Die technische Motivation
Eine effiziente Produktion von Bauteilen ist heute ein entscheidender Faktor für den Erfolg eines Unternehmens. Besonders im Fokus stehen Werkzeugmaschinen wie CNC-Fräsmaschinen, die präzise Bearbeitungen an Einzel- und Serienteilen durchführen. Durch ständige Optimierung und Weiterentwicklung wird sichergestellt, dass sie den wachsenden Anforderungen gerecht werden und eine lange Lebensdauer bieten.
Ein zentrales Antriebselement in diesen Maschinen sind Kugelgewindetriebe, die für die Umsetzung der rotativen Bewegung in eine lineare Bewegungen sorgen. Sie zeichnen sich durch ihre Kombination aus Positionsgenauigkeit, Langlebigkeit und moderatem Kostenaufwand aus. Dennoch gibt es Raum für Verbesserungen. Um den Anforderungen der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG bei Vertikalachsen gerecht zu werden, müssen hier zusätzliche Lösungen wie Bremsen oder Feststelleinheiten eingebaut werden.
Derzeitige Konstruktionen bringen jedoch Herausforderungen mit sich. Zum einen die Positionierung der Bremse, die Bauraum benötigt, der meistens nicht vorhanden ist. Zum anderen die Dimensionierung der Kugelgewindetriebe, da hierbei Belastungen wie Torsion auftreten und eine Überbeanspruchung der Wälzkörper verursachen. Eine innovative Lösung wäre die Integration der Bremse direkt in die Kugelgewindemutter oder deren Platzierung in unmittelbarer Nähe. Diese räumliche Nähe würde Stabilität und Effizienz steigern, ohne dabei die Haltekraft oder die Taktzeiten zu beeinträchtigen.
Die Firma Roschiwal + Partner, bekannt für ihre Innovationskraft im Bereich der Werkzeugmaschinen, hat sich dieser Herausforderung angenommen. Ziel ist es, neue Technologien zu entwickeln, die sowohl die Sicherheit als auch die Leistungsfähigkeit von Werkzeugmaschinen weiter verbessern. Der Fortschritt in diesem Bereich verspricht nicht nur effizientere Produktion, sondern auch eine nachhaltige Optimierung der gesamten Fertigungsprozesse.
Die Zielsetzung
Ziel dieser Bachelorarbeit ist es, neue Ansätze zur Integration einer Bremse in einen Kugelgewindetrieb zu entwickeln, zu bewerten und konstruktiv umzusetzen. Die Bremse soll dabei direkt an der Kugelgewindemutter positioniert werden.
Zu Beginn werden Ideen zur Umsetzung gesammelt und zu konkreten Konzepten weiterentwickelt. Ein besonderes Augenmerk liegt auf einer kompakten Bauweise – idealerweise innerhalb der bestehenden Störkontur der Kugelgewindemutter. Die Bremse soll zudem mit bereits vorhandenen Betätigungsmechanismen in der Werkzeugmaschine kompatibel sein, um eine einfache Nachrüstung zu ermöglichen.
Wichtig ist außerdem, dass die Reaktionszeit der Bremse (Öffnen und Schließen) maximal 0,2 Sekunden beträgt, um die Arbeitsabläufe der Maschine nicht zu beeinträchtigen. Beim Schließen muss sichergestellt sein, dass die zulässige Flächenpressung zwischen den Bremselementen und Kugelgewindespindel nicht überschritten wird.
Für die Auslegung wurde eine bewegte Masse von 500 kg angenommen. Es sollen Kugelgewindetriebe eines bestimmten Herstellers verwendet werden – mit einem Nenndurchmesser von 40 mm und Steigungen von 5 mm, 20 mm und 40 mm.
Zur Bewertung der Belastungen wird ein vorhandenes Lastkollektiv aus einem früheren Projekt von Roschiwal+Partner herangezogen. Dieses Lastkollektiv zeigt die Belastungen auf die vertikale Achse einer Werkzeugmaschine, unterteilt in die Kategorien Verfahren (z. B. Stillstand oder Beschleunigung ohne Werkzeugeinsatz) und Bearbeitung (von leichter bis schwerer Zerspanung). Jede Bearbeitungsstufe bringt zusätzliche Kräfte mit sich, die – abhängig von der Richtung – zur Massenkraft der bewegten Achse hinzugerechnet werden müssen.
Die Ideenfindung
Die Bremse soll direkt in den Kugelgewindetrieb integriert werden, um die Lagerstelle von Belastungen wie axialen Kräften und Drehmomenten zu entlasten. Um dies zu erreichen, wird eine Verbindung zwischen der Kugelgewindemutter und der Kugelgewindespindel geschaffen.
Im Rahmen eines hausinternen Brainstormings wurden erste Ideen gesammelt, wie diese Verbindung technisch umgesetzt werden kann. Dabei wurde festgelegt, dass sich die Bremsflächen senkrecht zur Spindelachse bewegen sollen. Diese Bewegung sorgt im geöffneten Zustand für ausreichend Spiel, sodass sich die Spindel frei drehen kann. Im geschlossenen Zustand entsteht durch den Kontakt der Bremsflächen mit der Spindeloberfläche eine reibschlüssige Verbindung. Lösungen auf Basis einer formschlüssigen Verbindung wurden ausgeschlossen, da bisher keine Variante gefunden wurde, die gleichzeitig axiale Kräfte und Drehmomente aufnimmt, ohne die freie Bewegung der Spindel im geöffneten Zustand zu beeinträchtigen.
