ALesteK - Anwendung kombinierter Leichtbaustrategien für ein energieeffizientes Kühlkonzept; Teilvorhaben: Rechnerische und experimentelle Entwicklung eines Kühlkörpers am Beispiel einer Leichtbau-Motorspindel

Abstract

Die Ressourcenverknappung bei gleichzeitig steigendem Energiebedarf zwingt nahezu alle Industriebereiche zu einem Umdenken. Schätzungen zufolge wird der Energieverbrauch bis 2050 um bis zu 25 % zunehmen, während die Strompreise steigen und gesetzliche Restriktionen strenger werden. Werkzeugmaschinen für abtragende Fertigungsverfahren stellen eine zentrale Komponente im Maschinenbau dar. Diese Anlagen verfügen über zahlreiche Antriebe und Hilfsaggregate, die einen hohen Energiebedarf aufweisen. Eine Schlüsselkomponente solcher Anlagen ist die Motorspindel, die maßgeblich die Fertigungsgenauigkeit und Produktivität beeinflusst. Während der Bearbeitung erzeugen Antriebe, Motoren, Spindeln und umliegende Komponenten Wärme, die gezielt und schnell abgeführt werden muss, um die thermische Stabilität und Maßgenauigkeit der bearbeiteten Werkstücke zu gewährleisten. Andernfalls kann Überhitzung zu einer Reduzierung des Gesamtwirkungsgrads, der nutzbaren Leistung oder der Lebensdauer einzelner Komponenten führen. Motorspindeln mittlerer und höherer Leistungsklassen werden heutzutage über externe Kühlaggregate gekühlt. Dabei kommen klassische Wärmepumpensysteme zum Einsatz, deren flüssigkeitsgefüllter Primärkreislauf über ein Leitungssystem mit dem Wärmetauscher der Motorspindel verbunden ist. Die Wärme wird über die Kühlflüssigkeit von der Motorspindel durch eine Wärmepumpe und einen Sekundärkreislauf zu einem zweiten, luftgekühlten Wärmetauscher geleitet, der die Abwärme an die Umgebungsluft abgibt. Die Kühlaggregate, die an Werkzeugmaschinen für das Temperaturmanagement von Motorspindeln, Motoren, Hydraulik und Kühlschmierstoffen eingesetzt werden, sind zusammen für mehr als drei Viertel des Energieverbrauchs verantwortlich und zählen damit zu den größten Energieverbrauchern einer Fertigungsanlage. Die additive Fertigung eröffnet neue Möglichkeiten in der Konstruktion und Realisierung von Leichtbaukomponenten, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht oder nur mit hohem technischem und finanziellem Aufwand realisierbar sind. Sie ermöglicht nicht nur komplexe Geometrien in Leichtbauweise, sondern auch die Integration weiterer benötigter Funktionalitäten bei geeigneter Konzeption. Das Projekt nutzt diese Vorteile und implementiert eine neuartige Luftkühlung für Motoren und Motorspindeln mit hohen Leistungswerten, die durch geschickte Anwendung von Leichtbauprinzipien und -merkmalen als funktionsintegriertes System realisiert wird. Bei-spiele hierfür sind die hohe Wärmeleitfähigkeit von Leichtmetallen, die Kühlwirkung großer Oberflächen und eine verringerte Wärmeleitung durch reduzierte Querschnittsflächen.