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Fraunhofer IPT Schnelle Auslegungsmethode für ultraschallunterstützte Zerspanung

| Autor / Redakteur: Sophia Hannig, Christian Brecher und Christian Wenzel / Peter Königsreuther

Die aktive Ultraschalltechnik hilft nicht nur in der Chirurgie. Auch bei der Zerspanung kann sie vorteilhaft eingesetzt werden. Die meist aufwendige Entwicklung hemmt jedoch die Verbreitung und Einführung. Das Fraunhofer-IPT forscht deshalb an einer effizienteren Auslegung und Optimierung von Ultraschallsystemen.

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Bild 1: Mit einer neu entwickelten Methode kann die Auslegung effektiverer Schwingkörper, etwa für das ultraschallunterstützte Drehen, deutlich beschleunigt werden.
Bild 1: Mit einer neu entwickelten Methode kann die Auslegung effektiverer Schwingkörper, etwa für das ultraschallunterstützte Drehen, deutlich beschleunigt werden.
(Bild: Fraunhofer-IPT)

Der Einsatz von Ultraschalltechnik gewinnt sowohl in der Medizin- als auch in der Zerspanungs- und Fügetechnik stark an Bedeutung. Bevorzugt werden longitudinal schwingende Systeme genutzt, um das entsprechende Werkzeug in hochfrequente Vibrationen mit definierter Richtung zu versetzen. Durch diese hochfrequente Schwingung des Werkzeugs liegt ein diskontinuierlicher Werkzeugeingriff vor. Es kommt zu verschiedenen Effekten wie höheren Abtragsraten und verringertem Werkzeugverschleiß.

Die Auslegung und Berechnung solcher longitudinalen Ultraschallsysteme ist mit üblichen Methoden (analytisch, FEM-basiert oder auf Erfahrung gestützt) sehr entwicklungs- und zeitintensiv, da ein iterativer Prozess mit einer Vielzahl von Schritten und Verbesserungsschleifen durchlaufen werden muss. Die industriell nutzbare Anwendung und Verbreitung von Ultraschallsystemen wird dadurch massiv eingeschränkt.

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Den richtigen Schwung liefern nur präzise Komponenten

Mit einer neu entwickelten Auslegungsmethode kann dieser langwierige Prozess jetzt deutlich verkürzt und Geometrien verschiedener Schwingkörper für unterschiedliche Anwendungen schnell und automatisiert berechnet werden. Mit dem folgenden Lösungsansatz wurde ein neues System für das Ultrapräzisionsdrehen (Bild 1) von Freiformoberflächen auf Stahl und Glas für optische Anwendungen mit monokristallinen Diamantwerkzeugen ausgelegt und entwickelt. Es wurde außerdem ein Prototyp konstruiert und eine erste Prozessanalyse vorgenommen.

Ultraschallunterstützte Systeme müssen das Werkzeug in einer Resonanzfrequenz anregen, damit es in gewünschter Weise bei gegebener Frequenz schwingt. Das erfordert eine hohe Präzision der Komponenten. Diese Systeme bestehen meist aus einem Konverter, einer Sonotrode und dem Werkzeug (Bild 2 – siehe Bildergalerie).

Piezoeffekt macht aus hochfrequenter Wechselspannung eine mechanische Schwingung

Der Konverter erzeugt mittels Piezoeffekt aus einer hochfrequenten Wechselspannung eine hochfrequente mechanische Schwingung, bei der die Sonotrode in einem longitudinalen Modus in Resonanz schwingt. Der Modus überträgt sich auf das Werkzeug und das führt zu einer Art Pumpbewegung. Wegen der unbefriedigenden Entwicklungsmethoden wurde die neue, automatisierte Optimierungsvariante erarbeitet: Das Ziel ist eine massive Verringerung der Iterationsschritte bei der Berechnung von Ultraschallschwingern. Ein weiterer Vorteil ist die leicht verständliche Benutzeroberfläche des Berechnungsprogramms, die dem Anwender bei der Suche nach dem richtigen Schwingerdesign hilft.

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