100 Jahre Produktionstechnik: Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen von 1906 bis 2006 9783540333159, 3540333150

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Walter Eversheim · Tilo Pfeifer · Manfred Weck (Hrsg.) 100 Jahre Produktionstechnik

Walter Eversheim Tilo Pfeifer Manfred Weck (Hrsg.)

100 Jahre Produktionstechnik Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen von 1906 bis 2006

Mit 420 Abbildungen und 1 Ausschlagtafel

Professor em. Dr.-Ing. Walter Eversheim Professor em. Dr.-Ing. Tilo Pfeifer Professor em. Dr.-Ing. Manfred Weck Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre WZL der RWTH Aachen Steinbachstr. 53 / Neubau 52074 Aachen

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ISBN-10 3-540-33315-0 Springer Berlin Heidelberg New York ISBN-13 978-3-540-33315-9 Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Layout und Satz: Christoph Eschweiler Titelbild: Christoph Eschweiler Einbandgestaltung: deblik, Berlin Herstellung: www.ptp-berlin.com Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/3020/Yu - 5 4 3 2 1 0

Vorwort

Das Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre der RWTH Aachen, auch kurz Werkzeugmaschinenlabor WZL genannt, wird 100 Jahre alt. Nun ist das Alter eines Hochschulinstituts, ähnlich wie bei natürlichen Personen, per se kein besonderes Verdienst. Wir, die derzeitigen Direktoren des WZL, Christian Brecher, Fritz Klocke, Robert Schmitt und Günther Schuh, sehen in diesem „runden“ Geburtstag einen willkommenen Anlass, Dank zu sagen an die Generationen unserer Vorgänger als Institutsleiter und an die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, die den ausgezeichneten Ruf des WZL aufgebaut und geprägt haben. Unser Dank soll durch die Herausgabe dieser Jubiläumsschrift zum Ausdruck gebracht werden. Als die Idee geboren war, gelang es, spontan unsere Vorgänger Walter Eversheim, Tilo Pfeifer und Manfred Weck als Herausgeber, Autoren und Organisatoren zu gewinnen. Darüber hinaus sicherte der Freundeskreis des WZL mit seinem Vorsitzenden Karl Schwiegelshohn die notwendige finanzielle Unterstützung zu. Schließlich konnten wir Frau Cornelia Kompe gewinnen, die unter der Betreuung unseres Kollegen Armin Heinen vom Historischen Institut der RWTH Aachen die Geschichte des WZL recherchierte und aufarbeitete. In mühevoller Kleinarbeit trug sie Fakten, Zahlen und Ereignisse zusammen, die sie durch Interviews mit Zeitzeugen validierte, ergänzte und würzte. Als das Datenmaterial zusammengetragen und das Manuskript fertig gestellt war, wurde klar, dass der anfänglich geplante Umfang der Jubiläumsschrift fast doppelt so groß ausfallen wird. Der Vorstand unseres Freundeskreises hatte auch hierzu einen Lösungsvorschlag. Er schrieb unsere Partner und Freunde in kooperierenden Unternehmen an, um sie bzw. ihre Firmen als Sponsoren für dieses Buch zu gewinnen. Wir danken an dieser Stelle allen, die als Herausgeber, Autoren, Sponsoren, Lektoren, Grafiker und Organisatoren mitgewirkt haben, um diese Jubiläumsausgabe beim Springer-Verlag herauszubringen. Gleichzeitig bitten wir um Verständnis, dass wir die zahlreichen Helfer an dieser Stelle nicht alle namentlich nennen können. Sämtliche Mitwirkende sind jedoch mit ihrem Beitrag zu diesem Gemeinschaftswerk an den entsprechenden Stellen in unserer Jubiläumsschrift genannt. Aachen, im Mai 2006

Christian Brecher

Fritz Klocke

Robert Schmitt

Günther Schuh

Inhaltsverzeichnis

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Teil 1 Die Geschichte des WZL von 1906 bis 2006 Die erste Generation im WZL: Adolf Wallichs (1906-1936) CORNELIA KOMPE 1 2 3 4 5

Ansehen und Selbstverständnis der Berufsgruppe Ingenieur . . . . . . . . . . Die Anfänge des WZL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Forschungsfelder im WZL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der Laborgeist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachfolgeregelung im WZL (1936) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 9 19 26 29

Die zweite Generation im WZL: Herwart Opitz (1936-1973) CORNELIA KOMPE 1 2 3 4 5 6

Herwart Opitz als neuer Institutsleiter (1936) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aktivitäten im WZL (bis 1945) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Zeit des Wiederaufbaus (nach 1945) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aktivitäten im WZL (nach 1945) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Leben am WZL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachfolgeregelung im WZL (1972/73) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39 45 48 52 69 78

Die dritte Generation im WZL: Walter Eversheim, Wilfried König, Tilo Pfeifer und Manfred Weck (1973-2002/3/4) CORNELIA KOMPE 1 2 3 4 5

Neue Strukturen – Gleicher Geist. Das WZL im Jahre 1973 . . . . . . . . . . . . Forschungsfelder im WZL ab 1973 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erweiterungen und Ausgründungen des WZL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Leben am WZL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachfolgeregelung: Die dritte Generation geht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

91 98 119 127 133

VIII

INHALTSVERZEICHNIS

Die vierte Generation im WZL: Christian Brecher, Fritz Klocke, Robert Schmitt und Günther Schuh (ab 2004) CORNELIA KOMPE 1 2 3 4

Die vierte Führungsgeneration im WZL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zwei Institute – eine Philosophie: Forschungsfelder im WZL und im Fraunhofer IPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technologie- und Wissenstransfer am WZL und Fraunhofer IPT . . . . . . . . Das Leben am WZL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

149 152 161 169

Teil 2 Forschungsschwerpunkte am WZL 1

Betriebswissenschaft, Fabrikbetrieb, wissenschaftliche Betriebsführung (ab 1906) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . WALTER EVERSHEIM 2 Zerspanforschung (ab 1906) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . KLAUS ESSEL, REINHARD FLECK, FRITZ KLOCKE, RAINER FRITSCH, DIETER LUNG, HENNING SIEBEL 3 Maschinenelemente und -komponenten (ab 1940) . . . . . . . . . . . . . . . . . . FELIX BUTZ, ARNO GROTH, FALCO PAEPENMÜLLER, GUIDO SPACHTHOLZ, MANFRED WECK 4 Antriebstechnik – elektrische, hydraulische und pneumatische Antriebe (ab 1946) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CHRISTIAN BRECHER, THORSTEN OSTERMANN, MANFRED WECK 5 Werkstückstatistik, Klassifizierung, Gruppentechnologie (ab 1955) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . WALTER EVERSHEIM 6 Zahnrad- und Getriebeuntersuchung (ab 1950) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ADAM GACKA, ALEXANDER KLEIN, HEIKO SCHLATTMEIER, MANFRED WECK 7 Steuerungstechnik (ab 1962) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MIRCO VITR, MANFRED WECK 8 NC-Technik und Programmiersysteme (ab 1965) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . WILHELM HANS ENGELSKIRCHEN, WALTER EVERSHEIM 9 EDM / ECM (ab 1950) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . GEORGIOS ANTONOGLOU, ANDREAS KLINK, FRITZ KLOCKE, DIETER LUNG, DIMITRIOS THOMAIDIS, HANS WILHELM OBRIG 10 Schleiftechnik (ab 1930) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FRITZ KLOCKE, CHRISTOPH ZEPPENFELD 11 Dynamisches Verhalten von Werkzeugmaschinen (ab 1954) . . . . . . . . . . . MARTIN ESSER, SEVERIN HANNIG, MANFRED WECK

177 183

213

241

255 265 315 351 361

381 415

INHALTSVERZEICHNIS 12 Messtechnische Untersuchung von Prozess und Maschine, Beurteilung und Abnahme von Werkzeugmaschinen (ab 1960) . . . . . . . . . . . . . . . . . . CHRISTIAN BRECHER, PETER HIRSCH, FRANK HOFFMANN, TORSTEN GERRATH, LUTZ SCHAPP, MANFRED WECK 13 Fertigungsplanung und -steuerung, Technische Auftragsabwicklung, Produktionsplanung und -steuerung (ab 1965) . . . . . . . . . . . KLAUS BRANKAMP, WALTER EVERSHEIM 14 Konstruktion und Berechnung von Werkzeugmaschinen (ab 1966) . . . . . MANFRED WECK, STEPHAN WITT 15 Rechnereinsatz in Konstruktion, Arbeitsvorbereitung, Fertigung und Montage (ab 1968) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FELIX CANALES, WALTER EVERSHEIM, THOMAS NAD 16 Prozessanalyse und -entwicklung im Bereich der Kaltumformung (ab 1984) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FRITZ KLOCKE, SEBASTIAN MADER, THOMAS MAßMANN 17 Handhabungstechnik und Robotik (ab 1980) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CARLOS ALMEIDA, MARTIN HORK, MANFRED WECK 18 Maschinenentwicklung (ab 1982) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CHRISTIAN BRECHER, FRANK HOFFMANN, MANFRED WECK 19 Ultrapräzisionsmaschinen (ab 1988) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FRANK NIEHAUS, CHRISTIAN PESCHKE, MANFRED WECK, CHRISTIAN WENZEL 20 Lasertechnologie / Generative Fertigungsverfahren (ab 1985) . . . . . . . . . AXEL DEMMER, THORSTEN GLÄSER, FRITZ KLOCKE 21 Faserverbundwerkstoffe (ab 1990) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . SEBASTIAN SCHMITZ, MANFRED WECK 22 Umweltfreundliche Technologien (ab 1986) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ANNA HACHMÖLLER, MARKUS KNOCHE, GÜNTHER SCHUH 23 Messtechnik und Messsysteme für die Produktion (ab 1972) . . . . . . . . . . REINHARD FREUDENBERG, TILO PFEIFER, ROBERT SCHMITT 24 Qualitätsmanagement (ab 1985) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . HORACIO BORGHESE, TILO PFEIFER, ROBERT SCHMITT 25 Technische Investitionsplanung und Fabrikplanung (ab 1970) . . . . . . . . . WALTER EVERSHEIM, FELIX LÖSCH 26 Produktstrukturierung im Einzel- und Kleinserienbereich (ab 1985) . . . . WALTER EVERSHEIM, CHRISTIAN NONN, GÜNTHER SCHUH 27 Ressourcenverfahren (ab 1988) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FELIX HAGEMANN, LUTZ FRICK, GÜNTHER SCHUH 28 Simultaneous Engineering (ab 1985) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DIRK ASSMUS, WALTER EVERSHEIM 29 Autonome Produktionszelle (ab 1994) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . REINHARD FREUDENBERG, RENÉ HERMES, TILO PFEIFER, ROBERT SCHMITT 30 Planung und Entwicklung neuer Produkte, Innovationsmanagement (ab 1968) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . WOLFGANG BOOS, WALTER EVERSHEIM, GÜNTHER SCHUH

IX

437

449 467

485

505 515 529 541 557 569 577 587 607 627 637 649 659 671

685

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INHALTSVERZEICHNIS

31 Technologiemanagement (ab 1986) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ANNA HACHMÖLLER, MARKUS KNOCHE, GÜNTHER SCHUH 32 Ausblick: Und wie sieht die Zukunft aus? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CHRISTIAN BRECHER, FRITZ KLOCKE, ROBERT SCHMITT, GÜNTHER SCHUH

693 705

Teil 3 Tabellarischer Anhang Habilitationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dissertationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

714 716

Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bild- und Archivnachweis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

806 813

Einleitung

Das Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre der RWTH Aachen, auch kurz Werkzeugmaschinenlabor WZL genannt, feiert im Jahr 2006 sein 100-jähriges Bestehen. Ein solches Jubiläum bietet eine gute Gelegenheit, sich seiner eigenen Geschichte bewusst zu werden. Auf Initiative des WZL-Freundeskreises wurde diese Jubiläumsschrift über die Geschichte unseres Instituts verfasst, in der die Traditionen des WZL ebenso wie die Forschungsleistungen unserer Mitarbeiter gewürdigt werden. Das Buch besteht aus drei Teilen: • Die Geschichte des WZL 1906-2006 • Forschungsschwerpunkte am WZL • Tabellarischer Anhang. Im ersten Teil wird die historische Institutsentwicklung beschrieben, angelehnt an die vier Generationen von Professoren, die das WZL geleitet und geprägt haben. Im zweiten Teil sind in fachlichen Beiträgen Forschungsschwerpunkte zusammengefasst, die am WZL in 100 Jahren initiiert wurden. Im dritten Teil sind chronologisch in Form von Übersichten alle Habilitationen und Dissertationen aufgelistet, die bis zum Januar 2006 am WZL und Fraunhofer IPT verfasst wurden. Gegründet wird das Institut 1906 mit der Berufung von Adolf Wallichs an die Technische Hochschule Aachen. Wallichs beginnt in einer kleinen Versuchswerkstatt in den Kellerräumen des heutigen Hauptgebäudes der RWTH Aachen mit Untersuchungen zum Zerspanungsvorgang. Im Jahre 1936 übernimmt Herwart Opitz die Leitung des WZL. Ihm gelingt es, die Forschungstätigkeiten des Institutes den jeweils aktuellen Problemen der Werkzeugmaschinenindustrie und der Fertigungstechnik anzupassen und damit das WZL zu einer der bedeutendsten Forschungsstätten seiner Art auf- und auszubauen. Im Jahre 1973 übergibt Opitz die Leitung des WZL der nächsten Generation, bestehend aus den Professoren Walter Eversheim, Wilfried König, Manfred Weck und Tilo Pfeifer. Das WZL erhält eine neue Organisationsform: drei Lehrstühle und eine Abteilung – aus der 1988 ein vierter WZL-Lehrstuhl wird – bearbeiten von nun an in enger Kooperation Fragestellungen, Probleme und Aufgaben von Produktionsunternehmen. 1980 wird das Leistungspotenzial des WZL durch die Gründung des Fraunhofer Instituts Produktionstechnologie IPT ergänzt. Das WZL zählt mit seinen mehr als 150 wissenschaftlichen Mitarbeitern, 175 nichtwissenschaftlichen Mitarbeitern und etwa 300 studentischen Hilfskräften zu den größten und leistungsfähigsten Hochschulinstituten dieser Art in Europa. Geführt wird es heute von der vierten Generation der Professoren: Fritz Klocke (Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren seit 1995), Günther Schuh (Lehrstuhl für Produktionssystematik seit 2002), Christian Brecher (Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen seit 2004) und Robert Schmitt (Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement seit 2004). Die große Zahl der fast 1200 Dr.-Ingenieure, die am WZL promovierten, unterstreicht das Leistungspotenzial und Profil von WZL und IPT als erste Adresse für

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EINLEITUNG

innovative Produktionstechnik nationaler und internationaler Ausrichtung. Im ersten Teil des Buches wird deutlich, dass das WZL seit seiner Gründung stets eine besondere Form der Unternehmenskultur gepflegt hat. Kenner des Hauses erinnern sich gern an Begriffe wie Laborgeist, an die sogenannte Opitz-Familie, sie berichten über diverse bunte Abende der AWKs mit den schon legendären „Kingston Five“ oder über ihre eigene Doktorfeier im Postwagen. Aber auch fachlich gesehen herrscht bis heute eine Kultur, die geprägt ist von einer außerordentlichen Bereitschaft zur Kooperation mit anderen Hochschul- und Forschungsinstituten, mit der Wirtschaft und hier insbesondere mit der deutschen Werkzeugmaschinenindustrie. Die Bereitschaft zur Wissensvermittlung kommt nicht nur den Studierenden als „ersten Kunden“ des WZL zugute. Durch Forschungsprojekte, Arbeitskreise oder durch gemeinsam gestaltete Kolloquien, wie dem seit 1948 abgehaltenen Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium (AWK), wird ein aktiver Wissenstransfer betrieben und können Forschungsergebnisse einer breiten Öffentlichkeit präsentiert werden. Im zweiten Teil der Jubiläumsschrift sind die wichtigsten Forschungsschwerpunkte von WZL und IPT mit ihren Ergebnissen anhand einschlägiger Habilitationen und Dissertationen beschrieben; diese finden sich im Anhang wieder. Wenn man die Zeitperioden, in denen diese Aktivitäten am WZL „liefen“, mit der nationalen und internationalen Zeitgeschichte einerseits und mit der Entwicklungsgeschichte von Produktions-, Informations- und Kommunikationstechnik andererseits vergleicht, so lassen sich rückblickend folgende Schlussfolgerungen ziehen: Die Institutsleiter und Wissenschaftler am WZL haben jeweils zur richtigen Zeit erkannt, welche Forschungsschwerpunkte zu setzen sind. Einerseits wurden diese von Marktbedürfnissen oder -entwicklungen getrieben. Dies würden wir heute als „Market-Pull-Strategy“ bezeichnen. Andererseits wurden Untersuchungen, Experimente und Versuche initiiert und Lösungen vorangetrieben, die erst möglich waren, weil neue Werkstoffe oder Techniken und Technologien verfügbar wurden („Technology-Push-Strategy“). Manchmal kamen Anstöße auch aus beiden Richtungen (vgl. nachstehende Zeitgeschichte). Durch die gesamte Zeitgeschichte des WZL hindurch scheinen sich kontinuierlich zwei besondere Orientierungen fortzusetzen: die eine ist die enge Verbindung zur Werkzeugmaschinenindustrie und deren Verband (VDW). Zum anderen sind die Arbeiten immer auch für Klein- und Mittelständische Unternehmen (KMU) und Branchen mit Einzel- und Kleinserienfertigung nützlich und anwendbar. Nicht zuletzt prägt diese zweifache Orientierung neben der Forschung auch die Lehre am WZL. Damit wird sowohl für diplomierte Studierende als auch promovierte Assistenten ein breites und interessantes Betätigungsfeld eröffnet und es werden große Chancen für einen Berufseinstieg geschaffen.

