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© Fraunhofer IWU Energieautarke FGL Aktorik Kenny Pagel VDI-FGL-Expertenforum Dresden, den 30. September 2014

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Energieautarke FGL Aktorik

Kenny Pagel

VDI-FGL-Expertenforum

Dresden, den 30. September 2014

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AGENDA

1. Einleitung

2. Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen

Aktorik zur Kompensation von Thermischen Verlagerungen

FGL Kugelgewindetrieb

Weitere Komponenten

3. Elektrische Verbindungsklemme

4. Zusammenfassung

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Quelle: Philips

Quelle: Toto

1. Einleitung

Quelle: Actuator Solutions

Derzeit etablierte Systeme:

größtenteils elektrisch aktiviert

Geringe Wege und Kräfte

Zumeist Drahtaktoren verwendet

Vorteile bzgl. Masse, Bauraum, Teileanzahl

Einige wenige selbstschaltende Systeme

Ventile

Thermostate

Lüftungsklappen

Bisher kaum Anwendungen mit direkter Rückwirkung auf Wärmeentstehung

Quelle: Boeing

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2. Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen Anforderung an Werkzeugmaschinen

hohe Produktivität

hohe Genauigkeit

hohe Verfügbarkeit

relativer Abstand zwischen Werkstück

und Werkzeugmittelpunkt

geometrische Genauigkeit

Positionierungs-genauigkeit

statische Steifigkeit

dynamische Steifigkeit

Wärmeverhalten

Wärmequellen

Wärmeübertragung

Die Wärmeausdehnung begrenzt die Bearbeitungs-genauigkeit der Werkzeug-maschine selbst bei Klimatisierung (90% des E-Verbrauchs)

GESTELL FÜHRUNGEN ANTRIEB STEUERUNG

Quelle: Bearbeitungszentrum. Bosch Rexroth Handbuch Lineartechnik

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Motivation und Problemstellung:

Thermo-elastisch bedingte Fehler haben ca. 50 – 80% Anteil am Werkstückfehler

Maschinentemperierung erfordert hohen Energieeinsatz

Einsparen von Grundlast in Pausen führt zu Genauigkeitsproblemen

Ansatz und Zielstellung:

Nutzung thermodynamischer Netzwerke zur Kompensation von Temperaturschwankungen

2. Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen Aktorik zur Kompensation von Thermischen Verlagerungen

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Wärmeleitung Wärmespeicher Thermischer Schalter

Heatpipes Latentwärmespeicher FGL

Elektrische Analogie

Thermodynamisches Bauteil

Technologie

2. Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen Aktorik zur Kompensation von Thermischen Verlagerungen

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Kugelgewindetriebe:

Anforderungen an Kugelgewindetriebe:

geringer Verschleiß, hohe Lebensdauer

hoher Wirkungsgrad, hohe Präzision

kein Stick-Slip-Effekt (Haftgleiteffekt)

hohe Steifigkeit und spielfreier Betrieb

spielfreies Fertigen des Wälzkontakts aufwändig KGT vorspannen

Unterscheidung zwischen Einzel- und Doppelmutter-System

Auseinanderdrücken der Muttern O-A. Spindel unter Druckspannung

Zusammendrücken der Muttern X-A. Spindel unter Zugspannung

O-Anordnung X-Anordnung

2. Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen FGL Kugelgewindetrieb

Quelle: Bosch Rexroth Kugelgewindetriebe Katalog

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2. Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen FGL Kugelgewindetrieb

Prozessanforderungen:

hohe Vorspannung: genaue Positionierung und hohe Steifigkeit

niedrige Vorspannung: große Vorschubgeschwindigkeit und geringer Verschleiß

Problemstellung:

Vorspannungsvariation aufgrund der Reibungswärme in Kugeln und Kugelrillen

Fall 1: TSpindel = Tmutter Vorspannung im Idealfall konstant

Fall 2: TSpindel > TMutter

Spindel dehnt sich stärker als Muttern Vorspannung s inkt!

