Steigerung der Arbeitsgenauigkeit mehrachsiger Maschinensysteme durch Kompakt- und Integralbauweise am Beispiel einer 5-Achs-Maschine

Der Bedarf an komplexen Präzisionskomponenten wächst kontinuierlich, gleichzeitig erfordert deren Fertigung höchste Bearbeitungsgenauigkeiten bei immer grösserer kinematischer Flexibilität. Ist die Werkzeugtechnologie für die Mikrobearbeitung industrietauglich beherrscht, so stossen viele der eingesetzten 5-Achs- Maschinensysteme in punkto volumetrische Arbeitsgenauigkeit an ihre Grenzen. Gleichzeitig kann beobachtet werden, dass diese Maschinen im Verhältnis zu deren Werkstücken sehr gross bauen. Dieses Missverhältnis wirft die Forschungsfrage nach der Wirksamkeit einer Maschinenskalierung auf. Kann die Grösse eines Maschinensystems bei vergleichbaren Baugruppentoleranzen sowie Lager- und Struktursteifigkeiten deutlich reduziert werden, so kann eine Steigerung der Bearbeitungsgenauigkeit allein aufgrund der verkürzten Hebelarme erzielt werden. Dann werden Führungen und Lager mit geringeren Momenten belastet und die freien, thermisch dehnbaren Längen reduziert. Gleichzeitig kann die Vorschubdynamik aufgrund geringerer Trägheitsmassen erhöht werden. Neben technischen Vorteilen können ökonomische und ökologische Vorteile durch geringere Raum- und Energiebedarfe (Energieeffizienz) sowie reduzierte Investitionskosten erwartet werden. Vor dem beschriebenen Hintergrund wird in der vorliegenden Dissertation die Auswirkung einer konstruktiven Skalierung der Maschinensystemgrösse auf die volumetrische Bearbeitungsgenauigkeit von fünfachsigen Maschinensystemen diskutiert. In einem ersten Schritt werden marktrelevante Produkte sowie die zugehörigen Bearbeitungsprozesse identifiziert und Maschinenanforderungen abgeleitet. Diese werden an kommerziell erhältlichen Maschinensystemen gespiegelt. Es werden konstruktive Aspekte zur Steigerung der Bearbeitungsgenauigkeit diskutiert, ein Fehlerfortpflanzungsmodell für Werkzeugmaschinen aufgestellt und die Potentiale der kompakten und der integralen Bauweise aufgezeigt. Als Versuchsträger wird eine 5- Achs-Maschine in Kompaktbauweise systematisch aufgebaut und messtechnisch untersucht. In einem Optimierungsschritt wird eine zusätzliche Drehachse mit einem in den Antriebsspalt integrierten Hydrostatiklager (Integralbauweise) erarbeitet. Es wird untersucht, welche Eigenschaften und welche Auswirkungen diese Achse auf die Gesamtmaschine im Vergleich zu einem kompakten Aufbau besitzt. Hierzu werden neben geometrischen, dynamischen und thermischen Untersuchungen vergleichende Antriebsuntersuchungen durchgeführt. Durch den Maschinen- und Achsaufbau kann abschliessend das Optimierungspotential zur Steigerung der Arbeitsgenauigkeit durch die Kompakt- und die Integralbauweise bewertet werden.