Walter Eversheim

Tilo Pfeifer

Manfred Weck

wzl 100 Jahre

Teil 1 Die Geschichte des WZL von 1906 bis 2006

wzl 100 Jahre

Die erste Generation im WZL: Adolf Wallichs (1906-1936)

CORNELIA KOMPE

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CORNELIA KOMPE

Gliederung 1. Ansehen und Selbstverständnis der Berufsgruppe Ingenieur 1.1 Vom Techniker zum Wissenschaftler 1.2 Die Tradition der Polytechnischen Schulen 2. Die Anfänge des WZL 2.1 Mechanische Technologie in Aachen 2.2 Fertigungstechnischer Lehrstuhl in Aachen unter Wallichs 2.3 Die Vorlesungen bei Wallichs 2.4 Wallichs als Rektor – Akzente für die Hochschule 2.5 Baubeginn in der Wüllnerstraße 1922-1924 3. Forschungsfelder am WZL 3.1 Der Beginn der Wissenschaftlichen Betriebsführung 3.2 Wissenschaftliche Betriebsführung und Psychotechnik im WZL 3.3 Zerspanung 3.4 Zerspanforschung im WZL 4. Der Laborgeist 5. Nachfolgeregelung im WZL (1936)

Die erste Generation im WZL: Adolf Wallichs (1906-1936)

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1. Ansehen und Selbstverständnis der Berufsgruppe Ingenieur 1.1 Vom Techniker zum Wissenschaftler Versetzen wir uns zu Beginn der Ausführungen zur Geschichte des WZL, seiner Mitarbeiter und Forschungsleistungen um etwa 100 Jahre in die Vergangenheit zurück und schauen zunächst auf die jüngere Geschichte des akademischen Ingenieurwesens.1 Ende des 19. Jahrhunderts gilt Technik als eine in wissenschaftliche Formeln gekleidete Form des Handwerks. Absolventen der Polytechnischen Schulen sind in den Augen der Zeitgenossen allenfalls Fachleute. Für eine am humanistischen Bildungsideal orientierte Gesellschaft passen Naturwissenschaftler und Techniker nicht in die bisherigen gesellschaftlichen Strukturen. Der Beruf des Ingenieurs kann (noch) nicht gegen die traditionellen Berufsstände bestehen. Bis dahin haben tatsächlich Bastler und Erfinder technische Entwicklungen vorangetrieben. Phantasie, Ausdauer und Verbesserungsdrang sind neben handwerklichem Geschick und Geschäftssinn oftmals wichtiger als technische Vorbildung. Richard Arkwright, der Erfinder der berühmten Waterframe-Spinnmaschine von 1769, arbeitet beispielsweise als Friseur und Perückenmacher. Edmund Cartwright, der 1785 einen der ersten mechanischen Webstühle baut, ist Geistlicher. Anfang des 19. Jahrhunderts erfordern die Erfindungen – angetrieben durch das Bedürfnis zur Verbesserung und Weiterentwicklung – zusätzliche Kenntnisse. Man erkennt, dass wissenschaftliche Berechnungen für die Konstruktion und den Bau von Maschinen notwendig sind. Um Maschinen herzustellen, werden nun Maschinen eingesetzt. Das erhöht die Produktionsrate, gestattet genormte Bauteile zu produzieren und ermöglicht schließlich eine Präzision der Fertigung, wie sie vorher undenkbar gewesen ist.2 Der Beginn des deutschen Maschinenbaus ist gekennzeichnet durch den Nachbau englischer Maschinen. Um in den Besitz von Bauplänen englischer Technik zu gelangen, gehen deutsche Unternehmer und Wissenschaftler auf Bildungsreisen oder werben englische Spezialisten ab. Hölzerne Maschinen wie die Web- und Spinnmaschinen, eiserne Maschinen wie die „furchterregenden“ Dampfmaschinen werden zunächst kopiert, dann jedoch mit konstruktiven Ideen weiterentwickelt. Fortschritte zeichnen sich auch im deutschen Bergbau ab. Erste Bestrebungen, die montanistische Maschinentechnik wissenschaftlich zu durchdringen und eine Etablierung der Bergmaschinenlehre an den Bergakademien zu erreichen, sind erkennbar.3 So verwundert es nicht, dass die Wurzeln der heutigen RWTH Aachen in der Eisenhüttenkunde liegen. In Deutschland bezeichnet der Begriff „Ingenieur“ ursprünglich den höheren Beamten in der staatlichen Verwaltung, der fast immer als Offizier der Armee angehört. Der sogenannte Staatsingenieur verfügt über Spezialkenntnisse auf dem Gebiet der öffentlichen Bauarbeiten sowie des Maschinenbaus und hat denselben Status wie Justizund Verwaltungsbeamte. Daneben entwickelt sich – in der Hochphase der Industrialisierung Mitte der 1850er Jahre – das neue Berufsbild eines „zivilen“ Ingenieurs. Der in der Privatwirtschaft tätige „Zivilingenieur“ hat englischen Ursprung, schon Ende des 18. Jahrhunderts entsteht in England eine erste Association of Civil Engineers.4 Doch im Deutschland des 19. Jahrhunderts muss der Zivilingenieur noch um seine

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gesellschaftliche Anerkennung kämpfen. Denn Begriffe wie „Techniker“ und „Ingenieur“ werden in dieser Zeit noch synonym verwendet, ohne damit die Berufe oder Ausbildungsrichtungen unterschiedlicher Qualität zu erfassen.5 Der gesellschaftliche Anspruch der „neuen“ Ingenieure kommt in der Gründung technischer Vereine zum Ausdruck. Allen voran wird 1856 der Verein Deutscher Ingenieure (VDI) gegründet. Ein mutiges Vorhaben, denn trotz des anspruchsvollen Namens kommen zur Gründungsversammlung gerade einmal 23 Ingenieure zusammen, alle in einem vergleichsweise jungen Alter. Zweck des Vereins, so heißt es, sei „ein inniges Zusammenwirken der geistigen Kräfte deutscher Technik zur gegenseitigen Anregung und Fortbildung und im Interesse der gesamten Industrie Deutschlands“6 zu schaffen. Der Staat möge mit den „Männern der Technik und Wissenschaft“7 zur Förderung des Gemeinwohls gleichberechtigt zusammenarbeiten. Die Verbandsvertreter sehen sich als „eine Elite des unaufhaltsamen Fortschritts und wichtigste Stütze der wirtschaftlichen Macht des Staates.“8 Um die Jahrhundertwende entscheiden sich viele der diplomierten Ingenieure bewusst gegen den Staatsdienst und für eine Stellung in der Privatwirtschaft. Doch die Anerkennung des Zivilingenieurs als „die treibende Kraft des Fortschritts“9 bleibt zunächst aus. 1.2 Die Tradition der Polytechnischen Schulen Ingenieurschulen und Bergakademien gibt es in Deutschland seit dem späten 18. Jahrhundert. Vorbilder sind die französischen Spezialschulen und Polytechnika. Die berühmte École Polytechnique wird 1795 in Paris gegründet. Das Studium beginnt mit einem zweijährigen Kursus in Mathematik, Mechanik, Physik und Chemie und wird mit praktischen Kursen über Konstruktion und Funktion von Maschinen fortgesetzt. Später sieht die Struktur des Lehrplans an fast allen Technischen Hochschulen in Europa ähnlich aus.10 In Deutschland gibt es in Braunschweig und Berlin die ersten Technischen Hochschulen. Die „Carolo-Wilhelmina“ in Braunschweig blickt auf das Gründungsdatum 1745 zurück. Ihre technische Abteilung blüht allerdings erst mit der Industrialisierung um 1835 auf. 1862 wird sie Polytechnische Hochschule, erst 1878 zur Technischen Hochschule. Die Technische Hochschule Berlin hat ihre Anfänge in der 1799 begründeten Bauakademie. Der Zusammenschluss der Bauakademie mit der 1821 begründeten Technischen Schule lässt 1879 die Technische Hochschule Berlin-Charlottenburg entstehen.11 Um 1850 wandelt sich die Bedeutung des Technikbegriffs. Innovation bedarf der Planung auf allen Ebenen; ohne Kenntnisse in den Naturwissenschaften sind elektrische Maschinen, chemische Produkte, neue Kraftfahr- und Flugzeuge nicht mehr zu konzipieren. Erfinder-Unternehmer wie Alfred Krupp oder Georg von Siemens treten in den Hintergrund. Ihre Rolle übernehmen wissenschaftlich ausgebildete Ingenieure, die in ihren Versuchslaboratorien neue technische Lösungen erproben und den Produktionsablauf planen. Die Dynamik der technischen Entwicklungen verändert das Bild der Technischen Hochschulen. Die Industrialisierung bedingt eine Systematisierung von Wissen: die Ingenieure fordern eine Durchdringung des Maschinenbaus. Eine reine Deskription und Klassifizierung technologischer Phänomene reicht nicht mehr aus. Technik wird zu

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einer empirischen Wissenschaft. Eine eigenständige „technische Methode“ entwickelt sich, die von Versuchen, Beobachtungen und Messungen lebt.12 Die Hochschulen werden wissenschaftliche Forschungsstätten, gründen Versuchslaboratorien und muten ihren Studierenden neue Lehrpläne zu, die wesentlich anspruchsvoller als zuvor Praxis und Wissenschaft miteinander verbinden. Institutionell verfestigt sich der Aufstieg der Technischen Hochschulen in Deutschland um 1900. Mit Selbstbewusstsein kämpfen die Ingenieure für eine Anerkennung ihrer Alma Mater als wissenschaftliche Ausbildungsstätte. Ihr wissenschaftlicher und wirtschaftlicher Erfolg gibt ihnen recht. Deutschland entwickelt sich um 1880 zu einem ernsthaften wirtschaftlichen Konkurrenten für England. In den folgenden Jahrzehnten sind deutsche Ingenieure auf vielen Gebieten den englischen sogar überlegen. Stolz zitiert man an den Technischen Hochschulen die englischen Stimmen, die die Bedeutung der technischen Wissenschaften an den Hochschulen für die wirtschaftliche Macht Deutschlands hervorheben. Nach deutschem Vorbild beginnt man in England und anderen Staaten Technische Hochschulen einzurichten.13 Die Bedeutung der Technischen Hochschulen und des Ingenieurstandes in der Gesellschaft wird angesichts dieses internationalen Prestigegewinns höher. Und somit steigt auch der gesellschaftliche Rang der Ingenieure.14 Die endgültige akademische Akzeptanz der Technischen Hochschulen vollzieht sich Ende des Jahrhunderts. Am 19. Oktober 1899 gewährt Kaiser Wilhelm II. den drei preußischen Technischen Hochschulen, Aachen, Berlin und Hannover, das Promotionsrecht. Bewusst soll ein Unterschied zur Universität bestehen bleiben, indem der „Dr.-Ing.“ in deutscher Schrift mit Bindestrich und der „Dr. phil.“ wie gehabt in Latein geschrieben wird.15 Endlich erhält auch der Absolvent einen akademischen Titel: Der „Dipl.-Ing.“ belegt nun den Abschluss eines Studiums an der Technischen Hochschule und ist die Voraussetzung für die Zulassung zur Promotion.16 2. Die Anfänge des WZL 2.1 Mechanische Technologie in Aachen Die heutige RWTH Aachen wird am 10. Oktober 1870 mit dem Namen „Königlich rheinisch-westfälische Polytechnische Schule zu Aachen“ eröffnet. An der Hochschule sind zunächst 32 Lehrer tätig, die knapp 200 Studenten unterrichten.17 In der Fachschule für Maschinenbau und Mechanische Technik lehren die Professoren Adolf von Glzycki (Maschinenlehre), Leonidas Lewicki (Maschinenbau) und Gustav Herrmann (Mechanische Technologie und Baumaschinen).18 Bis in das 20. Jahrhundert ist das Fach Mechanische Technologie fester Bestandteil des Studiums des Maschinenwesens. In das Lehrgebiet fallen die Bereiche Werkstofftechnik und Fertigungstechnik; man lehrt aber auch neue Fachgebiete wie Werkzeugmaschinen, Fabrikanlagen und Fabrikorganisation.19 Auch in Aachen gehören die Lehrgebiete Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen zum Ordinariat „Mechanische Technologie und Baumaschinen“, welches vom Ingenieur Herrmann vertreten wird und aus dem sich später das WZL entwickeln soll.

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Abb. 1 Das Hauptgebäude der heutigen RWTH Aachen um 1900

Gustav Herrmann wird am 19. Dezember 1836 in Halle an der Saale geboren. Er studiert von 1855 bis 1859 an dem Königlichen Gewerbe-Institut zu Berlin und nimmt danach eine Stellung in der Industrie an. Am 1. April 1870 kommt Herrmann als ordentlicher Lehrer für Mechanische Technologie und Baumaschinen nach Aachen, erst 1872 darf er sich Professor nennen.20 Herrmann unterrichtet die Fächer Bau-Technologie, Mechanische Technologie I und II, Baumaschinen und Fabrikanlagen und ist außerdem Leiter der „Technologischen Sammlung“. Er hält jeweils zwei- bis dreistündige Vorträge, und in den Fächern Baumaschinen und Fabrikanlagen müssen die Studenten zusätzlich Maschinen oder Fabrikanlagen entwerfen. Bei den Studenten ist er wegen seiner „außerordentlichen, liebenswürdigen Herzensgüte“21 bekannt und beliebt. Er begegnet ihnen mit freundschaftlicher und humorvoller Art, seine Vorlesungen werden gefüllt gewesen sein.22 Seit dem Studienjahr 1881/82 hält Herrmann ebenfalls die zweistündige Vorlesung „Fabrikanlagen und Werkzeugmaschinen“, wobei hauptsächlich Werkzeugmaschinen zur Verarbeitung Abb. 2 Ingenieur Gustav Herrmann (1836-1907)

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von Metallen und Holz besprochen werden. Sich an die technischen Entwicklungen anpassend, ändert Herrmann im Studienjahr 1901/02 seine Vorlesung in „Fabrikanlagen und Arbeitsmaschinen“.23 1903 erhält er als einer der ersten Professoren die Ehrendoktorwürde der Technischen Hochschule Karlsruhe für seine Verdienste um die Einführung graphischer Methoden in den Maschinenbau. 1906 scheidet Herrmann aus der Lehrtätigkeit aus, ein Jahr später verstirbt er in Aachen. 2.2 Fertigungstechnischer Lehrstuhl in Aachen unter Wallichs Die Entwicklung des Schnellarbeitsstahls von Frederic Winslow Taylor im Jahr 1899 gilt als Initialzündung zur Verbesserung der gesamten Fertigungstechnik. Damit setzt ein neuer Zeitabschnitt der mechanischen Technologie ein. Von der bloßen Herstellungsmöglichkeit beginnt der Weg zur modernen fertigungstechnischen Perfektion – jetzt wird nicht mehr nur produziert, sondern perfekt produziert! Die Schnittgeschwindigkeit bei der Metallzerspanung kann durch den Schnellarbeitsstahl um ein Vielfaches erhöht werden. Damit verbunden ist auch eine große Erhöhung der Schneidleistung aller Werkzeuge sowie die Erhöhung der Leistungsfähigkeit aller WerkzeugLebenslauf Adolf Wallichs bis 1906 Adolf Otto Wallichs wird am 5. November 1869 als Sohn des Kreisphysikus Geheimer Sanitätsrat Dr. Julius Peter Wilhelm Wallichs (Garding/Schleswig 1829 bis 1916 Altona) und dessen Frau Agathe (Host/Holstein 1828 bis 1900 Altona) in Neumünster geboren. Er besucht von 1876 bis 1889 das Gymnasium Altona bis zur Obersekunda (kein Abitur). Im gleichen Jahr beginnt er das Studium des Maschinenbaus an der Technischen Hochschule Karlsruhe und wechselt dann zur Technischen Hochschule nach Berlin. 1891 bis 1892 absolviert er den Wehrdienst, ist danach bei der Reserve (Landwehr). Wallichs beendet sein Studium 1895 und arbeitet ab Oktober desselben Jahres als Konstrukteur bei der Maschinenfabrik Buckau in Magdeburg. 1903

heiratet er Erna Christiane Charlotte Sophie von Reiche (Hamburg 1882 bis 1959 Aachen), mit der er zwei Söhne, Hans-Herbert (geb. 1904) und Reinhard (geb. 1905), bekommt. Ab dem 17. Oktober 1896 nimmt er eine Assistentenstelle bei Prof. Alois Riedler am Lehrstuhl für Kraftund Arbeitsmaschinen der Technischen Hochschule Berlin an. Nach 4-jähriger Assistententätigkeit im Konstruktionsbüro für Dampfmaschinen, Luftverdichter und Pumpen bei Riedler beginnt Wallichs am 1. Oktober 1900 in leitender Stellung als Oberingenieur und später als Betriebsdirektor der Maschinenbauabteilung der FriedrichWilhelm-Hütte in Mülheim an der Ruhr, bis er 1906 auf den Lehrstuhl nach Aachen berufen wird.

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maschinen im Hinblick auf die Genauigkeit, die Schnelligkeit des Arbeitsvollzuges und die Erleichterung der Bedienung durch den Menschen. Mit fortschreitender Entwicklung der Fertigungstechnik zeigt sich nun deutlich, dass die Werkzeugmaschine als „Mutter aller Maschinen“ zu verstehen ist – sowohl für die Praxis als auch für die Lehre und Forschung. Damit verblasst allmählich das Lehrgebiet der Mechanischen Technologie und die Fertigungstechnik rückt in den Vordergrund.24 Die Technischen Hochschulen greifen diese Entwicklung auf und fordern neue Lehrstühle. 1904 wird in Berlin die erste Professur für Werkzeugmaschinen, Fabrikanlagen und Fabrikbetrieb eingerichtet, auf die Georg Schlesinger berufen wird. Die zweite Lehrstuhlgründung erfolgt 1906 in Aachen.25 An die Stelle von Herrmanns Professur treten am 1. April 1906 drei Lehrstühle. „Mechanische Technologie und Lasthebemaschinen“ wird von Felix Rötscher gelehrt. Paul Langer übernimmt die Lehrbereiche „Maschinenelemente, Rotierende Kraft- und Arbeits- sowie Verbrennungsmaschinen“. Adolf Wallichs erhält den neu gegründeten Lehrstuhl „Werkzeugmaschinen und Maschinenfabrikation“.26

Abb. 3 Das Kollegium der Abteilung III. für Maschinen-Ingenieurwesen des Studienjahres 1906/07

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2.3 Die Vorlesungen bei Wallichs In Aachen hält der 37-jährige Ingenieur Wallichs zunächst Vorlesungen und Übungen zu den Themen Dampfmaschinen, Arbeitsmaschinen sowie Werkzeugmaschinenbau

Abb. 4 Die ersten Assistenten von Wallichs: Walter Ammon und Rudolf Seubert, Erich Moldenhauer und Artur Winkel

Abb. 5 Auszug aus dem Vorlesungsverzeichnis 1906/07

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und Maschinenfabrikation.27 Zum Studienjahr 1909/10 erhält Wallichs zusätzlich das Lehrgebiet für Bergwerksmaschinen.28 Erst im Vorlesungsjahr 1907/08 stellt Wallichs seine ersten Assistenten Dipl.-Ing. Walter Ammon und Dipl.-Ing. Rudolf Seubert ein. Aber schon im Studienjahr 1909/10 arbeiteten drei Assistenten bei Wallichs: Dipl.-Ing. Kurt Barth, Dipl.-Ing. Erich Moldenhauer und Dipl.-Ing. Artur Winkel. Die rasante Entwicklung auf dem Forschungsgebiet des Instituts wird für Studenten und Assistenten immer interessanter. Den Kontakt zur Industrie beizubehalten oder besser gesagt neu aufzubauen, ist für Wallichs eine Grundlage für sein Wirken als Professor. Schon im Studienjahr 1907/08 bietet er erste Industrie-Exkursionen an. Solche Einblicke in die Praxis gab es vorher nicht.29 Quellen berichten, dass Wallichs in den Unternehmen „immer ein gern gesehener Gast“30 gewesen ist. Gemeinsam mit seinem Kollegen Langer und seinen Studenten besucht er Luxemburg, Differdingen, Saarbrücken und Neunkirchen. Gegenstand der Besichtigung sind die Hochofenwerke Dommeldingen, die Hüttenwerke Differdingen, die Röchling’schen Eisen- und Stahlwerke, Burbacher Hütte und die Königliche Berginspektion VII in Heinitz. In einer weiteren Exkursion besucht man die Hüttenwerke der Firma Friedrich Krupp in Rheinhausen bei Duisburg. So macht Wallichs seine Studenten mit ihren zukünftigen Arbeitsfeldern und möglichen Arbeitsplätzen vertraut. Außerdem begründet er das wichtige Bindeglied zwischen akademischer Forschung und industrieller Anwendung – noch heute ist dies Tradition am WZL. Wallichs übernimmt die Leitung der „Technologischen Sammlung“.31 Die zunächst unter dem Namen „Sammlung für Mechanische Technologie“ von Herrmann eingerichtete Sammlung enthält eine Zusammenstellung von Werkzeugen aus dem Handwerk und den mechanischen Industrien. Teile dieser Sammlung, die für die Erzeugung der Rohprodukte im Hüttenwesen notwendig sind, übergibt man nach der Emeritierung Herrmanns an Rötscher. Wallichs behält die Werkzeuge für das Handwerk und ergänzt die Sammlung mit allen Hilfsmitteln der modernen Messtechnik für Maschinenbau und Feinmesstechnik.32 Die langjährige Erfahrung von Wallichs als Oberingenieur und Betriebsdirektor der Maschinenbauabteilung der Friedrich-Wilhelm-Hütte in Mülheim an der Ruhr begründet sein Wissen darüber, dass Grundlagenforschungen in einem privatwirtschaftlichen Unternehmen kaum möglich sind. Demzufolge braucht die mittelständische Werkzeugmaschinenindustrie gesonderte Forschungsinstitute – und eines davon hat Wallichs in Aachen. Wallichs beginnt, wie er selbst berichtet, mit der Grundlagenforschung zur Zerspanung in einem kleinen Laboratorium, das von 1908 bis 1924 im Kellergeschoss der Technischen Hochschule Aachen besteht.33 Die erste konkrete Nennung des Laboratoriums für Werkzeugmaschinen findet sich im Vorlesungsverzeichnis von 1909/10. In der Rubrik „Etatbewilligungen für 1909“ wird die Stelle eines Vorarbeiters und Werkzeugmachers für das neu einzurichtende Laboratorium für Werkzeugmaschinen genehmigt. Ferner erfolgt eine einmalige Zahlung von 26.000 Mark zur Einrichtung des Laboratoriums. 4.000 Mark dienen zur Herrichtung von zwei Räumen im Kellergeschoss des Hauptgebäudes zur Aufnahme der Laboratorien für Werkzeugmaschinen und für Mechanische Technologie.34