Zielkonflikt

Kompromiss mittlere Vorspannung Idealfall im Betrieb konstant

Fall 3: TSpindel < TMutter

Muttern dehnen sich stärker als Spindel Vorspannung steigt!

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Lösungsansatz:

Integration von FGL zur Kompensation der Wärmeausdehnung

Systemanforderungen:

Extrinsischer Zwei-Weg-Effekt (ZWE): A→ B ↔ C

└─►FG-Halbzeug interagiert mit Federkraft

2. Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen FGL Kugelgewindetrieb

1 hohe Steifigkeit Große Querschnitte

2 hohe Blockierkräfte & kleine Hübe

FG-Zylinder oder -Bleche

3 einachsige Belastung Push- oder Pull-Aktor

4 ohne äußere Energie autarkes selbstregelndes System

5 Kommerziell verfügbare FGL Geometrie als Halbzeug

FGL

Martens it, α´ Austenit, γ

FGL

C B

Vorwärts- (γ→ α´) und Rückwärts- (α´→ γ)

-Transformation unter äußere Last

F

Δl

<

A

B

C

Federkennlinie

α´

γ

Wärmefluss Wärmequellen mechanische Rückkopplung

FG-Halbzeug (Aktor und Sensor)

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2. Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen FGL Kugelgewindetrieb

Entwurf:

Druckbeanspruchung (Push-Aktor) Platzierung zwischen den Muttern

ringförmige Anordnung der FG-Zylinder Vermeidung von Verkippung

thermisch günstige Lage der FG-Zylinder effizienter Wärmeeintrag

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2. Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen FGL Kugelgewindetrieb

Prototyp:

Thermostabiler Kugelgewindetrieb

Flanschmutter Hülse DMS-Streifen FG-Zylinder Kontermutter

Gewindehülse Festkörpergelenk Verspanmutter Spindel Thermoelemente

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Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen FGL Kugelgewindetrieb

Ergebnisse:

Weg 400 mm, Vmax 900 mm/s, Last 100 kg

Ohne FG-Aktor

starkes Absinken der Vorspannung

Mit FG-Aktor

Ausgleichung der Vorspannungsverluste

Thermostabiler KGT

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Weitere Beispiele: Vorspannung in Kegelrollenlagern, Spielverstellung in Schneckengetriebe und Stirnradgetriebe und Sicherheitskupplung (v.l.n.r.) nach [Bauer]

Verwendungszweck: Spielanpassung, Vorspannungsänderung, Sicherheitsfunktion

autarker selbstregelnder Betrieb

insb. wälzgelagerte Maschinenelemente vorteilhaft

verringert den Verschleiß und erhöht damit die Sicherheit und Verfügbarkeit von Werkzeugmaschinenkomponenten

2. Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen FGL Kugelgewindetrieb

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3. Elektrische Verbindungsklemme Motivation und Problemstellung

Anwendungsbereiche von Klemmen:

Gebäudeinstallation

Anlageninstallation

Fahrzeuginstallation

Elektrische Energieverteilung

Elektrotechnische Produkte

Ausgereifte Massenprodukte im millionenfachen Einsatz

Problemstellung:

Fehler in der Elektrotechnik verursachten 33,7% aller Brände (Stand: 2010)

Bei ca. 10% aller Prüfungen im Rahmen einer Feuerversicherung wurden Mängel an Leiteranschlüssen und -verbindungen festgestellt (Stand: 2008)

Ursachen:

Fehlerhafte Montage Schwingungen Kriechen des Leitermaterials

Zur Vermeidung hoher Wartungsaufwand notwendig

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3. Elektrische Verbindungsklemme Motivation und Problemstellung

Stand der Technik, Erzeugung der Vorspannkraft durch:

Bolzen-/ Schraubklemme

Federzugklemme–push in

Druckfeder

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3. Elektrische Verbindungsklemme Ansatz und Zielstellung

Anforderungen:

Selbstständig nachstellend

Bemessungsanschlussvermögen: definiert den größten installierbaren Leiterquerschnitt , Skalierbarkeit für verschiedene Leiterquerschnitte

Mindestkontaktkraft definiert durch DIN 60947-7-1

(S: Sicherheitsfaktor, UKmax = 1:6mV: Maximaler Spannungsabfall)

FGL nicht vom Strom durchflossen

Maximale Kontakttemperatur 85°C definiert durch DIN 60947-7-1

Geringe Kosten

Abstufung der Bemessungsquerschnitte von Leitern in mm2

Mindestkontaktkraft in Abhängigkeit vom Bemessungsquerschnitt

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Kriterien:

Verfügbarkeit FGL-Halbzeug

Fertigungsaufwand FGL-Element

Materialvolumen/(-kosten) der FGL

Montageaufwand des FGL-Elements

Kraftpotential

Wegpotential

Potential des Wärmeeintrags

Investition für die Anpassung

Einsatzbereich Leiterquerschnitt

3. Elektrische Verbindungsklemme Varianten und Bewertung

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3. Elektrische Verbindungsklemme Vorzugsvariante

Klemmschraube mit FGL-Zylinder

Aktor wird nach Installation in Schraube vorgestaucht

Unter normalen Betriebsbedingungen Verhalten wie bei herkömmlichen Schraubklemmen

Gute Verfügbarkeit von FGL Zylindern

Hohe Kraft, ausreichend Hub

Geringe Kosten

Skalierbarkeit

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3. Elektrische Verbindungsklemme Vorzugsvariante

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Funktionsweise:

1. Ausgangszustand

2. Einbauzustand nach Leiterinstallation

3. Leiter gelockert (F = 0) K

4. Möglicher Luftspalt kompensiert

5. FGL in Austenitphase

6. FGL in Martensitphase (Endzustand)

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3. Elektrische Verbindungsklemme Funktionsnachweis

Testschrauben:

M10×20 Stahlschrauben mit Regelgewinde der Festigkeitsklasse 8.8

FGL-Zylinder (NiTi) der Firma Memry, Legierung M mit einem Durchmesservon 6,35 mm

Versuchsablauf:

Aufbringen einer Vorspannkraft durch Stauchung vonFV = {3 kN, 6 kN, 9 kN, 12 kN}

Absenken der Kraft auf FK = 0, lagegeregeltes Halten der Position

Erzwungene Erwärmung mit geregelter Heißluftpistole, 1 min, 120 ◦C

Erzwungene Abkühlung mit Druckluft-Prallstrahlkühlung, 1 min, ca. 20 ◦C, 5 bar

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3. Elektrische Verbindungsklemme Ergebnisse

Einfluss der Vorspannkraft auf die verbleibende Kontaktkraft:

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3. Elektrische Verbindungsklemme Ergebnisse

Einfluss des Luftspalts / Arbeitsweges:

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3. Elektrische Verbindungsklemme Ergebnisse

Zyklisches Nachstellen:

Mehrere Nachstellvorgänge möglich

Verbleibende Kraft sinkt mit zunehmender Zyklenzahl

Steifigkeit des Systems bestimmt die mögliche Zyklenzahl

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4. Zusammenfassung

Potential für Energieautarke Aktorik in Werkzeugmaschinen aufgezeigt für:

Aktorik zur Kompensation von Thermischen Verlagerungen

FGL Kugelgewindetrieb

Funktion am Demonstrator nachgewiesen

Weitere Komponenten

Elektrische Verbindungsklemme

Funktion am Demonstrator nachgewiesen

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Kenny Pagel

Fraunhofer Institut Werkzeugmaschinen und Umformtechnik

Tel: 0351 – 4772 2343

E-Mail: [email protected]