Raus aus dem Labor, rein in die Industrie

Auftakt zum Forschungsnetzwerk »PiesaSpan«

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Mechatronische Spindelhalterung zur Oberflächenstrukturierung und -konturierung.

Neun Partner entlang der gesamten Wertschöpfungskette von Werkzeugmaschinen und deren Komponenten, darunter sieben kleine und mittelständische Unternehmen, haben sich im Netzwerk »PiesaSpan – Piezobasierte Zusatzsysteme für spanende Werkzeugmaschinen« zusammengeschlossen. Das Ziel: Den Forschungscharakter bisheriger Systeme überwinden und gemeinsam marktreife Technologien auf der Grundlage von Piezoaktoren entwickeln. Gefördert wird das Netzwerk vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms für den Mittelstand ZIM. Die Koordination hat das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU übernommen.

In nahezu jedem elektrischen Feuerzeug sind sie inzwischen verbaut: Piezoelemente. Der Entstehung des kleinen Funkens, der das Feuerzeuggas entzündet, liegt ein simpler, aber wirkungsvoller Effekt zugrunde: Verformt man einen Festkörper aus Piezokristallen, tritt eine elektrische Spannung auf. Im Feuerzeug wird bei eingedrücktem Taster ein Stößel auf einen Piezokristall geschlagen. Eine Spannung von bis zu 15 V entlädt sich zwischen zwei dicht aneinander liegenden Metallkontakten und ein Funke entsteht. Ein Effekt, der auch für Sensoren genutzt werden kann. Tritt eine Verformung an einem Bauteil oder einer Maschinenkomponente auf, senden Piezosensoren einen elektrischen Impuls.

Umgekehrt lassen sich Piezomaterialien bei Anlegen einer elektrischen Spannung in eine bestimmte, vorher definierte Form bringen – elektrische Energie wird in Bewegung umgesetzt. Piezosysteme werden daher auch aktorisch eingesetzt, unter anderem in der Regelungs- und Automatisierungstechnik oder in der Mechatronik. Ein aktuelles Anwendungsbeispiel aus dem Consumer-Bereich sind Smartphone-Displays, in die Piezokristalle integriert sind. Unter elektrischer Spannung sind diese verformbar. Die Hersteller können so Höhenunterschiede, zum Beispiel auf einer Touchscreen-Tastatur, simulieren.

Auch in der Werkzeugmaschinenbranche ist das Potential groß: Durch die Integration piezobasierter Zusatzsysteme ist es möglich, Fertigungsgrenzen und Funktionalitäten von Maschinen und Technologien zu erweitern sowie neue Konzepte und Fertigungsverfahren zu schaffen oder vorhandene Prozesse zu optimieren. In zahlreichen Anwendungen sind piezoelektrische Keramiken oder Quarze als Aktoren und Sensoren bereits seit vielen Jahren erfolgreich im Einsatz. Neben dem Consumer-Bereich und Positionieraufgaben in der Mikro- und Halbleiterindustrie hebt sich dabei besonders die Ultraschalltechnik mit einer Vielzahl von Anwendungsbereichen hervor und ist u. a. in der Medizintechnik, der Lebensmittelindustrie, aber auch in der Produktionstechnik ein fester Bestandteil. Durch die Überlagerung von Ultraschallschwingungen lassen sich z. B. konventionell nur schwer zu zerspanende harte und spröde Werkstoffe oder Materialverbünde wie carbon- und glasfaserverstärkte Kunststoffe wirtschaftlich bearbeiten. Die Piezoaktoren werden auch genutzt, um die Bearbeitungsgenauigkeit zu erhöhen indem sie gezielt Schwingungen erzeugen.

Mit Ausnahme der Ultraschalltechnik ist den piezobasierten Zusatzsystemen in Werkzeugmaschinen bisher aber der entscheidende Durchbruch verwehrt geblieben. »Die Gründe für ein Verbleiben im Prototyp-Stadium sind vielfältig «, erklärt Kenny Pagel, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Dresden. »Oft fehlt es an einheitlichen Schnittstellen, bspw. für die Steuerung, die ein schnelles oder nachträgliches Einbinden bzw. Nachrüsten der Piezosysteme verhindern. Auch Fragen zur Wartung und Robustheit der Systeme müssen klarer als bisher beantwortet werden«, beschreibt Pagel die Markthindernisse.

Das Netzwerk PiesaSpan stellt daher die Entwicklung ganzheitlicher Lösungen mit einfacher Bedienung, standardisierten Schnittstellen sowie industrietauglicher, robuster Teilkomponenten in den Vordergrund der weiteren gemeinsamen Entwicklung. Entlang der gesamten Wertschöpfungskette für Werkzeugmaschinensysteme und -komponenten soll hierzu Know-how gebündelt werden, um marktreife Sensor-Aktor-Systeme auf der Basis von Piezoaktoren zu entwickeln und in die industrielle Anwendung zu überführen.

Die Mitglieder des Netzwerks im Überblick:

– Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU (Koordination)
– CAD-CAM-SOLUTIONS GmbH
– DIGALOG Industrie-Mikroelektronik GmbH
– K E S KLAUS EICHHORN STEUERUNGSTECHNIK
– KONTENDA GmbH
– Lehmann Präzisionswerkzeuge GmbH
– Metrom GmbH
– PASO Präzisionsmaschinenbau GmbH
– PI Ceramic GmbH
– Spindel- und Lagerungstechnik Fraureuth GmbH

Kontakt:

www.piesaspan.de
www.iwu.fraunhofer.de