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Fünf Jahre nach der Lehrstuhlgründung wird das Werkzeugmaschinen-Laboratorium offiziell in das Vorlesungsverzeichnis 1911/12 aufgenommen.35 2.4 Wallichs als Rektor – Akzente für die Hochschule Wallichs übernimmt in der Zeit von 1913 bis 1915 zum ersten Mal das Amt des Rektors. Mit dem Ausbruch des Ersten Weltkrieges 1914 müssen an der Technischen Hochschule Schwierigkeiten wie beispielsweise die kriegsbedingte Einführung und Organisation eines Notstudiums bewältigt werden. Viele Hochschullaboratorien müssen rüstungswichtige Arbeitsmaschinen an die Kriegsindustrie abgeben. Es bleibt jedoch unklar, ob das WZL von diesen Maßnahmen betroffen ist. In den ersten beiden Kriegsjahren wird beinahe das ganze Personal der Hochschule zum Militärdienst einberufen. Die Voraussetzungen und Mittel für ein regelmäßiges und vollständiges Studium sind kaum noch gegeben. Trotzdem kann an der Technischen Hochschule Aachen, wie fast an allen Hochschulen in Deutschland, nahezu über die gesamte Kriegszeit hinweg der akademische Unterrichtsbetrieb fortgesetzt werden.36 Wallichs fordert am 1. August 1914 die Mitglieder und Studenten der Technischen Hochschule Aachen auf, sich zum freiwilligen Militärdienst zu melden.37 Auch er selbst wird im August 1914 als Landwehroffizier beim Kriegsbekleidungsamt des 9. Armeekorps eingezogen.38 Seine Abwesenheit bedeutet nicht nur eine Vakanz des Rektorenstuhls, sondern auch des Direktorenstuhls im WZL. Kurz vor Kriegsende kehrt er nach Aachen zurück. Während seines Rektorats entsteht im Juni 1914 die Talbothalle als Turn- und Sporthalle der Studierenden, die im Ersten Weltkrieg als militärisches Lazarett genutzt wird. Der Bau des Bauingenieur-Laboratoriums beginnt ebenfalls 1914 und kann im ersten Kriegsjahr 1914/15 fertiggestellt werden.39 Nach dem Waffenstillstand von Compiègne am 11. November 1918 besetzen alliierte Truppen im Dezember 1918 das Hauptgebäude der Technischen Hochschule Aachen. Ein normaler Hochschulbetrieb wird kaum noch möglich gewesen sein. Wallichs übernimmt für das Studienjahr 1919/20 zum zweiten Mal das Rektorat. Im April wird sein Vorgänger Friedrich Klockmann verhaftet und im September 1919 schließen die Besatzungsbehörden die Technische Hochschule in Aachen.40 Die Situation der Hochschulen während der Besatzungszeit wird zusätzlich durch die vielen heimkehrenden Studenten erschwert. Man führt ein sogenanntes Zwischensemester ein, um den Studenten eine Möglichkeit zu bieten, ein qualifiziertes Studium zu absolvieren.41 In dieser Zeit diskutiert das Kultusministerium über Reformen zur Neugestaltung der Technischen Hochschule. Diesen allgemeinen Reformbestrebungen schließt sich die Technische Hochschule Aachen Ende 1918 an.42 Am 29. August 1919 legt Wallichs den Entwurf einer neuen Verfassung für die Technische Hochschule Aachen vor. Die Vorschläge stammen von einem Ausschuss der Aachener Professoren, dessen Zusammensetzung heute nicht mehr nachvollziehbar ist. Die essentiellen Änderungen betreffen hauptsächlich die äußere Stellung der Technischen Hochschule und ihr Verhältnis zur vorgesetzten Behörde. Doch der „Aachener Vorstoß“ wird vom Aachener Regierungspräsidenten als verfrüht abgelehnt. Dieses hochschulgeschichtliche Dokument verdeutlicht jedoch das Interesse und den Versuch des Rektors Wallichs und der beteiligten Professoren, die Bedeutung der Technischen Hochschulen in Deutschland entsprechend zu fördern.43

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Aber Wallichs setzt in seinen Zeiten als Rektor nicht nur Akzente in der Hochschulpolitik, sondern kümmert sich auch nachhaltig um die Sorgen und Nöte seiner Studenten. Die Nahrungsmittelknappheit im Wintersemester 1919/20 ist besonders bei den Studenten ein großes Problem und so fordert Wallichs die Einrichtung einer „Mensa academica“. Kurzerhand wird ein Teil der Talbothalle zum Studentenspeisesaal umfunktioniert. Die Küche wird in einer Baracke des Roten Kreuzes neben der Turnhalle aufgestellt. Ab dem 8. Mai 1920 werden etwa 300 Studierende sowie Assistenten und Dozenten in der neuen „Mensa academica“ verköstigt.44 2.5 Baubeginn in der Wüllnerstraße 1922-1924 Das Signum der Lehre und Forschung – davon ist Wallichs überzeugt – kann in einem Werkzeugmaschinenlaboratorium eine erstklassige Anwendung finden. Hier werden die in der Praktikantenzeit erworbenen Kenntnisse der Studenten über Werkstättenbetrieb und Fertigungsverfahren erweitert, und Absolventen können wissenschaftliche Forschungsarbeiten in Form einer Diplom- oder Doktorarbeit verfassen. Wallichs fordert von den Hochschulen solche Forschungsmöglichkeiten und die entsprechenden Räumlichkeiten dafür.45 Damit steht Wallichs nicht allein. Die „technische Metho-

Abb. 6 Der Grundriss des Laboratoriums für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (1924)

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de“, die von Versuchen, Beobachtungen und Messungen lebt, wird seit den 1890er Jahren proklamiert und soll als organisatorische Konsequenz in Maschinenbaulaboratorien umgesetzt werden.46 An der Berliner Technischen Hochschule wird für Schlesinger schon 1907 ein Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre eingerichtet. Wallichs selbst beginnt – wie schon erwähnt – 1908 mit seinen Versuchen in den Kellerräumen des Hauptgebäudes. Daher plant er die Errichtung eines eigenen, großen Werkzeugmaschinenlaboratoriums in Aachen. Wallichs gelingt es, erhebliche Mittel für den Bau eines der Bedeutung des nahegelegenen Industriereviers angepassten Versuchsfeldes für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre zu sammeln. Auch das Ministerium ist bereit, die Pläne von Wallichs zu unterstützen, und verweist auf das Berliner Laboratorium als Vorbild. Doch der Erste Weltkrieg unterbricht jegliche Bemühungen.47 Wallichs hält jedoch an seiner Idee fest. Trotz Inflation und Wirtschaftsunruhen gelingt es ihm, nach dem Krieg erneut Spenden aus der Industrie für sein ambitioniertes Projekt zu erhalten.48 Er verfasst hierzu eine Werbeschrift für den Bau des Laboratoriums, in welcher er den Sinn und Zweck des Laboratoriums und die Vorteile für die beteiligten Industriefirmen anpreist.49 Sein Spendengesuch endet mit der großen Bitte, das im allgemeinen wirtschaftlichen Interesse immer notwendiger werdende Institut zu unterstützen. Er gebe die Hoffnung nicht auf, wenigstens einen kleinen bescheidenen Teil im Rahmen einer später zu ergänzenden Gesamtanstalt mit Hilfe der Industrie in letzter Stunde noch entstehen zu sehen. „Ich wende mich daher erneut an die Kreise der Industrie mit der Bitte, dieses Werk in schwerer Zeit so zu unterstützen, dass ein Anfang gemacht werden kann. (…) Gez. A. Wallichs.“50 Die Spendengesuche von Wallichs haben Erfolg.51 Schon 1922 kann mit dem Bau des Laboratoriums in der Wüllnerstraße begonnen werden. Im Januar 1923 gibt es eine Besprechung mit den Ministerialräten Schindowski und von Rottenburg vom Kultusministerium über die Aachener Bauvorhaben. Dabei wird besonders über die Fertigstellung des Werkzeugmaschinenlaboratoriums gesprochen. Die Kosten werden – unter dem Einfluss der Inflationsbewegung – inzwischen auf 22 Millionen Mark geschätzt, von denen der Staat 30 % tragen soll. Zuletzt wird das Gebäude doch mit staatlichen Mitteln fertig gestellt. Die Einweihungsfeier findet am 22. Juni 1924 statt, und der Einzug und die Einrichtung der Halle mit Leihgaben von Maschinen und Werkzeugen aus Abb. 7 Einladungskarte zur Einweihungsfeier des Laboratoriums für Werkzeugmaschinen den führenden Unternehmen des Werkzeugund Betriebslehre am 22. Juni 1924 maschinenbaus kann im Juli beginnen.52

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Abb. 8 Außen- und Innenansicht des WZL-Gebäudes um 1930

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3. Forschungsfelder am WZL Besonderes Interesse widmet Wallichs den Arbeiten von Frederic Winslow Taylor. Kurz vor dem Abschluss seiner Berufungsverhandlungen in Berlin trifft Wallichs 1906 einen früheren Studienkameraden wieder. Der damalige Direktor in der Firma Borsig ist gerade aus den Vereinigten Staaten zurückgekehrt und gibt Wallichs ein Buch mit den Worten: „Dies Buch ist von einem hervorragenden Reorganisator des Werkstattwesens in den USA geschrieben; es ist umwälzend und von größter Bedeutung.“53 Wallichs faszinieren die Ideen Taylors und sofort beginnt er in Aachen mit der Übersetzung der Bücher. Schon 1908 erscheint „On the art of cutting metals“ (1897) als „Über Dreharbeit und Werkzeugstähle“.54 Dieses Werk weist Taylor als Spezialisten auf dem Gebiet der Metallbearbeitung aus und erinnert an die Sensation der Pariser Weltausstellung von 1900, als Taylor und sein Kollege Maunsel White den von ihnen entwickelten Schnelldrehstahl vorstellten.55 1909 übersetzt Wallichs ein weiteres Buch Taylors ins Deutsche. „Shop Management” (1903) erscheint mit dem Titel „Die Betriebsleitung insbesondere der Werkstätten“.56 Damit macht Wallichs Taylors Konzeption der Wissenschaftlichen Betriebsführung dem deutschen Leser zugänglich. Mit diesen beiden Übersetzungen in den ersten Jahren seiner Professur legt Wallichs den Schwerpunkt seiner Forschungen fest: Wissenschaftliche Betriebsführung und Zerspanung, d. h. die Systematisierung und Rationalisierung der Arbeitsprozesse und damit verbunden das Auffinden wichtiger Gesetzmäßigkeiten insbesondere auf dem Gebiet der Zerspanung. 3.1 Der Beginn der Wissenschaftlichen Betriebsführung Frederic Winslow Taylor gilt heute als der „Vater der Wissenschaftlichen Betriebsführung.“57 Ende des 19. Jahrhunderts erkennt der Betriebs- und Wirtschaftsingenieur Taylor in Amerika, dass Betriebe mit ihren damals üblichen Abläufen die notwendige Produktivität mit ungelernten Arbeitskräften nicht erbringen können. Es fehlt eine wissenschaftliche Durchdringung technischer und betriebsorganisatorischer Abläufe. Taylor beobachtet die Leistung der Arbeiter und die Wechselwirkung zwischen Mensch und Maschine und erkennt Verbesserungsmöglichkeiten, die wesentliche Mehrleistungen ohne Überanstrengung der Arbeiter erlauben. Taylors Forderung nach „Scientific Management“, nach Anwendung wissenschaftlicher Methoden auf die Planung, Organisation und Führung von Fabrikbetrieben, entsteht und wird methodisch weiterentwickelt.58 Die Produktion in den deutschen Industriebetrieben des ausgehenden 19. Jahrhunderts wird von handwerklich ausgebildeten Meistern geleitet, die nach den in der eigenen Praxis gewonnenen Faustregeln den innerbetrieblichen Ablauf gestalten. Gekennzeichnet ist diese „Meisterwirtschaft“ durch das Fehlen einer wissenschaftlichen Durchdringung technischer und betriebsorganisatorischer Abläufe. Die Vergrößerung der Betriebe und der Übergang zur Massenproduktion erfordern nun eine detaillierte Arbeitsplanung.59 Die zunächst skeptische deutsche Wissenschaftszunft – sich mit handwerklichen Vorgängen, mit körperlicher Arbeit und industriellen Arbeitsabläufen zu befassen, hält man für nicht sehr wissenschaftlich – sieht ein, dass eine Anpassung der Ausbildung an die Neugestaltung der Produktionsabläufe notwendig ist.60

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3.2 Wissenschaftliche Betriebsführung und Psychotechnik im WZL Im Jahr 1911 unternimmt Wallichs seine erste Studienreise in die USA, um den Stand der Betriebswissenschaft im Ursprungsland zu studieren. Die Treffen mit Taylor, dem „großen Reformer und Altmeister der Zeit- und Arbeitsstudien“61, werden für Wallichs zu einem denkwürdigen Erlebnis: „Sie bereicherten meine Kenntnisse von der wissenschaftlichen Betriebsführung durch den persönlichen Umgang mit dem Schöpfer der sich so günstig auswirkenden Neuordnung des Arbeitsverlaufes ungemein.“62 Wallichs stellt fest, dass es sich im Taylorsystem nicht um eine ungesunde Arbeitshetze – wie vielfach behauptet wird – handelt, sondern um eine aus eingehendem Studium der Arbeit hervorgegangene, zweckmäßige und ohne zeitraubende Störungen sich abwickelnde Ordnung der Dinge. Die gewonnenen Zeitersparnisse lassen sich nicht in erster Linie durch eine erhöhte Arbeitsgeschwindigkeit, sondern in ungleich höherem Maße durch die Vermeidung der infolge schlechter Arbeitsvorbereitung und unzweckmäßiger Lohnverfahren verursachten Zeitvergeudung erzielen.63 Das Verhältnis zwischen Wallichs und Taylor scheint gut gewesen zu sein, denn Taylor bietet seinem deutschen Besucher an, ein Jahr lang weitere Studien in den USA zu betreiben. Doch Wallichs – als pflichtbewusster preußischer Beamter – nimmt dieses Angebot nicht an. Stattdessen schickt er einen seiner fähigsten Assistenten Dipl.-Ing. Rudolf Seubert zu Taylor, der nach einem achtmonatigen Aufenthalt seine Erfahrungen in dem Buch „Aus der Praxis des Taylorsystems“ (1914) veröffentlicht.64 Zurück in Deutschland beginnt Wallichs, seine bei Taylor gesammelten Erfahrungen auf dem Gebiet der Betriebsführung zu veröffentlichen. Er findet Gehör vor den Ingenieurvereinen sowie Handels- und Industriekammern und publiziert in verschiedenen Zeitschriften. In der von seinem Kollegen Schlesinger seit 1907 herausgegebenen Zeitschrift „Werkstattstechnik“ trägt er zur Verbreitung des Wissens über Betriebsführung bei.65 Für seine außergewöhnlichen Leistungen wird Wallichs am 30. Juni 1917 zum „Geheimen Regierungsrat“ ernannt.66 Seine Erfahrungen bringt Wallichs auch in die Vorlesungen ein. Ab dem Studienjahr 1911/12 hält er Vorlesungen in den Bereichen „Arbeitsmaschinen“, „Werkzeugmaschinen“, „Bergwerksmaschinen“ sowie eine Vorlesung zur „Fabrikorganisation“.67 In diesem Zusammenhang gibt es auch eine Änderung des Prüfungs- und Lehrgebietes „Maschinenfabrikation“ in „Fabrikorganisation“68; es wird zum mündlichen Prüfungsfach. Außerdem müssen die Studenten eine schriftliche Arbeit im Bereich der Betriebswissenschaft über Themen wie Zeitstudien oder Kalkulation verfassen.69 In Deutschland beginnt man Anfang der 1920er Jahre, angeregt durch die Arbeiten aus den USA, die psychologische Seite der Betriebswissenschaft zu beachten. Nicht mehr nur das Zusammenspiel „Mensch – Maschine“ wird analysiert, sondern auch der Mensch allein. Dieser besondere Teil der Betriebswissenschaft wird mit dem Begriff „Arbeitspsychologie“ beschrieben oder auch „Psychotechnik“, die man als Vorläufer der späteren „Arbeitswissenschaft“ sehen kann.70 1920 wird der Reichsausschuss für Arbeitszeitermittlung (REFA) gegründet, der in enger Zusammenarbeit mit der im Rahmen des VDI gegründeten Arbeitsgemeinschaft Deutscher Betriebsingenieure (ADB) steht. Neben diesen beiden Organisationen, in denen Wallichs ein angesehenes Mitglied ist, kommt es schon 1917 zur Gründung des Reichskuratoriums für

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Arbeitszeitermittlung (RKW), des Ausschusses für wirtschaftliche Fertigung (AWF) und nicht zuletzt zur Einrichtung des Deutschen Normenausschusses (DNA).71 Das begeistertete Eintreten von Wallichs für die Rationalisierung ist dem Wunsch entsprungen, durch technischen Fortschritt und organisatorische Gestaltung die Arbeit für den Menschen zu erleichtern. Gemeinsam mit seinem Kollegen Walter Poppelreuter beginnt Wallichs Mitte der 1920er Jahre mit Projekten zur Arbeitswissenschaft in der Schwerindustrie. Wallichs verfolgt seine Ziele mit Optimismus und Tatkraft. Schwierigkeiten werden angegangen. So wendet er sich an Vertreter der Industrie und bittet um Unterstützung seiner Projekte. In einem Schreiben vom 2. Januar 1924 erläutert Wallichs dem Generaldirektor Dr. Albert Vögler, Vereinigte Stahlwerke A.-G., seine Gedanken und Vorschläge zum Thema Arbeitsforschung. In einer im Dezember 1923 gemeinsam mit Poppelreuter verfassten Schrift fordert Wallichs die Industrie dazu auf, gemeinsam mit den Hochschulen das Problem der Rationalisierung zu lösen. Denn die große Not der Zeit könne nur durch Mehrleistung der Industrie beseitigt werden. Wallichs ist der Auffassung, dass in der Arbeitszeitverlängerung und in der Erhöhung der Leistung pro Arbeitsstunde die Lösung liege. Nur durch die Beachtung des menschlichen Faktors der Arbeit, vor allem durch die richtige Begutachtung der arbeitenden Menschen, kann die volle Leistungsfähigkeit des Einzelnen ermittelt und dieser nach seiner besten Eignung zur produktiven Arbeit herangezogen werden.72

