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GrindBall - Werkzeugantriebs- und Lagerungskonzepte für achsenlose Mikroschleifwerkzeuge

Die kontinuierliche Miniaturisierung von komplexen Bauteilen in vielen Anwendungsbereichen, wie in der Medizintechnik, Optik und Elektronik, erfordert kleine Werkzeugmaschinen, deren Größe an die Werkstückdimensionen angepasst sind. Hierfür werden ebenfalls miniaturisierte Bearbeitungsmodule benötigt, die einen möglichst geringen Einbauraum aufweisen und eine präzise Bauteilefertigung ermöglichen. Eine Möglichkeit zur Realisierung einer sprunghaften Miniaturisierung von Bearbeitungsmodulen ist die Integration von mehreren Funktionen bzw. Wirkprinzipien in einem einzelnen Bauteil, das aus wenigen mechanischen Komponenten besteht.

Einen Ansatz hierfür ist die Kombination von Werkzeugantrieb und -führung in einem kompakten Modul. Am Beispiel der Schleifbearbeitung von Mikrokavitäten wurden eine elektromagnetische Lagerung und ein fluiddynamischer Antrieb zum innovativen GrindBall-Modul verknüpft. Diese Kombination ermöglicht die kontaktlose Lagerung und Antrieb eines sphärischen, achsenlosen Schleifwerkzeugs von bis zu 8 mm Größe, um damit einen mechanischen Abtrag an sprödharte Werkstoffe zu erzielen.

Ein neuer Ansatz ist es hier, statt der in der schleiftechnischen Bearbeitung von Hartstoffen (z.B. Glas oder Keramik) üblicherweise verwendeten Schleifstifte oder –scheiben ein kleines, kugelförmiges Schleifwerkzeug einzusetzen und damit günstigere Zerspanbedingungen sowie eine größere Flexibilität zu erreichen. Die Herausforderung besteht darin, dass eine Kugel über keine feste Rotationsachse verfügt und demensprechend neue Wege des Antriebs und der Lagerung gefunden werden müssen. Zudem muss das entsprechende Werkzeug in miniaturisierter Form realisiert werden, um in kleinen Werkzeugmaschinen eingesetzt werden zu können. Im GrindBall-Projekt wird dies durch die Kombination eines fluiddynamischen Werkzeugantriebs und einer elektromagnetischen Führung in einem kompakten Modul erreicht – dem GrindBall-Modul. Neben der Möglichkeit, den GrindBall durch eine entsprechende Anströmung in Rotation zu versetzten und durch ein Magnetfeld in Position zu halten, bietet diese Funktionsintegration durch die geringe Anzahl von mechanischen Komponenten ein hohes Potenzial zur Miniaturisierung.

Die Umsetzung dieser Ansätze wird in ein funktionierendes Bearbeitungsmodul realisiert und basiert auf einer interdisziplinären Forschungsarbeit auf den Gebieten der Stömungsmechanik, Elektrotechnik und Fertigungstechnik. Zur Auslegung des fluiddynamischen Antriebs und der elektromagnetischen Lagerung sind umfangreiche Modellierungen und Simulationen im Bereich der numerischen Berechnung von Strömungen und der dreidimensionalen Magnetfeldsimulation durchgeführt worden. Das Ziel war, eine möglichst hohe Drehzahl und Kraftübertragung der Schleifkugel zu erreichen, während diese gleichzeitig in einer stationären Position gehalten wird. Des Weiteren wurden verschiedene Verfahren zur Herstellung kugelförmiger Schleifkörper untersucht und der mit diesen Kugeln erreichbare Abtrag in Schleifexperimenten ermittelt.

Anhand der prototypischen Umsetzung des Bearbeitungsmoduls wird zunächst das Mikroschleifen sprödharter Werkstoffe in dieser neuartigen Kinematik mit den entwickelten, sphärischen Schleifwerkzeugen untersucht. Daraus wird erstmalig das Prozessfenster für das achsenlose Mikroschleifverfahren abgeleitet. Zusätzlich werden neue Methoden zur Erhöhung der Antriebsleistung und der Regelungsdynamik entwickelt.

IALB - Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente (http://www.ialb.uni-bremen.de Externer Link: http://www.ialb.uni-bremen.de (http://www.ialb.uni-bremen.de))

LFM – Labor für Mikrozerspanung (http://www.iwt-bremen.de/lfm-home Externer Link: http://www.iwt-bremen.de/lfm-home (http://www.iwt-bremen.de/lfm-home))

ZARM - Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (http://www.zarm.uni-bremen.de Externer Link: http://www.zarm.uni-bremen.de (http://www.zarm.uni-bremen.de))

GrindBall

Stand dieser Seite: 11.03.2013 - 14:11:16 | Impressum | Datenschutzerklärung | Druckdatum: 24.10.2017 - 05:53:29

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