Neuer Flächenmotor macht Maschinen dynamischer

Soll sich das Werkzeug einer Werkzeugmaschine nicht nur entlang einer Richtung bewegen, dann braucht diese Maschine – bislang – zwei Elektromotoren: Der erste bewegt sich vor und zurück und trägt den zweiten Motor, der den Antrieb nach rechts und links (oder oben und unten) beisteuert, Huckepack.

Gemeinsam können diese beiden Motoren so alle Punkte einer Ebene ansteuern. Gemeinsam sind sie aber auch relativ schwer und benötigen in ihrer Konstruktion viel Platz – sehr ungünstige Eigenschaften, wenn es um schnelle und präzise Positioniervorgänge insbesondere in hochdynamischen Werkzeugmaschinen geht.

Jan Friederichs, Ingenieurwissenschaftler am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) im Produktionstechnischen Zentrum der Leibniz Universität Hannover, hat sich der Aufgabe angenommen, einen einzigen planaren Motor zu entwickeln, der beide Antriebsrichtungen bedienen kann. Dass diese so naheliegende Idee noch nicht verfolgt wurde, macht deutlich, dass Friederichs es hier mit anspruchsvoller Grundlagenforschung ohne Erfolgsgarantie zu tun hatte. Er konnte die Deutsche Forschungsgemeinschaft für sein Konzept gewinnen; sie fördert seit 2010 die „grundlegende Erforschung eines zweiachsigen lineardirekt angetriebenen Mehrkoordinatenantriebs unter besonderer Berücksichtigung der Einsatzfähigkeit in Werkzeugmaschinen“. Der Machbarkeitsnachweis des Flächenmotors stand im ersten Förderjahr im Mittelpunkt, er wurde mit einer Simulation erbracht. Anschließend konnte das Team um Jan Friederichs daran gehen, den Prototypen zu konzipieren und umzusetzen.

Eine der zentralen Herausforderungen war die elektromagnetische Auslegung des Motors, denn anders als sonst üblich muss die Kraft, die im Motor erzeugt wird, ja nicht mehr nur in eine Richtung weisen. Völlig neue Kreuzwickeltechnologien, kombiniert mit einem passenden Permanentmagnetfeld in Form eines Schachbrettmusters, erwiesen sich als erfolgreiche Lösungsbausteine. Die resultierende, in jede beliebige Flächenrichtung weisende Kraft bewegt einen Arbeitstisch, der über zwei senkrecht zueinander angebrachte Schienen geführt wird. Mittlerweile ist der Prototyp in Betrieb. Er bewegt zurzeit einen 0,3 mal 0,3 Meter großen Arbeitstisch und beschleunigt ihn und ein Bauteil von bis zu 80 Kilogramm beim Positionieren mit bis zu 2g, der zweifachen Erdbeschleunigung.

„Unser Antrieb“, so Friederichs, „hat mehrere Vorteile: Er ist kompakter in der Bauweise, ausgeglichener in der Leistungsverteilung auf die Einzelachsen, steifer in der Konstruktion und genauer bei der Positionierung.“ Die Vielfalt möglicher Anwendungen skizziert Professor Berend Denkena, Leiter des IFW: „Der neue Antrieb ist ideal einsetzbar in Sonder-, Dreh- und Fräsmaschinen oder in Bestückungsmaschinen, die Ware in x- und y-Richtung bewegen. Aber auch jenseits des Maschinenbaus sind viele neue Anwendungen denkbar – ob in der Medizintechnik, der Reha-Technik oder der Spiele-Industrie, denn der Motor lässt sich beispielsweise auch per Joystick steuern.“

Für den Transfer der erfolgreichen Grundlagenforschung in konkrete industrielle Anwendungen kooperiert das Team des IFW gern mit Industriepartnern. Interessierte Unternehmen können sich an Jan Friederichs wenden. Kontaktmöglichkeiten und weitere Informationen unter http://www.planardrive.de/

Hinweis an die Redaktion:
Für weitere Informationen steht Ihnen Dipl.-Ing. Jan Friederichs vom Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover unter Telefon +49 511 762 18067 oder per E-Mail unter friederichs@ifw.uni-hannover.de gern zur Verfügung.