Abb. 9 Die Mitarbeiter von Wallichs 1925

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Anscheinend geht sein Plan auf. In der gleichen Akte befindet sich ein erster Bericht über die Tätigkeit der Forschungsstelle für industrielle Schwerarbeit der Vereinigten Stahlwerke A.-G. von 1925 bis 1929. Die Leitung der Forschungsstelle haben Wallichs, Poppelreuter und Oberingenieur Arnhold aus Gelsenkirchen.73 Der Unterricht in der Psychotechnik wird bisher im Rahmen der Betriebskunde gegeben, doch die immer größer werdende Bedeutung der Arbeitspsychologie führt im Dezember 1928 dazu, dass die Fakultät für Maschinenwirtschaft einen Antrag auf einen zusätzlichen Lehrauftrag stellt. Der Personalvorschlag erstaunt kaum: Der langjährige Begleiter von Wallichs, Walter Poppelreuter, scheint der Fakultät wie kaum eine andere Persönlichkeit geeignet, das Gebiet umfassend zu behandeln. Er hat seine Kenntnisse in einem am Lehrstuhl von Wallichs eingerichteten Zeitstudien-Kursus für Ingenieure aus der Praxis unter Beweis stellen können.74 Walter Poppelreuter erhält 1929 einen im Anschluss an das WZL neu geschaffenen Lehrauftrag für Arbeitspsychologie an der Technischen Hochschule Aachen.75 Ebenso gelingt es, 1928/29 ein Laboratorium für Psychotechnik einzurichten, welches unter der Leitung von Wallichs steht.76 Poppelreuter arbeitet dort bis zu seiner Emeritierung im Jahre 1934.77 3.3 Zerspanung Der deutsche Werkzeugmaschinenbau steht Ende des 19. Jahrhunderts im Schatten der amerikanischen Konkurrenz. Ende der 1870er und 1880er Jahre kommt es zu zahlreichen Gründungen von deutschen Werkzeugmaschinenfirmen, die beachtliche Einzelleistungen erzielen. Diese Leistungen werden auch auf den Gewerbe-, Industrieund Weltausstellungen von nationalen und internationalen Konkurrenten anerkannt. Aber dennoch gelten die amerikanischen Werkzeugmaschinen als besonders leistungsfähig und werden von deutschen Firmen importiert. Die amerikanische Masseneinfuhr von Werkzeugmaschinen hemmt die Entwicklung des Werkzeugmaschinenbaus in Deutschland.78 Um dem entgegenwirken zu können, kommt es 1891 zur Gründung der „Vereinigung Deutscher Werkzeugmaschinenfabrikanten“. Hier können Vertreter der wichtigsten deutschen Werkzeug- und Werkzeugmaschinenhersteller Probleme des Werkzeugmaschinenbaus, wie Exportfragen, Zoll- und Handelsverträge und Lieferbedingungen für Werkzeugmaschinen, diskutieren. An der Gründungssitzung nehmen 11 Firmenchefs teil und unter dem Vorsitz des Düsseldorfer Werkzeugmaschinenfabrikanten Ernst Schiess gibt man sich 1898 den Namen „Verein Deutscher Werkzeugmaschinen-Fabriken“ (VDW).79 Mit dem Fortschreiten des deutschen Werkzeugmaschinenbaus zeichnet sich auch die Entwicklung einer deutschen Zerspanforschung ab. Erste Untersuchungen zur Zerspanung findet man schon in der Frühen Neuzeit bei Leonardo da Vinci sowie Ende des 17. Jahrhunderts bei dem französischen Pater Charles Plumier. Eine systematische Zerspanforschung setzt erst gegen Anfang des 19. Jahrhunderts ein. Diese ersten Untersuchungen finden in England statt und sind sehr eng mit der Konstruktion von Werkzeugmaschinen verbunden.80 Die deutsche Zerspanforschung findet ihre Anfänge u. a. in den Forschungsarbeiten von Friedrich Karl-Hermann Wiebe, Pro-

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Abb. 10 Einblicke in die Werkzeugmaschinenhalle um 1930: Werkstatt, Feinmessraum, Zerspanungsversuche auf einer Schiess-Drehbank, Ständerbohrmaschine (die sogenannte Wallichsmaschine) und ein Sägeversuchsstand

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fessor an der Berliner Gewerbeakademie, der sich bewusst an die englische Zerspanforschung anlehnt. Anfang des 20. Jahrhunderts beginnt an speziellen Hochschulinstituten in Deutschland eine systematische Zerspanforschung.81 3.4 Zerspanforschung im WZL Wie schon erwähnt, beginnen die ersten Zerspanungsversuche von Wallichs und seinen Mitarbeitern 1908 in den Kellerräumen des Hauptgebäudes. Dort baut die Firma Schiess eine besonders kräftig konstruierte Versuchsbohrmaschine auf. Hieran fahren die Assistenten erste Versuche zur Ermittlung der Schnittkräfte beim Bohren.82 Nach dem Umzug in das neue Gebäude im Juli 1924 führt das WZL bis etwa Mitte der 1930er Jahre Grundlagenforschung auf dem Gebiet der spanabhebenden Bearbeitung durch. Die enge Verbindung zu Industriebetrieben des umliegenden Industrieraumes bietet die Grundlage für großangelegte Forschungen. Das Leitmotiv aller Versuche ist die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Arbeitsverfahren, gekennzeichnet durch das Streben nach bestmöglicher Ausnutzung von Maschinen und Werkzeugen zur Verkürzung der erforderlichen Arbeitszeit. Dazu ist auch eine intensive Beschäftigung mit den Fragen der Betriebsorganisation und Betriebswirtschaft notwendig. Außerdem gelingt es, für einzelne Werkzeugsorten und Baustoffe zweckmäßige Arbeitsbedingungen für die einzelnen Verfahren festzulegen. Die systematische Anlage der einzelnen Versuchsreihen gestattet später ihre Verbindung miteinander und führt 1930 zur Auffindung von Gesetzmäßigkeiten, die für den Drehvorgang im schweren Schnitt die Aufstellung eines Zerspanungsschaubildes, der sogenannten „Aachener V 60 Bestimmungstafel“, erlauben. Mit dieser ist es möglich, für ein großes Gebiet der in der Praxis immer wieder vorkommenden Aufgaben die wirtschaftlichsten Arbeitsbedingungen festzulegen. Diese Erkenntnis lässt sich auch auf andere Arbeitsverfahren, wie das Bohren, übertragen.83 Die Entwicklung neuartiger Werkzeugbaustoffe stellt die Assistenten von Wallichs immer wieder vor neue Aufgaben. Insbesondere die gesinterten Hartmetalle verlangen eine stetige Weiterentwicklung der Untersuchungsmethodik. Die Fortschritte in der Werkstoffforschung führen zu neuen Werkstoffen, z. B. zu Automatenstählen, die durch ihre leichte Bearbeitbarkeit besonders wirtschaftliche Arbeitsbedingungen ermöglichen. Aber auch hier muss eine Anpassung der Versuchsmethodik an die praktischen Verhältnisse der Werkstatt und der Maschine erfolgen. Dazu ist es notwenig, die entsprechenden Automaten für die Versuchsdurchführungen bereitzustellen. Gleichzeitig wird eine weitere Ausdehnung der Versuche auf andere Werkstoffe wichtig, wie Automaten-Kupferlegierungen und Automaten-Leichtmetalle. Die gesteigerten Anforderungen an die Qualität der Bauteile führen auch zu höheren Anforderungen an die Maschinen und bedingen eine Ausdehnung der Forschungen. Ebenso muss man die Wirtschaftlichkeit berücksichtigen. Eine einseitige Behandlung der Probleme ist nicht mehr ausreichend. Eine Zusammenschau aller Faktoren wird notwendig und führt nicht zuletzt zu der Frage nach der Gestaltung der Werkzeugmaschinen, der Vorrichtungen, der Werkzeuge und der Messmittel.84 Diese Versuche werden am WZL in den 1920er und 1930er Jahren u. a. von den Assistenten Hemscheidt, Krekeler, Schallbroch, Opitz, Mendelson, Dabringhaus und Hunger durchgeführt.85

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Heinrich Schallbroch nimmt Ende 1925 die Stelle als Oberingenieur am WZL an. Dort ist er acht Jahre lang für die Durchführung zahlreicher Forschungsaufgaben und für den organisatorischen Bereich des Lehrstuhls verantwortlich. Im Mittelpunkt seiner Forschungsarbeiten stehen die beschriebenen Untersuchungen über die Zerspanbarkeit und Schneidhaltigkeit sowie über die Verbesserung der konstruktiven Gestaltung von Werkzeugmaschinen. Am 18. Juli 1930 promoviert Schallbroch und nach erfolgreicher Habilitation 1933 wird er Privatdozent an der Technischen Hochschule mit dem Lehrgebiet Feinmesswesen in der Werkstatt.86 Karl Krekeler, der Ende 1927 im Bereich Zerspanung am WZL promoviert, ist 1929 der erste Habilitand von Wallichs. Er arbeitet über das Thema „Spanabhebende und spanlose Fertigungsverfahren – Fabrikbetrieb – Werkstoffprüfung“.87 Herwart Opitz, der später Wallichs als Institutsleiter folgen wird, kommt am 15. Oktober 1928 nach Aachen. Sein Arbeitsfeld ist die Zerspanung. Welcher Weg ihn nach Aachen führt, bleibt unklar – vermutlich wird es der schon damals gute Ruf der Technischen Hochschule Aachen gewesen sein. Schon während seiAbb. 11 nes Studiums des Allgemeinen Maschinenbaus in München und Ber- Heinrich Schallbroch (1897-1978) lin arbeitet Opitz bei der Firma Schmidt & Co. A.G. PapierwarenFabrik in Elberfeld. Seit dem Sommer 1926 beauftragt ihn die Firma mit der selbständigen Konstruktion von Arbeitsmaschinen und Werkzeugen, mit der Überprüfung und dem Ausbau der Dampf- und Heizungsanlagen sowie mit der Neu- und Umkonstruktion von Werkzeugmaschinen und deren Instandsetzung.88 Nach Beendigung seines Studiums im Juni 1928 ist Opitz dort im Betriebsbüro beschäftigt und arbeitet an der Neu- und Umkonstruktion von Werkzeugen und Pressen.89 Bei Wallichs beginnt Opitz als Assistent im Laboratorium für Werkzeugmaschinen.90 Schon nach zwei Jahren promoviert er am 6. November 1930 über das Thema „Versuche über die Zerspanbarkeit von Automatenstahl“.91 Vier Jahre später habilitiert er sich mit der Arbeit „Kraftmessungen an spangebenden Werkzeugmaschinen und ihre Bedeutung für die Zerspanbarkeitsforschung“. Gleichzeitig erhält Opitz eine Zulassung Abb. 12 als Privatdozent für das Lehrfach „Werkstättenbetrieb und Fer- Karl Krekeler tigungsverfahren“.92 1934 nimmt Opitz als Schallbrochs Nach- (1886-1965) folger die Oberingenieursstelle am WZL an.93 Nach dieser rasanten Karriere verlässt er jedoch im November 1934 das WZL, um als Oberingenieur und Betriebsleiter bei der Werkzeugmaschinenfabrik SchiessDefries AG in Düsseldorf eine Stellung anzutreten.94 Seiner Ansicht nach ist eine gewisse Zeit in der Industrie eine gute und notwendige Vorbereitung auf den Lehrberuf. Da er sich vertraglich ausgebeten hat, zum Zwecke der Lehrtätigkeit einmal wöchentlich nach Aachen zu kommen, bleibt Opitz dem WZL als Privatdozent erhalten.95

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Abb. 13 Assistentenvertrag von Opitz (1932), Titelseite der Dissertation von Opitz (1930) und sein Studentenausweis aus Berlin (1925)

4. Der Laborgeist Die Schlussfolgerungen aus den Lehren Taylors überträgt Wallichs in sein „eigenes“ Unternehmen, ins WZL. Das Taylorsystem stellt für Wallichs eine Art „Philosophie über die moderne Erzeugertätigkeit“96 dar. Das zentrale Element dieser Philosophie ist das richtige Miteinander oder das An-einem-Strang-Ziehen aller an einem Unternehmen beteiligten Organe.97 Die Idee des „Miteinander“ macht Wallichs zum Grundprinzip seiner eigenen Lehr- und Forschungstätigkeit und legt damit das Fundament für den sogenannten „Laborgeist” der Aachener Schule. Die Atmosphäre am Institut, so schreibt Herwart Opitz rückblickend, ist im Zusammenhang mit den Anfangsschwierigkeiten der noch „jungen“ Disziplin Betriebswissenschaft am Anfang des Jahrhunderts zu sehen. Da es in akademischen Kreisen schwerer ist, Anerkennung zu erlangen, nimmt Wallichs bewusst Kontakte zur Industrie auf. Die industrielle Praxis lässt sich einfacher für die wissenschaftliche Behandlung des Betriebsgeschehens gewinnen. Wallichs entwickelt eine rege Vortragstätigkeit, um seine Erfahrungen auf dem Gebiet der wissenschaftlichen Betriebsführung den Inge-

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nieur-Vereinen und den Industrie- und Handelskammern in den Industriegebieten zu vermitteln.98 Das kommt auch seinen Mitarbeitern zugute. Zum einen bedeutet dies, Kontakte zu möglichen zukünftigen Arbeitgebern zu knüpfen, zum anderen schließt dies auch die Aufgabe ein, ein geschlossenes Bild des Instituts zu vermitteln und damit die Aachener Hochschulforschung zu repräsentieren. Auch nach dem Ersten Weltkrieg setzen sich die Mitarbeiter von Wallichs mit Begeisterung und ganzer Kraft für die Entwicklung des Instituts ein. Trotz der allgemeinen schwierigen wirtschaftlichen Lage und der finanziellen Belastung am Institut gelingt es Wallichs und seinen Mitarbeitern, die Forschungstätigkeit im Bereich Rationalisierung und wissenschaftliche Betriebsführung weiterzuführen. Die Wirtschaftskrise der 1920er Jahre fordert von jedem einzelnen Mitarbeiter ein hohes Maß an Opferbereitschaft. Um die Arbeitsfähigkeit des Instituts aufrechtzuerhalten, werden zeitweise sogar die Gehälter der etatmäßigen Stellen auf mehrere Mitarbeiter aufgeteilt. Doch das schweißt die Gemeinschaft zusammen. Opitz erinnert sich: „Unter der vorbildlichen, nach außen wenig sichtbaren Führung von Geheimrat Wallichs entwickelt sich eine Gemeinschaft seiner Schüler, die ihre Aufgabe in der Durchsetzung der gemeinsamen Ziele dieser „Wallichs-Schule“ sah. Über die Zeit der direkten Zugehörigkeit zu dieser Schule hinaus hat sich diese Gemeinschaft über das ganze berufliche Leben fortgesetzt, und auch heute begegnen sich die früheren Mitarbeiter von Wallichs immer wieder in freundschaftlicher Verbundenheit zu einem Gedankenaustausch in dankbarer Erinnerung an die Zeit der Zugehörigkeit zu dieser Schule.“99

Abb. 14 Wallichs (1. Reihe 5.v.l.) und seine Mitarbeiter 1934

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Abb. 15 Gruppenbild in der Halle 1929

Die Treue zum Institut, das Zusammengehörigkeitsgefühl auch über die Assistentenzeit hinaus, liegt sicherlich in der Person Wallichs begründet. Wallichs war stets darauf bedacht, eine gute persönliche Beziehung zu den Assistenten aufzubauen. Schon früh feiert man gemeinsam Weihnachten, Geburtstage oder Promotionen. Hubert Jansen, im Mai 1935 zunächst wissenschaftlicher Hilfsarbeiter, dann seit 1936 planmäßiger Assistent bei Wallichs, erinnert sich gern an diese Zeit. „Es war ein angenehmes Arbeitsklima bei Wallichs. Wenn man an seinem Versuchsstand in der Halle war, kam Wallichs öfter vorbei und fragte, wie es läuft. Oder er verteilte Arbeitsaufträge, mich schickte er zu Tagungen oder in den Hörsaal, um Vorlesungen zu halten. Das war eine schöne Zeit. Aber auch später blieb dieses gute Verhältnis zu Wallichs bestehen. Als ich zum ersten Mal nach Kriegsende wieder in Aachen war, habe ich mich natürlich sofort erkundigt, ob Wallichs noch lebte. Als ich an seiner Tür klingelte, wurde ich freudig begrüßt und hereingebeten. So wie früher.“ 100 Auch Wallichs betont die Treue seiner Mitarbeiter, die fast alle führende Stellungen in der Industrie, im Lehrberuf oder in der Verwaltung gefunden haben. „Wenn der Institutsleiter zu einer Feier oder zu wissenschaftlichen Aussprachen nach Aachen ruft, so kommt stets eine größere Zahl hierher. Sie fühlen sich als eine Gemeinschaft. Sehr bin ich dem Schicksal dankbar, dass die Führung meines Lebenswerkes, des Laboratoriums für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre, in so bewährte, stets die große Linie einhaltende Hände wie die meines Nachfolgers und Freundes, Prof. Dr.Ing. Opitz geraten ist.“101

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Abb. 16 Hubert Jansen (1. Reihe 2.v.r.) trifft sich regelmäßig mit seinen Kollegen im „Postwagen“ (1935)

5. Nachfolgeregelung im WZL (1935/1936) Im November 1935 vollendet Wallichs sein 65. Lebensjahr. Schon im Mai 1935 beginnt das Berufungsverfahren für seine Nachfolge. Das Dekanat der Technischen Hochschule Aachen reicht dem Ministerium am 14. Mai einen Vorschlag für die Neubesetzung der Professur für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre an der Technischen Hochschule Aachen ein. An erster Stelle stehen zwei Schüler von Wallichs: Herwart Opitz und Karl Krekeler. An zweiter Stelle steht Kurt Fleck, ein Schüler von Friedrich Schwerd in Hannover, und an dritter Stelle steht Curt Bücken, ein weiterer Schüler von Wallichs. Zwei Kandidaten an erster Stelle – dies beweist eine gewisse Gleichwertigkeit der Kandidaten Opitz und Krekeler. Krekelers Vorteil ist seine praktische Erfahrung. Er arbeitet zwei Jahre in der Industrie und verfügt über einen großen Erfahrungsschatz. Opitz dagegen fehlt diese langjährige Industrieerfahrung, doch seine Anlagen zum wissenschaftlichen Forscher und akademischen Lehrer sind bereits überragend. Außerdem hat er sich der Arbeitsdienstleistung und der Schulung in der Dozentenakademie unterzogen und erfüllt damit – neben seiner Mitgliedschaft in der NSDAP – die von den Nationalsozialisten vorgeschriebenen Mindestvoraussetzungen für eine Berufung.102 Während das Berufungsverfahren in Aachen läuft, bewirbt sich Opitz Anfang Juli 1935 auch auf den vakant gewordenen Lehrstuhl nach Braunschweig. Obwohl er Aachen favorisiert, rät ihm Wallichs, die Bewerbung abzuschicken.103 Über das Auswahlverfahren und die Verhandlungen sind leider wenig Unterlagen vorhanden. Am 23. Juli entscheidet sich das Ministerium für Herwart Opitz.

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Ausführlich wird die 100jährige Geschichte des WZL in meiner sich zurzeit in Vorbereitung befindenden Dissertation beschrieben. Darin werde ich auf die besonderen Strukturen des WZL (wie beispielsweise Unternehmenskultur und Innovationspotenzial) detaillierter eingegangen können, als es an dieser Stelle möglich ist (Cornelia Kompe). Gerd Hortleder: Das Gesellschaftsbild des Ingenieurs. Frankfurt am Main 1970, S. 84 ff. Karl-Heinz Manegold: Universität, Technische Hochschule und Industrie im 19. Jahrhundert. Berlin 1970, S. 77 ff. Vgl. auch Karl-Heinz Manegold: Die Akademisierung der Technik. In: Peter Lundgreen (Hrsg.): Zum Verhältnis von Wissenschaft und Technik. Erkenntnisziele und Erzeugungsregeln akademischen und technischen Wissens (= Report Wissenschaftsforschung, Band 7). Bielefeld 1981, S. 96-127. Gisela Buchheim, Rolf Sonnemann (Hrsg.): Geschichte der Technikwissenschaft. Basel/Boston/Berlin 1990, S. 180 ff. Ebd., S. 193-195. Sylvie Schweitzer: Der Ingenieur. In: Ute Frevert, Heinz-Gerhard Haupt (Hrsg.): Der Mensch des 19. Jahrhunderts. Frankfurt am Main/New York 1999, S. 67-85, hier S. 68-71. Wolfgang König: Der Verein Deutscher Ingenieure und seine Berufspolitik, 1856-1930. In: Peter Lundgreen, André Grelon (Hrsg.): Ingenieure in Deutschland 1770-1990. Frankfurt am Main/New York 1994, S. 304-315, hier S. 305. Karl-Heinz Ludwig: Technik und Ingenieure im Dritten Reich. Königstein/Düsseldorf 1979, S. 20. Zur Gründung des VDI vgl. Hortleder 1970, a.a.O., S.18 ff. Conrad Matschoß: Das Verhältnis von Staat und Technik. In: VDI-Z 55, 1911, S. 11891190. In seinem Aufsatz weist Matschoß mit aufforderndem Tonfall auf die Möglichkeiten einer notwendigen Kooperation von Staat und Technik hin, die zum Wohle des Ganzen dienen soll. Zum Technikhistoriker Conrad Matschoß (1871-1942) vgl. Hortleder 1970, a.a.O., S. 72-73: Der Technikhistoriker Matschoß ist seit 1913 stellvertretender Direktor, seit 1916 Direktor des VDI und hat den Verein entscheident mitgeformt. Vgl. auch Ludwig 1979, a.a.O., S. 19 ff., bes. S. 28 f. Manegold 1970, a.a.O., S. 79. Schweitzer 1999, a.a.O., S. 71. Günter Spur: Technologie und Management. Zum Selbstverständnis der Technikwissenschaft. München 1998, S. 42. Vgl. Günter Spur: Vom Faustkeil zum digitalen Produkt. Ein kulturgeschichtlicher Beitrag zur Entwicklung der Berliner Produktionswissenschaft. Hrsg. vom Institut für Werkzeugmaschinen und Fabriktechnik der Technischen Universität Berlin zu seinem 100-jährigen Bestehen. München/Wien 2004, S. 66. Vgl. Peter Lundgreen: Die Ausbildung von Ingenieuren an Fachschulen und Hochschulen in Deutschland, 1770-1990. In: Lundgreen, Grelon 1994, a.a.O., S. 13-58, hier S. 25 ff. Lundgreen behauptet jedoch, dass die Pariser École Polytechnique keine Nachahmung in Deutschland gefunden habe. Spur 1998, a.a.O., S. 46-48. Peter Lundgreen: Die Ausbildung von Ingenieuren an Fachschulen und Hochschulen in Deutschland, 1770-1990. In: Lundgreen, Grelon 1994, a.a.O., S. 13-58, hier S. 31. Manegold 1970, a.a.O., S. 81. Ebd., S. 82.