Die Ideen im Überblick:
Elastisch verformbarer Zylinder: Ein Zylinder, der durch ein Druckmedium nach innen gedrückt wird und so die Bremswirkung erzeugt.
Kegelverbindung: Eine Lösung, bei der durch axiale Bewegung entlang einer Schräge Kontakt zur Spindel hergestellt wird. Daraus ergeben sich zwei Varianten:
Der innere Kegel bewegt sich, der äußere bleibt fixiert.
Der äußere Kegel wird bewegt, der innere überträgt die Bewegung zur Spindel.
Hebelmechanismus: Über Hebel werden die Bremsflächen gegen die Spindel gedrückt.
Mechanische Klemmung mit Rotation: Ein Innenring mit Keilen überträgt die Kraft über Rollenlager auf Bremsklötze.
Diese Ansätze werden in konkrete Konzepte überführt. Ziel ist es, die Bewegung der Bremsflächen über vorhandene Medien in der Werkzeugmaschine zu realisieren. Festgelegt wurden dafür folgende Medien:
Hydraulik: 100 bar Druck
Pneumatik: 5 bar Druck bzw. bis zu 10 bar mit Druckübersetzer
Elektrizität: Spannungen von 12 V bis 380 V
Mit diesen Medien lassen sich über entsprechende Aktoren unterschiedliche Bewegungsarten zur Bremsbetätigung realisieren.
Neben dem Einsatz zur Aufnahme axialer Kräfte – etwa beim Spritzgießen – wird auch die Verwendung als Sicherheitsbremse betrachtet. Hierbei geht es darum, das freie Ausdrehen einer Spindel ohne Antriebsbremse zu verhindern. Das dabei entstehende Drehmoment soll ermittelt und durch die Bremse sicher gehalten werden.
Zu Beginn werden alle Konzepte unter dem Fokus der Klemmung entwickelt. Während Klemmungen dafür ausgelegt sind, stehende Bauteile zu fixieren, dienen Bremsen der Verzögerung von bewegten Komponenten. Für die Auslegung müssen daher die relevanten Parameter wie Kräfte und Momente bestimmt werden, die durch die Klemmung oder Bremse aufgenommen werden müssen.
Zusammenfassung
Im Rahmen der Bachelorarbeit wurde der aktuelle Stand der Technik für Bremssysteme an Kugelgewindetrieben analysiert. Dabei zeigte sich, dass bislang ausschließlich externe Bremssysteme existieren – integrierte Lösungen sind derzeit nicht verfügbar.
Auf Basis erster Ideen wurden fünf Konzepte zur Integration einer Bremse direkt in den Kugelgewindetrieb entwickelt. Diese Konzepte wurden hinsichtlich ihrer Umsetzbarkeit und der erreichbaren Haltekräfte untersucht. Dabei wurde deutlich, dass integrierte Bremsen im Vergleich zu Klemmungen geringere Kräfte übertragen können, aber dennoch für bestimmte Anwendungen geeignet sind.
Die Auswertung zeigte, welche Varianten sich für hohe oder eher niedrige Belastungen eignen. Besonders bei Anwendungen wie Sicherheitsbremsen oder beim Spritzgießen, bei dem Prozesskräfte gezielt abgeleitet werden, bieten die entwickelten Konzepte einen funktionalen Vorteil: Der Kugelgewindetrieb kann durch die integrierte Bremse vor Überlastung und Beschädigung geschützt werden. In solchen Fällen lassen sich auch kleinere Spindeln mit geringerer Tragzahl verwenden.
Aus der durchgeführten Nutzwertanalyse gingen insbesondere Konzept 2 (Klemmkegel innen) und Konzept 4 (Bremszange) als vielversprechend hervor. Konzept 2 erwies sich schließlich als die variabelste und bauraumoptimierteste Lösung, da es modular aufgebaut und für unterschiedliche Bremskräfte skalierbar ist.
Während der Ausarbeitung traten Herausforderungen bei der Dimensionierung auf, insbesondere aufgrund der hohen Haltekräfte, der begrenzten statischen Tragfähigkeit der Kugelgewindetriebe und der immer vorhandenen Schmierung. Zudem überschreiten einige Konzepte die vorhandene Störkontur der Kugelgewindemutter, was die Integration erschwert. Dennoch bietet die Nähe zur Kugelgewindemutter gegenüber externen Systemen einen klaren Vorteil: Die Bremskräfte wirken direkt am Kraftfluss – das entlastet Spindel und Lagerstellen und spart Bauraum an der Antriebseinheit.
Diese Arbeit zeigt eindrucksvoll, wie spannend und praxisnah eine Bachelorarbeit bei Roschiwal+Partner sein kann. Statt rein theoretischer Konzepte erwarten dich bei uns echte Herausforderungen aus dem Maschinenbau-Alltag – mit direktem Bezug zur industriellen Anwendung und viel Raum für eigene Ideen.
Wenn du Technik mitgestalten und deine Abschlussarbeit in einem innovativen, unterstützenden Umfeld schreiben möchtest, dann bist du bei Roschiwal+Partner genau richtig. Wir begleiten dich mit fachlicher Expertise, modernster Technik und echtem Interesse an deiner Weiterentwicklung.
Starte jetzt deine Zukunft – mit deiner Bachelorarbeit bei Roschiwal+Partner!