Optimale Positionierung und Auslegung von Mehrmassendämpfern innerhalb eines kombinierten Topologieoptimierungsverfahrens

 

Die stetige Entwicklung von Werkzeugmaschinen - WZM - hinsichtlich steigender Produktivität und Bearbeitungsqualität wird nicht zuletzt durch eine Durchdringung des Entwicklungsprozesses mit rechnergestützten Hilfsmitteln realisiert, insbesondere wenn es um die Beurteilung des komplexen dynamischen Verhaltens geht. Dabei hat sich die Finite-Elemente-Methode - FEM - zu einem festen Bestandteil der Entwicklung, Weiterentwicklung und Problemanalyse im Betrieb durchgesetzt.

Die Optimierung von Maschinenkonstruktionen für dynamisch hochbeanspruchte Anwendungsfälle wird mittlerweile neben der manuellen Variantenkonstruktion und rein ingenieurswissenschaftlichen Betrachtung auch durch automatische FEM-basierte Strukturoptimierungsverfahren unterstützt. Im frühen Entwicklungsstadium ist die Topologieoptimierung gut geeignet, um zu optimalen Grobentwürfen von Strukturbauteilen zu gelangen. Ein Einsatz für bestehende Maschinenkonzepte ist jedoch mitunter unwirtschaftlich, da Spielräume für strukturelle Änderungen hier zu gering sind.

Um das dynamische Verhalten bestehender Maschinen möglichst kosteneffizient zu verbessern, sind dynamische Zusatzsysteme gut geeignet. Hierbei können mit passiven, adaptiven oder aktiven Mitteln kritische Resonanzen der Maschine gezielt bedämpft und das dynamische Verhalten stark beeinflusst werden. Im Gegensatz zu automatischen Strukturoptimierungsverfahren werden dynamische Zusatzsysteme jedoch eher als Problemlöser im Betrieb statt als in der Entwicklung gezielt einzusetzendes Konstruktionselement angesehen.
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, beide o. g. Lösungsstrategien in einem ganzheitlichen Ansatz zu vereinen. In der ersten Förderperiode wurde dazu ein neuartiges, robustes, passives Dämpfersystem aus einer Vielzahl von Einzelmassen - ein sog. Mehrmassendämpfer, kurz MMD - erforscht und bereits praktisch validiert. Dies könnte zu einem Paradigmenwechsel des Zusatzsystems als Problemlöser beitragen, falls es gelingt, die automatische Positionierung und Auslegung dieser MMD in einen ganzheitlichen Entwicklungs- und Optimierungsprozess einzubetten, der sich für den industriellen Einsatz im Werkzeugmaschinenbau in der frühen Entwicklungsphase eignet.

Das Hauptargument für die Kopplung beider Ansätze liegt in den zu erwartenden Synergieeffekten, die sich durch Leichtbaustrukturen - weniger Dämpfermasse nötig - mit inneren Freiräumen und darin verteilten Dämpfersystemen - weniger Bauraum nötig - ergeben. Eine mögliche Umsetzbarkeit derartiger Strukturen wird insbesondere durch die rasante Entwicklung additiver Fertigungsverfahren stark begünstigt und eröffnet bisher nicht realisierbares Optimierungspotential.

Eine der größten Herausforderungen für die zweite Phase des Forschungsprojektes liegt darin, die optimale Auslegung von MMD mit einem rechenzeiteffizienten Strukturoptimierungsverfahren zu koppeln, ohne dass die gegenseitige Beeinflussung beider Optimierungsansätze die Konvergenz des Gesamtverfahrens gefährdet. Um dieser Kernproblematik zu begegnen, ist die grundlegende Erforschung verschiedener in der ersten Förderperiode bereits skizzierter Kopplungsansätze in Verbindung mit unterschiedlichen Strukturoptimierungsansätzen essentiell. Unter Zuhilfenahme additiver Fertigungsverfahren soll die abschließende praktische Verifikation die tatsächlich realisierbaren Synergieeffekte darlegen und als Ausgangslage für einen Wissenstransfer in die Praxis, auch über den Werkzeugmaschinenbau hinweg, dienen.