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Hans Martin Klinkenberg (Hrsg.): Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen 1870-1970. Stuttgart 1970, S. 71 ff., bes. S. 72. Vgl. auch Spur 2004, a.a.O., S. 89-90. 16 Peter Lundgreen: Die Ausbildung von Ingenieuren an Fachschulen und Hochschulen in Deutschland, 1770-1990. In: Lundgreen, Grelon 1994, a.a.O., S. 13-58, hier S. 34. 17 Vgl. Klinkenberg 1970, a.a.O., S. 63. 18 VV 1870/71, S. 12. Vgl. auch Klinkenberg 1970, a.a.O., S. 63. 19 Spur 2004, a.a.O., S. 35. 20 Zu Gustav Herrmann (1836-1907) vgl. Klinkenberg 1970, a.a.O., S. 243. Vgl. auch Nachruf VDI-Z 51, 1907, S. 1316-1317. 21 Ebd. 22 Ebd. 23 Vorlesungsverzeichnis (im folgenden: VV) 1870/71, S. 12, S. 20-21. VV 1881/82, S. 15, S. 61. Der Name der Lehrstuhls Mechanische Technologie und Baumaschinen erhält ab 1873/74 den Zusatz „und Fabrikanlagen“; ab 1880/81 entfällt „Baumaschinen“. 24 Heinrich Schallbroch: Von der Technologie zur Fertigungstechnik. In: Günter Spur: Fertigungstechnik in Lehre, Forschung und Praxis. Freiburg 1967, hier S. 39-40. 25 Weitere Lehrstuhlgründungen gibt es 1908 in Hannover (Schwerd) und Danzig (Prinz) sowie 1910 in Breslau (Schilling), vgl. dazu Adolf Wallichs: Überblick über die Geschichte der Betriebswissenschaft. In: Industrie-Anzeiger. Sonderteil: Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik 76, 1954, S. 13. 26 VV 1906/07, S. 18, S. 134. Zum Berufungsverfahren Wallichs vgl. HAAc Akte 864. 27 VV 1906/07, S. 18, S. 100-101. 28 VV 1909/10, S. 8. Zum Inhalt der Vorlesung Bergwerksmaschinen vgl. S. 122. Ab dem Sommerhalbjahr 1927 wird das Lehrgebiet Bergwerksmaschinen endgültig von Folkerts, Abteilung für Hüttenkunde, übernommen. 29 Vgl. VV 1907/08, S. 138. 30 80 Jahre WZL. Innovation aus Tradition. Impulse der Produktionstechnik. Hrsg. vom Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen. Köln 1986, S. 27. 31 VV 1907/08, S. 13. 32 Vgl. Paul Gast: Die Technische Hochschule zu Aachen 1870-1920. Aachen 1920, S. 279. 33 Adolf Wallichs: Das Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften an der Technischen Hochschule Aachen. Sonderdruck aus TZ für prakt. Metallbearbeitung, 44, 1934, Nr. 1/2, S. 1-4, hier S. 1. 34 VV 1909/10, S. 167-168. 35 VV 1911/12, S. 21. 36 Klinkenberg 1970, a.a.O., S. 76. 37 Vgl. Klaus Ricking: Der Geist bewegt die Materie. Mens agitat molem. 125 Jahre Geschichte der RWTH Aachen. Aachen 1995, S. 119. 38 Adolf Wallichs: Aus der Geschichte der Betriebswissenschaft. In: Herwart Opitz (Hrsg.): Wirtschaftliche Fertigung und Forschung. Wallichs zum 80. Geburtstag. München 1949, S. 11-33, S. 21. 39 Vgl. Gast 1920, a.a.O., S. 422. Klinkenberg 1970, a.a.O., S. 76. 15

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Klinkenberg 1970, a.a.O., S. 78. Die genauen Gründe für die Verhaftung durch die Besatzer ließen sich nicht klären. 41 Ebd., S. 79. Aus den Vorlesungsverzeichnissen lässt sich das bei Klinkenberg erwähnte Zwischensemester jedoch nicht ersehen. 42 Zur Reformbewegung in der Weimarer Republik vgl. Klinkenberg 1970, a.a.O., S. 78-91. 43 Klinkenberg 1970, a.a.O., S. 80-81. In der Festschrift wird der Verfassungsentwurf von 1919 erstmals abgedruckt, vgl. S. 173-175. Die Ablehnung scheint auch der Grund zu sein, so schlussfolgert Klinkenberg, dass der ganze Vorgang in der Festschrift der RWTH Aachen von 1920 zum 50-jährigen Bestehen nicht erwähnt wird und der Aachener Verfassungsentwurf nahezu unbekannt bleibt. Vgl. auch HAAc Akte 12145, Rede von Rektor Ohlenbusch bei der Feierstunde zum 80-jährigen Bestehen des WZL am 6. Juni 1986, in dem Ohlenbusch davon spricht, dass Wallichs sich „vehement und schließlich erfolgreich für die Gleichstellung von Technischen Hochschulen und Universitäten“ eingesetzt habe. 44 Gast 1920, a.a.O., S. 423. Vgl. auch Peter Mennicken: Technische Hochschule Aachen. In: Die Deutschen Technischen Hochschulen. Ihre Gründung und geschichtliche Entwicklung (= Die Bücher der Deutschen Technik). München 1941, S. 11-24, S. 21. 45 Wallichs 1934, a.a.O., S. 1. 46 Lundgreen, Peter: Die Ausbildung von Ingenieuren an Fachschulen und Hochschulen in Deutschland, 1770-1990. In: Lundgreen, Grelon 1994, a.a.O., S. 31 f. 47 Wallichs 1949, a.a.O., S. 22. Vgl. Archiv der ThyssenKrupp AG, Duisburg FWH / 442: Schreiben von Wallichs an den Generaldirektor Dr. Ing. Vögler vom 29. Oktober 1921, Betrifft: Werkzeugmaschinen-Laboratorium. In diesem Schreiben bittet Wallichs um eine finanzielle Spende für den Bau des Werkzeugmaschinen-Laboratoriums und schickt die 1917 verfasste und 1921 erweiterte Werbeschrift mit. Ferner schreibt er, dass es im Jahre 1917 eine erste Sammlung gegeben habe, an der sich meisten großen Hüttenwerke beteiligt haben, der Konzern Deutsch-Luxemburg allerdings nicht. Das Geld dieser Sammlung kam dann der Gesellschaft von Freunden der Aachener Hochschule zugute und er, Wallichs, habe nichts bekommen. 48 Wallichs 1949, a.a.O., S. 22. 49 Vgl. Archiv der ThyssenKrupp AG, Duisburg FWH / 442. 50 Ebd. 51 Die großzügigen finanziellen Unterstützungen von Seiten der Industrie stammen u. a. von der heutigen ThyssenKrupp AG, Duisburg, vgl. Archiv der ThyssenKrupp AG, Duisburg FWH / 442, Schreiben von Wirtz an Wallichs vom 7. Dezember 1921, indem er Wallichs eine Zahlung von 30000 Mark zusagt. Vgl. auch Wallichs 1949, a.a.O., S. 22, hier nennt Wallichs Dipl.-Ing. Jean Paul Goosens (1881-1951), den Brander Waggonbau und Automobilfabrikanten, als großzügigen Helfer. 52 Klinkenberg 1970, a.a.O., S. 92 f. Vgl. auch Wallichs 1949, a.a.O., S. 22. 53 Ebd., S. 16. 54 Adolf Wallichs: Über Dreharbeit und Werkzeugstähle. Autorisierte deutsche Bearbeitung der Schrift „On the art of cutting metals“ (1897) von F. W. Taylor. Berlin 1908. 55 Heidrun Homburg: Anfänge des Taylorsystems in Deutschland vor dem Ersten Weltkrieg. 40

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In: Reinhard Rürup (Hrsg.): Technik und Gesellschaft im 19. und 20. Jahrhunderts (= Geschichte und Gesellschaft, Heft 2). Göttingen 1978, S. 170-194, hier S. 176 f. 56 Adolf Wallichs: Die Betriebsleitung insbesondere die Werkstätten. Autorisierte deutsche Bearbeitung der Schrift „Shop Management” (1903) von F. W. Taylor. Berlin 1909. Vgl. auch Kapitel 1 zum Thema Betriebswissenschaft (ab 1906). 57 Zur Person und Ausbildung Frederic Winslow Taylors (1856-1915) vgl. Gotthold Pahlitzsch: Gedanken zur Wissenschaftlichen Betriebsführung. In: Industrie-Anzeiger. Sonderteil: Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik 76, 1954, S. 13-15. Zum Begriff der Betriebswissenschaft vgl. Wallichs 1949, a.a.O., S. 11 f.: Laut Wallichs führt Taylor den Begriff der „Betriebswissenschaft“ ein. In Deutschland wird der Begriff zunächst nicht eindeutig belegt. Es gibt Synonyme wie Fabrikorganisation, Arbeitswissenschaften, Arbeitstechnik, Betriebslehre oder Betriebskunde, die alle jedoch im Sinne Taylors „Betriebswissenschaft“ meinen. 58 Wallichs 1949, a.a.O., S. 13. Vgl. auch Wissenschaftliche Gesellschaft Produktionstechnik (Hrsg.): Produktionswissenschaft. Ein Beitrag zur Geschichte der Hochschulgruppe Fertigungstechnik. Aachen/Köln 1987, S. 10 ff. 59 Pahlitzsch 1954, a.a.O., S. 13. 60 Ebd. Vgl. auch Wallichs 1954, a.a.O., S. 13. 61 Wallichs 1949, a.a.O., S. 16. 62 Ebd. 63 Ebd., S. 16 f. 64 Rudolf Seubert: Aus der Praxis des Taylorsystems mit eingehender Beschreibung seiner Anwendung bei der Tabor Manufacturing Company in Philadelphia. Berlin 1914. Vgl. dazu Wallichs 1949, a.a.O., S. 17. 65 Wallichs 1949, a.a.O., S. 17 f. Vgl. auch Schallbroch 1967, a.a.O., S. 39 und Wallichs 1954, a.a.O., S. 13. 66 Vgl. HAAc Personalakte 2732, Blatt 17: Die Ernennung geht aus dem Schreiben des Regierungs-Präsidenten an den Rektor hervor: „Seine Majestät der Kaiser und König haben Allergnädigst geruht, dem ordentlichen Professor an der Technischen Hochschule Adolf Wallichs den Charakter als Geheimer Regierungsrat zu verleihen.“ 67 Vgl. VV 1911/12, S. 27. 68 Klinkenberg 1970, a.a.O., S. 73-74. Zu weiteren Reformplänen im Maschineningenieurwesen vgl. ebd., S. 74 ff. 69 Wallichs 1949, a.a.O., S. 19. 70 Ebd., S. 18. 71 Günter Spur: Produktionstechnik im Wandel, herausgegeben aus Anlass des 75-jährigen Bestehens des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der Technischen Universität Berlin. München/Wien 1979, S. 185. Zu den Mitgliedschaften von Wallichs vgl. Nachruf Adolf Wallichs. In: Werkstattstechnik, Zeitschrift für Produktion und Betrieb, 49 (6) 1959, S. 301. 72 Vgl. Archiv der ThyssenKrupp AG, Duisburg FWH / 440, Schreiben von Wallichs an Dr. Albert Vögler vom 2. Januar 1924. 73 Vgl. Archiv der ThyssenKrupp AG, Duisburg FWH / 440. Vgl. auch Wallichs 1949, a.a.O., S. 26.

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Vgl. HAAc Akte 497, Schreiben der Fakultät für Maschinenwirtschaft Aachen an das preußische Ministerium vom 12. Dezember 1928. 75 Vgl. HAAc Akte 497, Antwort des preußischen Ministeriums. Poppelreuter wird jedoch in den VV 1926/27-1936/37 nicht genannt. Es gibt auch keine Vorlesungen zu diesem Themenbereich. Erst im VV 1936/37, S. 14, findet sich Dr.-Ing. Mathieu, der über die „Methoden deutscher Betriebs- und Wirtschaftsführung“ liest. 76 Vgl. VV 1928/29, S. 8, hier wird Wallichs als Leiter des Laboratoriums für Psychotechnik und der Psychotechnischen Sammlung genannt. Vgl. auch S. 24, hier wird Dr.Ing. Baurmann als Assistent für das Laboratorium für industrielle Psychotechnik aufgeführt, Poppelreuter wird weiterhin nicht genannt. 77 80 Jahre WZL, a.a.O., S. 25. 78 Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Eine kulturgeschichtliche Betrachtung der Fertigungstechnik. Herausgegeben vom Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken (VDW) e.V. zu seinem 100-jährigen Bestehen. München/Wien 1991, S. 330-335. 79 Fritz Kappel: 75 Jahre VDW 1891-1966. Hrsg. vom Verein deutscher Werkzeugmaschinenfabriken. Frankfurt am Main 1966, S. 9 f. 80 Spur 1979, a.a.O., S. 138. 81 Spur 2004, a.a.O., S. 61-65. 82 Wallichs 1934, a.a.O., S. 1 und 80 Jahre WZL, a.a.O., S. 27. Vgl. auch Jürgen Hausen: Technische Forschungen am Werkzeugmaschinenlaboratorium der RWTH Aachen und ihre Bedeutung für die mittelständische Industrie Nordrhein-Westfalens. In: Kurt Düwell, Wolfgang Köllmann (Hrsg.): Zur Geschichte von Wissenschaft, Kunst und Bildung an Rhein und Ruhr. Wuppertal 1982, S. 24-38, hier S. 34. Vgl. auch Kapitel 2 zum Thema Zerspanforschung (ab 1906). 83 Herwart Opitz: Aus der Entwicklungsgeschichte des Laboratoriums für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre. In: Herwart Opitz (Hrsg.): Wirtschaftliche Fertigung und Forschung. Wallichs zum 80. Geburtstag. München 1949, S. 34-44, S. 34. 84 Ebd., S. 35. 85 Wallichs 1949, a.a.O., S. 27. 86 Vgl. HAAc Akte 460. Biographische Angaben zu Heinrich Schallbroch (1897-1978) vgl. auch Günter Spur: Heinrich Schallbroch sein Wirken als Lehrer und Forscher. In: Günter Spur (Hrsg.): Fertigungstechnik in Lehre, Forschung und Praxis. Freiburg 1967, S. 13-23. Schallbroch immatrikuliert sich im Wintersemester 1919/1920 an der Technischen Hochschule Aachen, wo er sein Studium am 16. Mai 1923 mit dem Diplomexamen abschließt. Am 1. Juni 1923 beginnt er als Konstrukteur und später als Betriebsassistent bei der Schiess AG, Düsseldorf. Schallbrochs wissenschaftliche Befähigung veranlasst Wallichs dazu, ihn 1925 als Oberingenieur am WZL einzustellen. Im Frühjahr 1934 erhält Schallbroch sowohl einen Ruf an die Technische Hochschule Braunschweig als auch an die Technische Hochschule München. Schallbroch geht nach München, wo er elf Jahre als Professor tätig ist. 1953 erfolgt die Berufung an die Technische Hochschule Berlin, wo er weitere zwölf Jahre tätig ist. 87 Biographische Angaben zu Karl Krekeler (1886-1965) vgl. Lebenslauf vom März 1935 in HAAc Akte 4202, Blatt 34 ff. und Ansprache von Opitz anlässlich der Trauerfeier 74

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für Krekeler in HAAc Akte 6216. HABPW 2.02, hierin befinden sich diverse Bescheinigung der Firma Schmidt & Co. A.G. Papierwaren-Fabrik Elberfeld, die bestätigen, dass Opitz vom Juli 1926 bis Oktober 1928 für die Firma arbeitete. 89 HABPW 3.02, hierin befindet sich eine Bescheinigung der Firma Schmidt & Co. A.G. Papierwaren-Fabrik, Elberfeld für die Zeit vom 1. Juli bis 15. Oktober 1928. 90 Vgl. HAAc Akte 4202, Personalbogen 1934. Opitz hat über einen Zeitraum von 6 Jahren verschiedene Verträge als Doktorand sowie als plan- oder außerplanmäßiger Assistent. 91 Vgl. HAAc Akte 4202, Personalbogen 1934, Blatt 8 Promotionsurkunde der Technischen Hochschule. Die Urkunde ist auch in den Akten HABPW 3.01 zu finden, und eine Ausgabe der Dissertation befindet sich in HABPW 2.04. 92 Vgl. HAAc Akte 4202, Blatt 23, Verpflichtungseid. HABPW 3.01, Schreiben des Rektors über die Zulassung vom 24. Januar 1935. 93 Vgl. HAAc Akte 4202, Blatt 18, Vertrag vom 12. Mai 1934. 94 HABPW 3.02, Arbeitsvertrag und Zeugnis von Schiess-Defries. Opitz bleibt dort bis zum 31. März 1936. 95 Vgl. HAAc Akte 1168, Schreiben von Opitz an Prof. Nipper vom 22. Dezember 1934. Opitz schreibt über seine Stellung in der Industrie: „Mein Übergang in die Industrie hat mir zunächst natürlich sehr viel Arbeit gebracht, aber allmählich habe ich mich eingelebt. Bei dem Tausch hat mich vor allem der Gedanke geleitet, daß als Vorbereitung zum Lehrberuf unbedingt auch eine gewisse Zeit in der Praxis erforderlich ist, außerdem bot sich mir gerade eine für meine Zwecke geeignete Position. Ich hoffe, in absehbarer Zeit die ministerielle Bestätigung als Privat-Dozent zu erhalten, um meine Lehrtätigkeit aufnehmen zu können. Ich habe mir vertraglich ausgebeten, daß ich zu diesem Zwecke wöchentlich einmal nach Aachen kommen kann.“ 96 Adolf Wallichs: Die Betriebsleitung insbesondere die Werkstätten. Autorisierte deutsche Bearbeitung der Schrift „Shop Management” (1903) von F. W. Taylor, 3. vermehrte Auflage. Berlin 1914, S. 128. 97 Ebd., S. 130. 98 Herwart Opitz: Aus gemeinsamer Arbeit unter Geheimrat Prof. Dr.-Ing. E.h. Adolf Wallichs. In: Günter Spur: Fertigungstechnik in Lehre, Forschung und Praxis. Freiburg 1967, S. 24-26, S. 24. 99 Ebd., S. 25 f. 100 Zeitzeugeninterview mit Hubert Jansen vom 17. Juli 2003. 101 Wallichs 1949, a.a.O., S. 31. 102 Vgl. HAAc Akte 4202, Schreiben des Dekans vom 14. Mai 1935 an den Minister mit einem Vorschlag für die Neubesetzung. Zum Berufungsverfahren vgl. auch HAAc Akte 460, Schreiben des Reichs- und Preußischen Ministers für Wissenschaft, Erziehung und Volksbildung am 23. Juli 1935. Vgl. auch Ulrich Kalkmann: Die Technische Hochschule Aachen im Dritten Reich (1933-1945). Aachen 2003, S. 404 f. 103 HAAc Akte 1168, Schreiben von Opitz an Nipper, den Führer des örtlichen Dozentenschaft am 7. Juli 1935. 88

wzl 100 Jahre

Die zweite Generation im WZL: Herwart Opitz (1936-1973)

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Gliederung 1. Herwart Opitz als neuer Institutsleiter (1936) 1.1 Vertretungsprofessur an der Technischen Universität Dresden 1.2 Das Leben in der Wüllnerstraße 1.3 Die Zerstörung des WZL-Gebäudes Pfingsten 1944 2. Aktivitäten im WZL (bis 1945) 2.1 Zusammenarbeit in der Hochschulgruppe Fertigungstechnik (HGF) 3. Die Zeit des Wiederaufbaus (nach 1945) 3.1 Politische und wirtschaftliche Situation 3.2 Die Technische Hochschule Aachen unter britischer Besatzung 3.3 Der Wiederaufbau des Instituts 4. Aktivitäten im WZL (nach 1945) 4.1 Das Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium (1948) 4.2 Die Forschung im WZL (1950er / 1960er / 1970er Jahre) 4.2.1 Forschung auf dem Gebiet der spanenden und abtragenden Verfahren 4.2.2 Werkzeugmaschinen und Werkzeugmaschinenelemente 4.2.3 Beginn der Getriebeforschung 4.2.4 Betriebsorganisation 4.2.5 Automatisierung 4.3 Ausgliederungen aus dem WZL 4.4 Das Ziel einer effektiven Forschung 5. Das Leben am WZL 5.1 Abschied von Wallichs 5.2 Die „Opitz-Familie“ 5.3 Opitz in der Hochschulpolitik 6. Nachfolgeregelung im WZL (1972/73)

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1. Herwart Opitz als neuer Institutsleiter (1936) Mit Beginn des Studienjahres 1936/37, am 1. April 1936, tritt Herwart Opitz die freigewordene Professur für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre an der Technische Hochschule Aachen an und ist zugleich Direktor des WZL.1 Der 31-jährige Opitz übernimmt die Leitung des Instituts in einer Zeit, in der die Nationalsozialisten an der Regierung sind. Technik spielt eine immer größer werdende Rolle im Bereich der Kriegsführung und soll Deutschland eine Vorrangstellung gegenüber den anderen Staaten verschaffen. Es ist eine Zeit, in der sich Ingenieure dieser ihnen zugewiesenen Aufgabe nur schwerlich entziehen können.

