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Gemeinsames Sägen an dünnen Rohren

Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert in Chemnitz die Zusammenarbeit zwischen theoretischen Physikern und Ingenieuren zur Lösung von fundamentalen Problemen bei der spanenden Bearbeitung

Dass Physiker der Technischen Universität Chemnitz und Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz gemeinsam an dünnen Rohren sägen, klingt im ersten Moment vielleicht etwas lustig. Es hat allerdings einen ernsthaften Hintergrund: Das Sägen von dünnwandigen Rohren bringt fundamentale Probleme mit sich – zumindest wenn man den heutzutage geforderten hohen Durchsatz bei gleichzeitig hoher Schnittqualität erzielen will. Ähnliche Herausforderungen treten auch bei anderen spanenden Fertigungsverfahren auf, etwa beim Fräsen oder Tieflochbohren. Die auftretenden Probleme sind so fundamental, dass die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) 300.000 Euro bewilligt hat, um sie in einer Kooperation von theoretischen Physikern und Maschinenbau-Ingenieuren einer Lösung näher zu bringen.

Doch, wo liegt das Problem? Und was macht eine Lösung so schwierig? Das Problem heißt „Rattern“. Das sind Maschinenschwingungen, die sich selbst immer mehr verstärken und letztendlich zu schlechter Schnittqualität führen und sogar die Zerstörung des Schnittwerkzeuges bewirken können. Der zugrunde liegende Mechanismus dieser Instabilität ist der Regenerativeffekt. Er besagt, dass eine kleine, zufällige Unebenheit bei der nächsten Umdrehung des Werkzeugs eine größere Unebenheit bewirkt, und so fort. Um dieses Problem zu verstehen und Strategien zu seiner praktischen Lösung zu entwickeln, bedarf es der Modellierungsexpertise, wie sie in der Chemnitzer Physikprofessur Komplexe Systeme und Nichtlineare Dynamik existiert. Die mathematische Beschreibung geschieht durch Differentialgleichungen mit nacheilendem Argument (Delay). Bei der spanenden Bearbeitung, wie dem Sägen von dünnwandigen Rohren, kommt eine fundamentale Erschwernis hinzu: Sogenannte Torsionsschwingungen führen dazu, dass das Delay nicht konstant ist, sondern zustandsabhängig variiert. In den letzten Jahren haben sich die Chemnitzer theoretischen Physiker zu weltweit anerkannten Experten in diesem Problemkreis entwickelt, so dass zusammen mit den praktischen Erfahrungen und den Messmethoden der Ingenieure vom Fraunhofer IWU vielversprechende Optimierungsstrategien herausgearbeitet werden können. Dieses Projekt ist ein typisches Beispiel für die Notwendigkeit einer fachübergreifenden Zusammenarbeit von Grundlagenforschern und Anwendern, die auch entsteht, wenn mit wohlbekannten Technologien Höchstleistungen erzielt werden sollen.

Weitere Informationen erteilen Dr. Andreas Otto, Gruppenleiter Delay-Dynamik in der Professur Theoretische Physik I – Komplexe Systeme und Nichtlineare Dynamik, Telefon 0371 531-37717, E-Mail andreas.otto@physik.tu-chemnitz.de, http://www.tu-chemnitz.de/physik/KSND/ und Dr. Martin Kolouch, Ph.D., wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Telefon 0371 5397-1362, E-Mail martin.kolouch@iwu.fraunhofer.de.

Details zur Förderung des Projekts durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unter http://gepris.dfg.de/gepris/projekt/321138034

(Autor: Prof. Dr. Günter Radons, Professur Theoretische Physik I – Komplexe Systeme und Nichtlineare Dynamik)

Mario Steinebach
11.01.2018

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