterzuentwickeln und die Einsatzmöglichkeiten zu erweitern. Ziel ist es, die Eigenschaften des Verbundmaterials auf die Anforderungen weiterer Anwendungen einzustellen und die Herstellkosten durch industrialisierte Prozesse zu senken. Die Herstellung von Hohlkugeln ist aufwendig, energieintensiv und noch nicht reproduzierbar. Ein vielversprechender Ansatz ist, anstelle von Hohlkugeln auf einfacher und damit preiswerter herzustellende metallische Blister zu setzen – wie in Medikamentenverpackungen. Das Fraunhofer-Team ist zuversichtlich, damit schon in wenigen Jahren deutliche Kostenfortschritte erzielen zu können.