Lebenslauf Herwart Opitz bis 1936 Herwart Opitz wird am 4. Juni 1905 als Sohn des Kaufmanns Paul Opitz (18571927) und dessen Frau Emma (geb. Perker) in Wuppertal-Elberfeld geboren. Er besucht von 1911 bis 1923 das Gymnasium mit Realgymnasium in Elberfeld (Abitur). 1923 beginnt er mit dem Studium des Allgemeinen Maschinenbaus an der Technischen Hochschule München, wechselt 1925 an die Technische Hochschule zu Berlin und legt dort seine Diplomprüfung am 30. Juni 1928 ab. In den Semesterferien absolviert Opitz immer wieder Praktika bei verschiedenen Maschinenbau-Unternehmen, wie u. a. bei der Allgemeinen Transportanlage GmbH Maschinenfabrik Leipzig oder bei der Zwickauer Maschinenfabrik AG Niederschlema. Bei der Firma Schmidt & Co. AG Papierwaren-Fabrik, Elberfeld, arbeitet Opitz auch während seines Studiums. Seit dem Sommer 1926 beauftragt ihn die Firma mit der selbstständigen Konstruktion von Arbeitsmaschinen und Werkzeugen,

mit der Überprüfung und dem Ausbau der Dampf- und Heizungsanlagen sowie mit der Neu- und Umkonstruktion von Werkzeugmaschinen und deren Instandsetzung. Nach seinem Studium im Juni 1928 ist Opitz dort im Betriebsbüro beschäftigt und arbeitet an der Umbzw. Neukonstruktion von Werkzeugen und Pressen. Am 15. Oktober 1928 beginnt Opitz seine Assistenzzeit im Laboratorium für Werkzeugmaschinen bei Wallichs. Zwei Jahren später promoviert er am 6. November 1930 über das Thema „Versuche über die Zerspanbarkeit von Automatenstahl“ und habilitiert sich 1934 mit der Arbeit „Kraftmessungen an spangebenden Werkzeugmaschinen und ihre Bedeutung für die Zerspanbarkeitsforschung“. 1934 wird Opitz Oberingenieur am WZL und beginnt kurze Zeit später seine Tätigkeit als Oberingenieur und Betriebsleiter in der Werkzeugmaschinenfabrik Schiess-Defries AG in Düsseldorf. 1936 wird er nach Aachen berufen.

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CORNELIA KOMPE Mit Antritt seiner Lehrtätigkeit übernimmt Opitz die Vorlesungen und Übungen seines Vorgängers Wallichs, die er zunächst ohne inhaltliche Veränderungen fortführt. Er liest über Werkzeugmaschinen, Werkstatttechnik und Betriebskunde. Es finden Übungen in Werkzeugmaschinen und Werkstatttechnik sowie Betriebskunde statt. Außerdem haben die Studenten Praktika, selbständige Arbeiten und Übungen im Werkzeugmaschinenlaboratorium abzuleisten.2 Laut Vorlesungsverzeichnis beginnt Opitz mit zwei ständigen Assistenten, den Diplom-Ingenieuren Kurt Hertel und Hubert Jansen.3 Unterstützung erhält Opitz von seinen ehemaligen Kollegen Dr.-Ing. Günther Depiereux, dem amtierenden Oberingenieur am WZL, von Dr.-Ing. habil. Karl Krekeler, der einen Lehrauftrag über die „Bearbeitung der Werkstoffe“ hat, und von Dr.-Ing. Josef Mathieu, der über die „Methoden deutscher Betriebs- und Wirtschaftsführung“ liest. Beide Dozenten sind dem WZL angeschlossen.4 Zwei Jahre nach dem Amtsantritt von Opitz kann ein großzügiger Ausbau des WZL-Gebäudes in der Wüllnerstraße fertiggestellt werden. Schon kurz nach seiner Ernennung erhält Opitz finanzielle Zusagen von der Industrie in einer Höhe von insgesamt 40.000 RM und von staatlicher Seite in Höhe von 10.000 RM. Ein Argument für den Ausbau sind die steigenden Studentenzahlen. 1938 kann die Fachabteilung die hohe Zahl von 274 Studenten vorweisen, die nun in dem größeren Gebäude studieren und forschen können.5

Abb. 1 Die akademische Laufbahn von Opitz: DoktorUrkunde (Aachen 1930) und Habilitationsschrift (Aachen 1934)

1.1 Vertretungsprofessur an der Technischen Universität Dresden Da mit der kriegsbedingten Schließung der Technischen Hochschule Aachen im September 1939 auch die Einstellung des Lehrbetriebes verbunden ist, beschließt Opitz zum Sommersemester 1940 eine Vertretungsprofessur an der Technischen Universität Dresden anzunehmen. Im Auftrag des Reichsministeriums für Wissenschaft, Erziehung und Volksbildung tritt Opitz vom 1. April 1940 bis zum 31. März 1941 die freigewordene Professur für

Die zweite Generation im WZL: Herwart Opitz (1936-1973) Allgemeine Mechanische Technologie von Ewald Sachsenberg an.6 Das Lehrgebiet Sachsenbergs umfasst die allgemeine und mechanische Technologie, die Fabrikorganisation, die Betriebswissenschaft sowie den Werkzeugmaschinen- und Vorrichtungsbau.7 Opitz übernimmt ab April 1940 die Lehrstuhlgeschäfte der Vertretungsprofessur, die theoretisch Lehr- und Forschungsarbeiten einschließt; man erwähnt ihn aber nicht im damaligen Dresdener Vorlesungsverzeichnis.8 In dieser Zeit ist Opitz im Wechsel eine Woche in Aachen und eine Woche in Dresden. Ferner besetzt Opitz eine freie Assistentenstelle in Dresden mit einem seiner Aachener Forschungsassistenten.9 Opitz führt 1940 u. a. die Hauptprüfungen in den Lehrfächern Fabrikbetrieb und Werkzeugmaschinen durch. Unter seinen 30 Prüflingen befindet sich auch Dipl.-Ing. Horst Berthold, der spätere Ordinarius für Werkzeugmaschinen an der Technischen Hochschule Dresden.10 Opitz betreut auch eine Promotionsarbeit. Dipl.Ing. Rudolf Gottschald ist Assistent am Institut von Sachsenberg und übernimmt nach dessen Ausscheiden die meisten Lehrveranstaltungen.11 Er promoviert 1940 über „Untersuchungen zur Herstellung und Prüfung der günstigsten Oberflächengüte und Körperform beim Drehen von Stahl mit Hartmetall-Werkzeugen“. In seinem Vorwort dankt Gottschald den Professoren Brandt, seinem zweiten Prüfer Opitz und dem entlassenen Sachsenberg.12 Während Opitz in Dresden ist, bemüht sich die dortige Mechanische Abteilung um eine ordentliche Wiederbesetzung des Lehrstuhls. Das Verfahren scheint schwierig gewesen zu sein. Die meisten in der Industrie tätigen potenziellen Nachfolger teilen der Mechanischen Abteilung mit, dass während des Krieges an einen Weggang aus den Firmen nicht zu denken sei.13 Auch Verhandlungen mit Opitz bleiben erfolglos. Er habe sich durch sein vorzüglich ausgestattetes Laboratorium einen Wirkungskreis geschaffen, den er nicht ohne Schaden aufgeben könne.14 Opitz

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Abb. 2 Das Kollegium der Aachener Professoren an der Fakultät für Maschinenwesen

Abb. 3 Auszug aus dem Aachener Vorlesungsverzeichnis im Studienjahr 1938/1939

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drängt auf eine Neubesetzung, da man den stillliegenden Unterrichtsbetrieb an der Technischen Hochschule Aachen im Oktober 1940 wieder aufnehmen will, und Opitz sich außer Stande sieht, die Vertretung in Dresden weiterzuführen.15 Endlich gelingt es, Heinz Kiekebusch zum 1. April 1941 an die Technische Hochschule Dresden zu berufen. Anfang April 1941 kehrt Opitz endgültig nach Aachen zurück. 1.2 Das Leben in der Wüllnerstraße Trotz zahlreicher Fliegerangriffe und Beschädigungen der Gebäude geht der Lehrbetrieb in Aachen weiter, so auch am WZL. Wie ein Tag im Sommer 1943 im Labor ausgesehen hat, beschreibt Hans Starck rückschauend: „Eines war unabänderlich: 7:30 Uhr Arbeitsbeginn! Ein Dutzend Assistenten kam mehr oder weniger ausgeschlafen an und stellte fest: Erst müssen wir wieder einmal aufräumen, um an die Arbeit gehen zu können – natürlich ehe der Chef kommt. Zu einer Lagebesprechung war keine Zeit, es fehlten wieder zu viele Ziegel auf dem Dach. Das Wetter war uns günstig, und noch ehe eine Viertelstunde vergangen war, hatte die gesamte Mannschaft der Werkstatt und des Labors eine Kette gebildet und beförderte die Dachpfannen nach oben. Waren wir noch nicht fertig, wenn der Chef kam, so betätigte auch er sich selbstverständlich erst einmal als Dachdecker. Was war dann in dieser Lage zu tun? Wir mussten die wertvollen Geräte und die wichtigsten Dokumente aus einem unterirdischen Bunker holen, den wir unter dem damaligen Messraum Nr. 2 ausgebuddelt hatten.“16

Abb. 4 Der „Postwagen“ ist eine beliebte Außenstelle des WZL (1936)

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Das Institutsleben sei – wie es Starck mit seinen Worten beschreibt – durch ein ausgesprochen kollegiales Verhalten geprägt. Ebenso wie unter der Leitung von Wallichs gilt auch bei Opitz der Grundsatz, dass jeder für seine Arbeit verantwortlich ist und mit seinem Namen dafür einzustehen hat. Das verantwortungsbewusste Handeln aller zum Wohle von Lehre und Forschung gilt als Maxime am WZL. Opitz nimmt seine Verantwortung als Hochschulprofessor gegenüber den etwa 30 Mitarbeitern besonders ernst. Es gelingt ihm, die Unabkömmlichkeit seiner Mitarbeiter überzeugend nachzuweisen und ermöglicht dadurch die Freistellung seiner Assistenten vom Wehrdienst und sogar die Rückkehr einiger bereits an der Front stehender Assistenten.17 Dies verdeutlicht einerseits die wichtige Position des WZL für die Produktionstechnik, denn Opitz gewährleistet mit diesem konstanten Personalbestand einen reibungslosen Ablauf der Forschungsarbeiten. Andererseits bewahrt Opitz seine Assistenten vor dem Krieg und damit vor dem möglichen Tod. 1.3 Die Zerstörung des WZL-Gebäudes Pfingsten 1944 Wie jeder Mitarbeiter der Technischen Hochschule sind auch die Assistenten des WZL zum Dienst bei der Luftschutzwache verpflichtet. Acht Tage im Monat müssen sie in besonderen Wachräumen für den Fall eines Fliegeralarms einsatzbereit sein. Im Falle eines Alarms müssen die wichtigsten Dokumente in entsprechende Holzkisten verpackt und im Keller unter dem damaligen Messraum in Sicherheit gebracht werden. Die Mitarbeiter selbst flüchten in einen Bunker neben dem Institut für Bauingenieurwesen.18 Der Bombenangriff vom 11. April 1944 auf Aachen zerstört große Teile der Maschinenhalle des Laboratoriums in der Wüllnerstraße. Opitz beschließt den endgültigen Umzug nach Eupen und Eynatten. Teile des Instituts verlegt er bereits im Laufe des Jahres 1943 dorthin.19 Ein großer Teil des Instituts kann in der ehemaligen Tuchfabrik Peters in Eupen unterkommen, wohin bereits das Aachener Philips Unternehmen ausgelagert ist. Nach Darstellung von Willy Kaymer, der seit April 1944 dem WZL angehört, umfassen Lehrstuhl und Werkhalle knapp 30 Personen. Diese sind in einem Aufenthaltsraum untergebracht, den man notdürftig mit Betten und einem Herd ausstattet. Sogar der Vorlesungsbetrieb läuft weiter, Abb. 5 Das zerstörte Gebäude in der jedoch in einer sehr improvisierten Form: Wüllnerstraße (1944)

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Einige Studenten kommen mit der Straßenbahn von Aachen nach Eupen. Opitz geht mit ihnen, angesichts der Raumnot, auf eine neben der Werkstatt liegende Wiese und referiert dort über Werkzeugmaschinenbau. In Eynatten wird eine alte KFZ-Werkstatt von Oberingenieur Starck, seinen drei Assistenten, zwei Gesellen und sieben Lehrlingen in eine Werkzeugmaschinenhalle umfunktioniert. Hier sind die Gebiete Drehen und Schleifen untergebracht, während sich die

Abb. 6 Bei den Reperaturarbeiten 1944 packen alle mit an

Assistenten in Eupen mit Hobeln und Fräsen beschäftigten. Eine Verbindung zwischen beiden Einrichtungen gibt es nur per Fahrrad oder Motorrad. Ein Großteil der Arbeit besteht aus Panzerhaubendrehen. Die Lieferung und Abholung des Materials erfolgt durch ein Eupener Kabelwerk. Daneben laufen auch andere Forschungsaufträge in begrenztem Umfang weiter, soweit die entsprechenden Maschinen noch vorhanden sind. Als im September 1944 die amerikanischen Truppen bis nach Eupen und Eynatten vorrücken, wird das gesamte Institut nach Mülheim an der Ruhr gebracht. Von dort fahren Opitz und seine Assistenten angesichts der unsicheren Lage weiter nach Eisenach.20

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2. Aktivitäten im WZL (bis 1945) Das erste Jahrzehnt des Wirkens von Opitz als Professor am WZL ist geprägt durch den Zwang, den der Nationalsozialismus in allen Bereichen der Gesellschaft, der Wirtschaft und auch der Wissenschaft schafft. Die von der NS-Regierung seit 1933 forcierten Arbeitsbeschaffungsmaßnahmen stehen in zunehmendem Maße im Zeichen der nationalsozialistischen Aufrüstungspolitik. Der Mangel an für die Rüstungsindustrie dringend notwendigen Rohstoffen wie Eisenerz, Aluminium, Kupfer, Spezialmetallen usw. führt zu verstärkten Bemühungen Ersatzbaustoffe zu entwickeln. Resultat dieser Suche ist u. a. die Entwicklung des „Dreierstahls“ in Zusammenarbeit von Opitz und Krekeler. Dieser „Sparstahl“ enthält infolge des Rohstoffmangels einen Vanadin-, Chrom- und Kobaltanteil von jeweils weniger als 3 %. Auf der Suche nach neuen Werkzeugstoffen kommen erstmalig Keramikwerkzeuge zum Einsatz. Der Mangel an Werkstoffen führt vermehrt zum Einsatz von Kunststoffen, die im Labor auf ihre Verwendbarkeit hin untersucht werden. In diesem Zusammenhang sind die Arbeiten von Opitz über „Anwendung von Kunststoffen im Getriebebau“ (1937) und „Festigkeit und Verschleiß von Zahnrädern aus geschichtetem Kunstharzpreßstoff “ (1939) zu erwähnen. Neben die Erforschung von Ersatzwerkzeugbaustoffen treten schon bald Untersuchungen zur Bearbeitung schwerzerspanbarer Materialien, des sogenannten „Panzermaterials“. Die Suche nach neuen Bearbeitungsverfahren führt u. a. zur Entwicklung der Heißbearbeitung. Ein Verfahren, das im Gegensatz zu vielen anderen Entwicklungen dieser Zeit auch nach Kriegsende noch von Bedeutung ist. Die Herstellung geschweißter Werkzeugmaschinen ist ebenfalls eine Folge der bestehenden Rohstoffknappheit: der große Bedarf an Maschinen lässt sich auf diese Weise in kürzerer Zeit und mit einem geringeren Materialverbrauch decken. In der MaschinenhalAbb. 7 Exkursionen um 1940 le wird die A5, die erste Drehbank mit geschweißtem Bett, hergestellt von der Magdeburger Werkzeugmaschinenfabrik, zu Versuchszwecken aufgestellt. Aus den angeführten Schwerpunkten ist zu erkennen, dass die Forschungsarbeiten des Instituts nach dem Grundsatz der Werkstoff- und Produktionszeitersparnis ausgerichtet sind. Finanzielle Kriterien sind insbesondere im Rahmen der nach 1936 verstärkt vorangetriebenen Aufrüstung zweitrangig. Entgegen der üblichen Forschungspraxis am WZL bestimmen nunmehr nicht der Kostenfaktor, sondern die kurzfristig verfügbare Mengenleistung die Entwicklung auf dem Gebiet der Fertigungstechnik und des Werkzeugmaschinenbaus.

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Um den Erfolg der ingenieurwissenschaftlichen Arbeit in keiner Weise zu behindern, sind die Mitglieder auf Anweisung von Opitz verpflichtet, sich innerhalb des Instituts politischer Äußerungen zu enthalten. Ein Erscheinen in Uniform ist den Mitarbeitern strikt untersagt.21

Abb. 8 Blick in die Werkzeugmaschinenhalle um 1937

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2.1 Zusammenarbeit in der Hochschulgruppe Fertigungstechnik (HGF) Im Jahre 1937 gründen die sieben Hochschulprofessoren Karl Gottwein, Otto Kienzle, Herwart Opitz, Ewald Sachsenberg, Heinrich Schallbroch, Friedrich Schwerd und Adolf Wallichs die Hochschulgruppe Betriebswissenschaft, aus der die heutige Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik (WGP) hervorgegangen ist. Die genannten Professoren der Lehrgebiete Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften treffen sich auf der Leipziger Frühjahrsmesse im Eingangsbereich der Halle 9 im dortigen Sitzungszimmer des Vereins Deutscher Werkzeugmaschinen-Fabriken (VDW) und beschließen, zukünftig enger zusammenzuarbeiten.22 Die Grundidee ist ein Gedankenaustausch zwischen den Instituten, der zur Förderung der wissenschaftlichen Arbeit des gemeinsamen Fachgebietes dienen sowie die Zusammenarbeit mit den Vertretern der Werkzeugmaschinenindustrie begünstigen soll. Es gilt, Forschungsprojekte aufeinander abzustimmen, um einerseits Überschneidungen zu vermeiden und andererseits verbleibende Lücken zu schließen. So gewährleistet die Hochschulgruppe eine sparsame und wirtschaftliche Anwendung der verfügbaren Forschungsmittel. Damit will man die Bedeutung der Fertigungstechnik stärker in das Bewusstsein

Abb. 9 Blick in die Halle 9 der Leipziger Messe in den 1930er Jahren

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der verantwortlichen Wirtschaftler und Politiker rücken.23 Das Forschungspotenzial der Hochschulen, das man in dieser Zeit hauptsächlich für wichtige Aufgaben insbesondere im Bereich der Werkzeugmaschinen und des Werkzeugmaschinenbaus verwendet, erfährt damit eine Stärkung und erstmalig eine Koordination.24 Weitere Hochschulprofessoren des Fachgebietes schließen sich dem Gremium unter dem Vorsitz von Wallichs an: Felix Eisele bzw. noch 1937 dessen Nachfolger Gotthold Pahlitzsch (Braunschweig), 1938 Heinz Kiekebusch (Danzig), 1938 Werner Osenberg (Dresden), Arthur Kessner (Karlsruhe) und Alfred Widmaier (Stuttgart).25 Zunächst finden die Jahrestreffen der Hochschulgruppe Betriebswissenschaft auf der Leipziger Frühjahrsmesse statt. Wallichs erinnert sich: „Alljährlich und zwar am Donnerstag der Leipziger Frühjahrsmesse, wird die notwendige persönliche Fühlungnahme und mündliche Aussprache in der bereits begonnenen Form fortgesetzt.“26 Nach Schließung der Messen trifft man sich 1942 in Berlin, 1943 in Weimar und 1944 in Passau. Erst 1948 wird das Gremium in Wiesbaden als Hochschulgruppe Fertigungstechnik (HGF) neu gegründet. Doch deckt der Begriff Fertigungstechnik – so merkt man in den kommenden Jahren – die bearbeiteten Forschungsgebiete der Hochschulgruppe nicht mehr vollständig ab. Anlässlich ihres 50-jährigen Bestehens wird die „Hochschulgruppe Fertigungstechnik“ unter dem Vorsitz von Walter Eversheim in die „Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik“ (WGP) umbenannt. Mit der WGP ist nun ein Organ geschaffen, das die Belange der Produktionstechnik im gesellschaftlichen und politischen Raum der Bundesrepublik Deutschland vertritt.27 3. Die Zeit des Wiederaufbaus (nach 1945) 3.1 Politische und wirtschaftliche Situation Nach der bedingungslosen Kapitulation Deutschlands im Mai 1945 übernehmen die alliierten Siegermächte die alleinige Staatsgewalt in Deutschland. Auf der Konferenz von Potsdam, die vom 17. Juli bis 2. August 1945 stattfindet, werden u. a. die Aufteilung Deutschlands in Besatzungszonen, die Kontrolle der Industrie sowie Reparationen und Demontagen deutscher Industrieanlagen beschlossen. Die Ziele der alliierten Besatzungspolitik sind damit klar umrissen: Demilitarisierung, Entnazifizierung und Wiedergutmachung. Langfristig gesehen ist damit aber auch eine wirtschaftliche Selbstversorgung der Besatzungszonen verbunden, was den Wiederaufbau der Wirtschaft und damit eine eigenständige Produktion in Deutschland zur Voraussetzung hat. Doch wie dies genau erfolgen soll, bleibt zunächst unklar. Frühere Pläne, wie den Morgenthau-Plan,28 gibt man zwar stillschweigend wieder auf, dennoch haben Morgenthaus Interventionen zunächst Konsequenzen für die alliierte Deutschlandpolitik. Die sich am Morgenthau-Plan orientierende Richtlinie JCS 1067 (Joint Chiefs of Staff document 1067) besagt, dass keine Maßnahmen zu ergreifen sind, die die wirtschaftliche Wiederaufrichtung Deutschlands und die Aufrechterhaltung oder Stärkung der deutschen Wirtschaft zum Ziel haben.29 Diese wirtschaftlichen Richtlinien fordern u. a. eine gravierende Verringerung des deutschen Wirtschaftspotenzials in Form von Demontagen ganzer Werkzeugmaschinenfabriken. Der Industrieplan vom März 1946

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kommt zwar in seiner ursprünglichen Form nicht zustande, sieht aber vor, das gesamte deutsche Industrieniveau wieder auf den Stand von 1936 herabzusetzen, und verbietet alle schweren Werkzeugmaschinen bestimmter Arten. In der Rubrik „Eingeschränkte Industriezweige“ legt man fest, dass in der Werkzeugmaschinenindustrie nur etwa 11 % der Kapazität von 1938 verbleiben darf. Umfangreiche Produktionseinschränkungen und -verbote sieht der Industrieplan ebenfalls vor. Die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen und politischen Entscheidungen der Besatzungsmächte bedeuten also nicht nur einen Abbau der noch vorhandenen Industrieanlagen, sondern auch eine Lähmung des gesamten Wiederaufbaus bzw. der technologischen Weiterentwicklung des Werkzeugmaschinenbaus in Deutschland.30 Der Wiederaufbau der Wirtschaft erfolgt in Ost- und Westdeutschland unter verschiedenen ökonomischen und gesellschaftspolitischen Bedingungen. Die industrielle Produktion in der britischen Zone kommt im Laufe des Sommers 1945 allmählich wieder in Gang. Das industrielle Produktionsvolumen liegt im September 1945 etwa bei 15 % von 1936 und nimmt stetig zu. Im verheerenden Winter 1946/47 bricht die deutsche Wirtschaft vollständig zusammen, was eine Hungersnot zur Folge hat.31 Erst mit dem Zusammenschluss der amerikanischen und britischen Zonen zur sogenannten Bizone am 1. Januar 1947 wird der westliche Teil Deutschlands zu einer wirtschaftlichen Einheit.32 Im Rahmen der Truman-Doktrin schlägt der amerikanische Außenminister George C. Marshall 1947 ein europäisches Wiederaufbauprogramm vor. Der sogenannte Marshall-Plan, der amerikanische Lieferungen von Rohstoffen, Waren und Kapital beinhaltet, die Währungsreform vom 20. Juni 1948 und die Angleichung an das liberale marktwirtschaftliche System beschleunigen die Rückkehr zu einem funktionierenden Wirtschaftsleben in Westdeutschland.33 3.2 Die Technische Hochschule Aachen unter britischer Besatzung Die Alliierte Kontrollkommission für Deutschland ist davon überzeugt, dass der Schlüssel zur Entnazifizierung Deutschlands in der Reorganisation des Bildungssystems liegt. Daher werden zunächst alle Schulen, Universitäten und Technischen Hochschulen geschlossen. Erst nach der Entnazifizierung des Personals und der Unterrichtsmaterialien soll eine Wiedereröffnung der Bildungsanstalten erfolgen. Ziel der britischen Besatzer ist es jedoch, noch im Jahre 1945 einige Hochschulen wieder für den Lehrbetrieb zu öffnen. Dabei legen die Besatzer großen Wert auf die politische Zuverlässigkeit der Rektoren. Nach Überprüfung seiner politischen Vergangenheit, betraut die Militärregierung am 23. August 1945 Paul Röntgen mit der Führung der laufenden Rektorats- und Verwaltungsgeschäfte der Technischen Hochschule Aachen. Zu seiner Unterstützung und Entlastung beschließt die Militärregierung, einen Dreierausschuss bestehend aus Röntgen, dem Aachener Oberbürgermeister Wilhelm Rombach und dem Dozenten Werner Geller einzusetzen. Dieser Dreierausschuss vertritt die Technische Hochschule bis zur ordentlichen Wahl eines Rektors.34 Zunächst müssen die bei den Bombenangriffen zerstörten Gebäude wiederaufgebaut werden. Fast 70 % der Gebäude sind ganz oder teilweise zerstört, besonders schlimm getroffen sind das Hauptgebäude, das Gebäude der Chemischen Technologie, das Werkzeugmaschinenlabor und das Bauingenieur-Laboratorium. Aber schon am

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3. Januar 1946 kann die Technische Hochschule unter britischer Besatzung feierlich wiedereröffnet werden.35 Zwar nehmen im Januar lediglich die Abteilungen für Architektur und Bergbau den Studienbetrieb auf, doch schon zum Sommersemester 1946 können sich wieder Studenten aller Fachrichtungen in Aachen einschreiben.36 Am 26. April 1946 erlässt der Alliierte Kontrollrat das Gesetz Nr. 25 zur Überwachung der wissenschaftlichen Forschung in Westdeutschland. Forschungen, die direkt oder indirekt zu militärischen Zwecken verwendet werden können, sind generell verboten.

Abb. 10 Das zerstörte Hauptgebäude der RWTH Aachen Ende der 1940er Jahre

Grundsätzlich unterliegt der Kontrolle jede Forschung auf dem Gebiet der Naturwissenschaften, der Mathematik und der Technik, insbesondere wenn sie technologischen und industriellen Zwecken dient. Solche Forschung darf nur in Einrichtungen betrieben werden, die vom zuständigen Zonenbefehlshaber genehmigt sind. Sie sind zur regelmäßigen Berichterstattung ihrer Tätigkeiten verpflichtet, und das technische und wissenschaftliche Personal sowie die Ausstattung des Instituts werden ebenfalls regelmäßig kontrolliert.37 Im Oktober 1946 kommt Arthur W. J. Edwards als University Education Control Officer (UECO) nach Aachen. In seiner Funktion als Kontrolloffizier ist er dem Rektor und dem Senat der Hochschule vorgesetzt und hat die Aufgabe, die Demokratie in der Hochschule zu fördern.38 Das Wort Demokratie, schreibt Edwards, ist vieldeutig: „Was ich an der Hochschule vorfand, war eine Demokratie einer Notgemeinschaft. Professoren brachen während der Vorlesung vor Hunger und Kälte zusammen und kehrten

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am nächsten Tag wieder zur Arbeit zurück. (…) Hochschulangehörige leisteten schwere Arbeit beim Wiederaufbau der Gebäude. Ein Bautrupp von Bewerbern um Zulassung wurde gebildet, die ein Semester lang Bauarbeiten leisteten, wofür sie die Zusicherung erhielten, im nächsten Semester zugelassen zu werden.“39 Rückblickend beschreibt Edwards die Zeit von Oktober 1946 bis November 1948, die er in Aachen verbringt, als eine schwere Zeit, in der die Hochschule mehr geleistet habe, als nur zu überleben.40 Von der Seite der Hochschule, insbesondere von Rektor Röntgen, wird Edwards mehr als Freund und Helfer, denn als Kontrolloffizier betrachtet. Mit seiner Hilfe gelingt es auch, Ende 1947 die erste internationale Konferenz von Technikern in Aachen zu organisieren. Die Initiative kommt von Eugen Piwowarsky, der das vor dem Krieg alljährlich stattfindende Kolloquium zum Gießereiwesen wieder aufleben lassen möchte. Da diese Veranstaltung bei den britischen Kollegen erfahrungsgemäß sehr beliebt gewesen ist, folgen sie der von Edwards unterstützten Einladung nach Aachen gern. Ein weiteres internationales Ereignis findet im August 1948 ebenfalls in Aachen statt. Ein zweiwöchiger Sommerkurs widmet sich dem Thema „Zur Verteidigung der Technik“. Die Dozenten kommen aus London, Dundee und Aachen. Joseph Mathieu, als Vertreter des WZL, liest über „Gegenwartsprobleme in der industriellen Organisation“.41 Neben den Engländern nehmen auch Belgier an dem Sommerkurs teil. Damit sind erste Schritte aus der „geistigen Isolierung“42 getan. 3.3 Der Wiederaufbau des Instituts Wann genau mit der Rückführung der Einrichtung des WZL begonnen wird, lässt sich heute nicht mehr nachvollziehen. Das Laboratorium in der Wüllnerstraße ist eines der Gebäude, das völlig zerstört ist. Ehe man dort an Lehr- und Forschungsarbeit denken kann, muss erst einmal der Wiederaufbau der notwendigen Räumlichkeiten erfolgen. Einige Mitarbeiter, darunter Opitz, Krekeler und Starck, treffen sich in der Wüllnerstraße wieder. Von Krekeler kommt die Idee, sich das für die Instandsetzungsarbeiten notwendige Material durch ein einfallsreiches Tauschgeschäft zu verschaffen. Im Institut hergestellte Rapsmühlen werden gegen Rapsöl eingetauscht, das dann wiederum zum Tauschmittel für Dachbleche und ähnliche Materialen wird. „Ein etwas umständliches, aber im Endeffekt sehr wirkungsvolles Verfahren“, erinnert sich Starck.43 Im Frühjahr 1947 kann die Arbeit im Institut wieder aufgenommen werden. Die Räumlichkeiten sind soweit wieder hergestellt und mit Einrichtungen ausgestattet, so dass Experimentaluntersuchungen durchgeführt werden können. Die Zahl der Mitarbeiter ist mittlerweile auf

Abb. 11 Der mühselige Wiederaufbau nach der Totalzerstörung des WZL

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etwa 30 angewachsen, die der Studenten in der gesamten Fakultät für Maschinenwesen immerhin auf 138. Das erste Vorlesungsverzeichnis zum Wintersemester 1946/47 zeigt eine Art Minimalprogramm. Vorgesehen sind zweistündige Vorlesungen und Übungen zu den Themen Werkzeugmaschinen und Fabrikationstechnik von Opitz, über spanabhebende Metallbearbeitung spricht Krekeler und zu den Grundzügen der Arbeitswissenschaft referiert Mathieu.44 Opitz kann seine Lehrtätigkeit erst im Jahr 1948 wiederaufnehmen. Wegen seiner Mitgliedschaft in der NSDAP, der SA und der Funktion des stellvertretenden Dozentenbundführers, die Opitz zeitweise innehatte, erhält Opitz am 1. April 1946 die Nichtbestätigung als Professor an der Technischen Hochschule Aachen sowie seine Entlassung aus dem Lehramt durch die Militärregierung. Nach dem Einspruch wird dieser Bescheid allerdings revidiert, wonach Opitz am 3. März 1948 wieder seine Professur aufnehmen kann. Die Abwesenheit von Opitz als Leiter des WZL hat allerdings nur ein halbes Jahr betragen. In dieser Zeit leitet Opitz sein Institut von seiner Privatwohnung aus.45 4. Aktivitäten im WZL (nach 1945) Das Ende der 1940er Jahre lässt sich als eine Zeit der Neu- bzw. Umorientierung beschreiben. Es werden wirtschaftliche Aufbauarbeiten in Form des Marshall-Plans geleistet, mit der Währungsreform 1948 setzt das sogenannte deutsche Wirtschaftswunder ein. Die westdeutsche Wirtschaft stabilisiert sich, doch finden immer noch Demontagen ganzer Werkzeugmaschinenfabriken statt, die erst 1951 endgültig eingestellt werden. Der Wiederbeginn wissenschaftlicher Betätigung ist zunächst nicht nur von materiellen Schwierigkeiten geprägt, da Gebäude, Einrichtungen und Geräte zerstört sind. Auch die von der Militärregierung auferlegten Kontrollgesetze erschweren die Forschungssituation. Zwar werden die bestehenden Gesetze schon im September 1949 gelockert, doch unterliegt die Forschungslandschaft immer noch einem dichten Netz von Verboten und Kontrollen, und die angedrohten Sanktionen gegen Verstöße sind hart.46 Angesichts des Arbeitermangels und der gesellschaftlichen Not gibt es einen großen Bedarf an einer schnelleren und effektiveren Produktion. Die Mittel für innovative Forschungen werden jedoch von den Alliierten stark beschränkt. Vertreter aus industriellen und ingenieurwissenschaftlichen Kreisen Deutschlands stellen sich nun besorgt die Frage, wie Innovation und Wiederaufbau im Werkzeugmaschinenbau angesichts dieser widersprüchlichen Lage aussehen kann. Auch in Aachen fragt man sich, wie die Gratwanderung zu schaffen sein soll, den deutschen Werkzeugmaschinenbau wieder aufzubauen, ohne dabei die Auflagen der Besatzungsmächte zu verletzen. 4.1 Das Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium (1948) Etwa zwei Jahre nach Kriegsende hat Opitz die Idee, ein jährliches Kolloquium zum Thema Werkzeugmaschinenbau einzurichten. Sein damaliger Mitarbeiter Hans Starck erinnert sich an eine Fahrt zur Firma Stenzel nach Wiesbaden im Jahre 1947. Dort habe man sich gemeinsam über die weitere Entwicklung der Werkzeugmaschinen und der

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Fertigungstechnik sowie über die entstehenden Probleme bezüglich der alliierten Auflagen beraten. Dabei sei auch die Idee zur Einrichtung eines Werkzeugmaschinenkolloquiums an der Technischen Hochschule Aachen entstanden.47 Über die genaue Planung, Gestaltung sowie die Inhalte des ersten Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquiums (AWK), welches im Juni 1948 stattfindet, gibt es nur wenige und zum Teil widersprüchliche Unterlagen. Es ist anzunehmen, dass um die 100 Personen teilgenommen haben: Mitarbeiter von Opitz, u. a. Kollegen von anderen Technischen Hochschulen und aus der Industrie. Im Vordergrund der Diskussionen stand sicherlich die Entwicklung des Werkzeugmaschinenbaus unter den aktuellen Bedingungen. Am 26. Juli 1949 veranstaltet der Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre – auf vielfache Anregung der Industrie – das 2. AWK zum Thema „Die Entwicklung des Werkzeugmaschinenbaus im Abb. 12 Die Leitung des AWK 1953 Ausland.“48 Die deutsche Werkzeugmaschinenindustrie verfolgt mit größtem Interesse die Entwicklung in anderen Ländern. Besondere Aufmerksamkeit schenkt man den zu der Zeit führenden Ländern Amerika und Schweiz. Neben Dr. Stenzel aus Wiesbaden, der über die Konstruktionstendenzen in der amerikanischen Werkzeugmaschinenindustrie berichtet, spricht auch Direktor Abt von der Firma Maag aus Zürich. In seinem Vortrag geht es um die Fortschritte der Maschinen und der Messgeräte für die Abb. 13 Vorführungen in der Aula des Zahnradfertigung. Der dritte RedHauptgebäudes 1953 ner, Direktor Ruggaber von der Firma SIP aus Genf, gibt einen Einblick in den Aufbau und die Messmethoden der Lehrenbohrwerke. Bemerkenswert ist die Tatsache, dass es Opitz – vier Jahre nach Kriegsende – gelingt, mindestens zwei Schweizer für ein deutsches Kolloquium über den Werkzeugmaschinenbau zu interessieren und diese als Redner nach Aachen zu holen, wo sie über neue Schweizer Kon-

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struktionen im Werkzeugmaschinenbau berichten. Im folgenden Jahr, Anfang Juni 1950, referieren namhafte Fachleute aus der Industrie und der Hochschule über den deutschen Werkzeugmaschinenbau auf dem 3. AWK in Aachen.49 Carl Waninger, Professor in Hannover, berichtet über seine Erfahrungen in Konstruktion und Fertigung und weist besonders auf die Dringlichkeit einer guten Ausbildung zukünftiger Konstrukteure hin. Direktor Irtenkauf aus Göppingen spricht über das Drehen und seine Bedeutung für die Fertigungstechnik. Die insgesamt 12 Vorträge stoßen auf großes Interesse und tragen offensichtlich dazu bei, die Verbindung zwischen Industrie und Hochschule zukünftig noch enger zu gestalten. Das AWK soll eine Brücke zwischen Forschung und Praxis darstellen. Opitz bemüht sich um eine positive Vermittlung der Forschungen am WZL, gemeint ist ein regelrechter Rechenschaftsbericht über die Forschungstätigkeit des Hochschulinstituts. Diese „Leistungsschau des WZL“ soll das Interesse der klein- und mittelständischen Werkzeugmaschinenfirmen wecken, die keine eigene Forschung betreiben können.50 Das Kolloquium kann für beide Seiten von Vorteil sein. Einerseits werden die Erfahrungen und Erwartungen der Praxis in die Hochschulen gebracht und andererseits können die Forschungsergebnisse direkt im Industriebetrieb eingesetzt werden. Zunächst befürchten einige Firmeninhaber, dass die Konkurrenzfähigkeit der Unternehmen durch einen solchen Informationsaustausch gefährdet ist. Doch diese anfängliche Skepsis kann Opitz angesichts des hohen Nutzens für die Praxis schnell ausräumen. Das Kolloquium in Aachen entwickelt sich zu einer Institution. Über die Frequenz wird allerdings heftig diskutiert. Das jährlich stattfindende Kolloquium in Aachen steht in starker Konkurrenz zum Forschungskolloquium Maschinenbau (FoKoMa), das Felix Eisele in München organisiert.51 Schließlich einigt man sich darauf, das AWK im jährlichen Wechsel zum FoKoMa durchzuführen. So ändert sich der Turnus nach 1954 und das 8. AWK findet zum Thema „Entwicklung im Werkzeugmaschinenbau“ 1956 in Aachen statt. Mit der Einrichtung des Automatisierungskolloquiums Anfang der 1960er Jahre in Stuttgart, dem Vorläufer des heutigen „Fertigungstechnischen Kolloquiums“ (FTK), pendelt sich ab 1962 der heute noch beibehaltene Rhythmus ein: Das AWK findet seit 1965 alle drei Jahre in Aachen statt. 4.2 Die Forschung im WZL (1950er / 1960er / 1970er Jahre) Zu den Lehr- und Forschungsaufgaben gehören nach wie vor die beiden Forschungsthemen Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinenbau. Zum Gebiet der Fertigungstechnik zählen die Untersuchungen der verschiedenen spanabhebenden Bearbeitungsvorgänge und seit den 1950/60er Jahren die neuartigen Verfahren der elektrochemischen und elektroerosiven Bearbeitung. Das Gebiet der Werkzeugmaschinen beinhaltet konstruktive Entwicklung, Untersuchungen der statischen und dynamischen Eigenschaften sowie Genauigkeit der Werkzeugmaschinen. Daneben werden einzelne Elemente der Maschinen, wie Spindeln, Lagerungen, Kupplungen und Antriebe, systematisch untersucht. Schon 1956 werden drei Oberingenieure eingesetzt: Rolf Piekenbrink (Werkzeugmaschinen), Gotthold Koscholke (Technologische Verfahren) und Hans-Günther Rohs (Personalfragen, Elektrische Antriebe und Steuerungen, Betriebsorganisation).52

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Abb. 14 Das 10. AWK 1960 im Auditorium Maximum der TH Aachen. Zuhörer im Großen Hörsaal und Informationsstände für die Teilnehmer

Das WZL beschäftigt sich in den folgenden Jahren auch mit Fragen der Wirtschaftlichkeit von Fertigungsverfahren und Werkzeugmaschinen, die eine intensive Auseinandersetzung mit den Themen Betriebsorganisation und Betriebswirtschaft bedingen. Ziel der Untersuchungen sind die Anpassung der Werkzeugmaschinen an die Fertigungsaufgaben und die Erarbeitung von Rationalisierungsmaßnahmen. Auch die Steuer- und Regeltechnik wird Anfang der 1960er Jahre zu einem neuen Arbeitsgebiet

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am WZL.53 Entsprechend der Entwicklung dieser vier Aufgabengebiete Betriebsorganisation, Untersuchung der Bearbeitungsverfahren, Konstruktive Gestaltung von Werkzeugmaschinen und Automatisierung von Werkzeugmaschinen richtet Opitz vier Oberingenieurstellen ein.54 1963 sind es Jobst Herrmann (Betriebsorganisation), Hans Obrig (Bearbeitungsverfahren), Werner Kalkert (Werkzeugmaschinen) und Wolfgang Backé (Automatisierung). Damit können alle Aufgaben, die in einem Produktionsunternehmen auftreten, im WZL bearbeitet werden: das Motto „Alles unter einem Dach“ ist formuliert. Der Oberingenieur des Gebietes Betriebsorganisation ist auch für die Verwaltung und Organisation des Instituts verantwortlich. Dazu gehören alle Dienstleistungsbereiche wie das Technische Büro, in dem Konstruktionen und Zeichnungen für Neuentwicklungen angefertigt werden, die Versuchswerkstatt, in der etwa 50 Mitarbeiter beschäftigt sind, und auch die Bibliothek. Die Aufgaben der anderen Oberingenieure sind auf die Forschungsarbeiten in ihren Fachgebieten ausgerichtet.55 4.2.1 Forschung auf dem Gebiet der spanenden und abtragenden Verfahren Der Zerspanungsforschung fällt im Rahmen der Fertigungstechnik die Aufgabe zu, Grundlagen zu schaffen, die es dem Industriebetrieb ermöglichen, die anfallenden Bearbeitungsprobleme durch die Wahl geeigneter Verfahren, Werkzeuge und Arbeitsbedingungen wirtschaftlich optimal zu lösen. Diese Aufgabenstellung und die sich daraus ergebende enge Verbindung zwischen Forschung und Praxis bedingt in erster Linie die Anwendung empirischer Untersuchungsmethoden. Darüber hinaus werden Versuche unternommen, den Zerspanungsvorgang auch theoretisch zu erfassen.56 Mit den Untersuchungen der verschiedenen Bearbeitungstechnologien beginnen die Assistenten Anfang der 1950er Jahre. Auf dem 4. AWK Abb. 15 Bauliche Erweiterungen von 1951 werden bereits erste Untersuchungsdes WZL in den 1950er Jahren ergebnisse der spanabhebenden Metallbearbeitung vorgestellt.57 Auf der Suche nach neuen Schneidstoffen wenden sich die Wissenschaftler am WZL keramischen Werkstoffen zu. Hervorzuheben sind die ausführlichen Arbeiten über den Mechanismus der Spanbildung unter Berücksichtigung des Verschleißproblems. Auf dem 5. AWK von 1952 ist dies eines der wichtigsten Themen.58 Im Januar 1959 lädt Opitz zur Internationalen Zerspanungstagung nach Aachen ein, an der etwa 30 Wissenschaftler aus dem Inund Ausland teilnehmen. Es kommt zu regen Diskussionen, die das große Interesse an dem Forschungsgebiet widerspiegeln.59

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Die Forschungen Ende der 1950er Jahre bringen die Erkenntnis, dass chemische und elektrochemische Vorgänge von bis dahin noch unbekannter Art den Verschleiß beeinflussen. Opitz schafft am WZL das neue Arbeitsfeld der metallurgischen Untersuchungen, deren Ergebnisse die Fertigungstechnik auf diesem Gebiet in entscheidendem

Abb. 16 Opitz bei der Internationalen Zerspanforschungstagung 1959 in Aachen

Maße voranbringt. Mit der Verbesserung der Messtechnik wird es nun möglich, exaktere Aussagen über Verschleißmechanismen zu machen. Opitz richtet 1957 einen klimatisierten Messraum ein, in dem Wissenschaftler mit einem Elektronenmikroskop, einer Elektromikrosonde und einem Röntgengerät zu neuen Erkenntnissen gelangen. Anfang der 1950er Jahre beschäftigt man sich am WZL mit einem völlig neuartigen Fertigungsverfahren: mit der Funkenerosion. Die erste Maschine, in der das physikalische Prinzip des funkenerosiven Abtragens realisiert wird, ist die von Opitz und seinem Mitarbeiter Heinrich Axer selbst entwickelte und gebaute Funkenerosionsmaschine namens „WZL 54“.60 Mit der Funkenerosion können erstmalig komplizierte Raumformen in sehr harte Werkstoffe wie gehärtete Stähle und Hartmetalle eingebracht werden. Dieses Forschungsgebiet fasziniert Opitz und er trifft sich regelmäßig mit Vertretern deutscher Firmen, die Funkenerosionsmaschinen herstellen. Die Zusammenarbeit mit der Industrie, der laufende Erfahrungsaustausch und die vielen Untersuchun-

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Abb. 17-19 Einblicke in die Werkzeugmaschinenhalle und den Feinmessraum in den 1950er Jahren

gen lassen die Funkenerosion zu einem festen Forschungsgebiet am WZL werden. Auch im Bereich des elektrochemischen Bearbeitens erkennt Opitz neuartige Einsatzmöglichkeiten. Mitte der 1960er Jahre werden am WZL zwei Verfahren entwickelt: das elektrochemische Honen und das elektrochemische Schleifen.61 Das Schleifen als spanabhebendes Bearbeitungsverfahren bei metallischen Werkstoffen wird am WZL ebenfalls zum Forschungsschwerpunkt. Man beschäftigt sich intensiv mit den neuen Verfahrensvarianten Hochgeschwindigkeits- und Tiefschleifen. Besonders das Hochgeschwindigkeitsschleifen, das in den 1960er Jahren am Institut Gegenstand der Forschung wird, betrachten Opitz und sein Mitarbeiter Wilfried König als eine neue Herausforderung.62 Im Mai 1970 findet am WZL erstmals eine Arbeitstagung zum Thema „Spanende und elektrisch abtragende Bearbeitung (ECM, EDM) von hochwarmfesten Werkstoffen“ statt. Ziel ist es, den Forschungsbedarf interessierter Firmen zu ermitteln, die Kompetenz des Instituts vorzustellen und über Kooperations- und Finanzierungsmodelle zu diskutieren. Diese Tagung ist die Geburtsstunde des „Arbeitskreises zur Bearbeitung schwerzerspanbarer Werkstoffe“. Die formale Gründung erfolgt zum 1. Januar 1971. Dem Arbeitskreis gehören Firmen aus dem Flugzeug- und Triebwerksbau, Werkzeughersteller, Schleifscheibenhersteller, Kühlschmierstoffproduzenten, Hersteller von Funkenerosionsanlagen und Unternehmen aus der Zulieferindustrie an. Mit einem Kern von zunächst acht Firmen werden gemeinsam interessierende, anwendungsorientierte Forschungsthemen definiert und am WZL bearbeitet. 1978 entsteht aus die-

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ser Gruppe der „Technologie-Arbeitskreis“. Die Forschungsfelder erweitern sich auf Stahlund Gusswerkstoffe, Leichtmetalle und Verbundwerkstoffe. Dieser Arbeitskreis ist mit Stand 2004 auf 23 Unternehmen angewachsen. Die zunehmende Spezialisierung in den einzelnen Technologien führt 1986 zur Gründung des Arbeitskreises „Elektroerosive Bearbeitung“ und 2003 zur Gründung des Arbeitskreises „Schleiftechnik“.

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Das im Technologie-Arbeitskreis über lange Jahre gewachsene offene Kooperationsmodell vorwettbewerblicher Anwendungsforschung prägt heute die Zusammenarbeit in allen drei Arbeitskreisen. 4.2.2 Werkzeugmaschinen und Werkzeugmaschinenelemente Die Weiterentwicklung fertigungstechnischer Verfahren beeinflusst in entscheidendem Maße die Entwicklung der Werkzeugmaschine. Die höhere Temperatur-Verschleißfestigkeit der Werkzeuge erlaubt eine Steigerung der Bearbeitungsgeschwindigkeit und bedingt eine höhere Antriebsleistung; so muss zugleich auch eine Verbesserung der Bauelemente der Werkzeugmaschine erfolgen. Die wichtigsten Komponenten der Werkzeugmaschine, derer man sich am WZL annimmt, sind die Hauptarbeitsspindeln, die Führungen, Antriebe und Getriebe sowie die Vorschubantriebe. Ziel ist es, die statische und dynamische Steifigkeit bei hoher geometrischer Genauigkeit zu verbessern. Auf diesen Gebieten arbeiten viele Assistenten, wobei die Bedeutung des Themas bis heute nicht nachgelassen hat. Dazu beginnen die Assistenten eine Versuchsreihe zur Ermittlung der einzelnen Einflüsse auf die Verformung an Werkzeugmaschinen bzw. deren Elemente. Intensiv beschäftigt man sich am Institut mit dem Schwingungsverhalten, da sich zeigt, dass die Schwingungen der Maschine die Genauigkeit der Werkstücke sowie die Standzeit der Werkzeuge beinträchtigen. Erste Ergebnisse werden schon auf dem 6. AWK von 1953 präsentiert.63

Abb. 20 Gruppenbild der WZL-Werkstatt 1952 auf der alten Schiess-Drehbank

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4.2.3 Beginn der Getriebeforschung Mitte der 1950er Jahre wendet sich Opitz einem neuen Forschungsgebiet zu: der Herstellung und Wirkungsweise von Zahnrädern innerhalb eines Getriebes. Das Forschungsgebiet Zahnrad wird bis dahin allein von Gustav Niemann an der Technischen Hochschule in München untersucht. Doch Opitz will die Eigenschaften eines Zahnrades und seiner Wirkungsweise im Getriebe erforschen und entwickelt dafür spezielle Messgeräte. Mit diesen Untersuchungen an Zahnradgetrieben und Verzahnmaschinen soll der Einfluss der Fertigungsgenauigkeit auf das Laufverhalten von Zahnradgetrieben ermittelt werden. Dabei wird das Laufverhalten speziell im Hinblick auf Genauigkeit der Drehübertragung, das Laufgeräusch sowie auf die Lebensdauer beurteilt. Das gesamte am WZL durchgeführte Forschungsprogramm beinhaltet zunächst folgende Teilgebiete: Messungen der kinematischen Genauigkeit von Verzahnmaschinen, Einflankenwälzprüfung an Zahnrädern und Getrieben, Untersuchungen der Tragfähigkeit von Stirnrädern, Geräuschmessungen an Getrieben sowie Untersuchungen von Zahnradbearbeitungsverfahren. Der Forschungsbedarf ist groß, und so gründet Opitz 1956 zusammen mit Vertretern der Industrie den WZL-Getriebekreis, der sich zum Ziel setzt, die Verzahnungs- und Getriebetechnik voranzutreiben. Die seit 1959 jährlich stattfindende Getriebetagung ist für den WZL-Getriebekreis eine fest installierte Plattform für einen regen Erfahrungsaustausch und ein enges Zusammenwirken. Auf dieser Tagung werden den Mitgliedsfirmen die neuesten Erkenntnisse aus dem Bereich der Getriebetechnik von den Mitarbeitern der WZL-Getriebeabteilung vorgestellt. Da von der Getriebeabteilung fertigungstechnische und konstruktive Fragestellungen bearbeitet werden, gehört diese Forschungsgruppe, die von einem Oberingenieur geführt wird, sowohl zum heutigen Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren als auch zum heutigen Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen. Obwohl dies jeder Organisationslehre widerspricht, wird es am WZL seit mehr als 30 Jahren erfolgreich praktiziert. Gründe dafür dürften die große Kooperationsbereitschaft über die Lehrstuhlgrenzen hinweg sein sowie das erklärte Ziel, allein den Forschungsgegenstand in den Fokus zu stellen.64 4.2.4 Betriebsorganisation Ende der 1950er Jahre kommt es in den Unternehmen zu einer Verschiebung im Tätigkeitsbereich des Arbeiters. Die Tendenz bewegt sich von einer bisherigen manuellen Tätigkeit zu einer planenden, überwachenden oder eine Maschine steuernden Funktion des Arbeiters. Auf diese Entwicklung reagiert Opitz mit der Ausweitung des betriebsorganisatorischen Aufgabenbereiches. Mitarbeiter des Instituts beraten Firmen aus unterschiedlichen Branchen bezüglich einer optimalen Arbeitsplanung und Arbeitsgestaltung. In der mechanisierten Fertigung bestimmen die eingesetzten Werkzeugmaschinen über die wirtschaftliche Losgröße die Stückfertigungskosten. Daher hat die Zuordnung von Werkstück und Werkzeugmaschine entscheidende Bedeutung für alle Rationalisierungsmaßnahmen. In der Massenfertigung ist es möglich, für jedes Einzelteil ein genaues Profil der Anforderungen an die Werkzeugmaschine zu erhalten. In der Einzelfertigung ist ein solches Profil jedoch wegen der Vielfalt und dauernden Änderung

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der Werkstücke nicht zu ermitteln. Deshalb entwickelt Opitz 1957 ein statistisches Verfahren, um mit Hilfe von Lochkarten Werkstückmerkmale zu erfassen, um einen repräsentativen Querschnitt der Fertigungsaufgaben in der Einzel- und Kleinserienfertigung ermitteln zu können. Ein Formenschlüssel, der zusätzlich zu den Werkstückmerkmalen in die Lochkarten aufgenommen wird, erleichtert die Suche nach gleichen und ähnlichen Teilen bereits in der Konstruktion und die Bildung von Teilefamilien für die Fertigung.65 4.2.5 Automatisierung Im Zuge der allgemeinen Bestrebungen, die Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit der Werkzeugmaschinen zu erhöhen, wendet sich Opitz Anfang der 1950er Jahre dem Thema Hydraulik zu.66 Am WZL werden Grundlagen, Bauelemente und verschiedene Steuerungssysteme in ihrem Verhalten in Steuer- und Regelkreisen untersucht. Diese Untersuchungen erfolgen an hydraulischen und elektrischen Nachformsystemen, elektro-hydraulischen und elektro-mechanischen Stellgliedern für Folge- und Lagerregelung sowie Messund Steuersystemen von unterschiedlichen Werkzeugmaschinen. Die Abgrenzung der Aufgabenbereiche bei der Verbindung von Elektrik und Hydraulik wird mit dem vielzitierten Motto „Elektrisch der Nerv – hydraulisch der Muskel“ verdeutlicht. Während die Elektrik für die Verteilung und Lenkung der zahlreichen Informationen und Signale in den unterschiedlichsten Formen zuständig ist, stellt die Hydraulik ihren besonderen Eigenschaften entsprechend das ausführende Organ dar. Die Mitarbeiter des WZL berichten über ihre Ergebnisse auf dem 6. AWK von 1953.67 Die ersten numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen (NC-Maschinen) werden Anfang der 1950er Jahre am Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, USA, entwickelt. Wie der Vortrag von Milton C. Shaw, Professor am MIT und 1957 Gastprofessor am WZL, auf dem AWK 1956 zeigt, befasst sich die deutsche Industrie noch gar nicht mit diesem Thema.68 Die amerikanische NC-Entwicklung wird von Opitz aufgegriffen. Schon 1952 schickt er seinen Mitarbeiter Helmut Hucks auf eine Studienreise zum MIT, um dort die erste NC-Maschine kennenzulernen. Wie so oft erkennt Opitz diese innovative Entwicklung schon sehr frühzeitig und setzt sie praktisch um. Sein erstes Modell einer NC-Maschine zeigt Opitz bei der Feinbearbeitungstagung im Aachener Audimax 1955, die er in den zweijährigen AWK-Turnus einschiebt. Im Unterschied zu früheren Jahren ist Opitz dazu übergegangen, neue Ideen erst in Eigenarbeit auf ihre Umsetzung und WirkAbb. 21 Der amerikanische samkeit hin zu untersuchen, bevor er sich nach GeldProfessor Milton C. Shaw ist gebern aus der Industrie umsieht.69 Dies beweist seine 1957 Gastprofessor am WZL außergewöhnliche Eigeninitiative.

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Einige Jahre später, 1967 auf der Hannover-Messe, präsentieren viele deutsche Hersteller numerisch gesteuerte Maschinen. Der Trend setzt sich in Deutschland durch, da sich die NC-Technik in der Kleinserienfertigung als besonders anpassungsfähig und wirtschaftlich erweist.70 Die NC-Steuerungen sind Handwareschaltungen in diskreter Bautechnik. Ende der 1960er Jahre werden am WZL die ersten NC-Steuerungen mit Hilfe eines Kleinrechners der Aachener Firma Krantz verwirklicht. Walter Ameling, Professor an der elektrotechnischen Fakultät der Technischen Hochschule, hat diesen Prozessrechner entwickelt. Diese erste Rechnersteuerung sorgt für großes Aufsehen in der Öffentlichkeit. Die Automatisierung der Werkzeugmaschinen hat durch die allmähliche Verbreitung der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen Anfang der 1960er Jahre in Deutschland viele neue Impulse erhalten. Es fehlt jedoch an Programmierhilfen zur Erstellung der Werkstückprogramme. So stellt beispielsweise die Entwicklung von EXAPT einen wesentlichen Schritt in der Automatisierung von Programmierungsarbeiten dar – ein herausragendes Ergebnis der HGF-Gemeinschaftsarbeit.71 In diesem Gemeinschaftsprojekt entwickeln die vier Professoren Wilhelm Simon (Berlin), Günter Spur (Berlin), Gottfried Stute (Stuttgart) und Herwart Opitz, aufbauend auf dem amerikanischen Programmiersystem APT (Automatically Programmed Tools), die deutsche Programmiersprache und das Programmiersystem EXAPT (Extended Subset of APT). Während mit APT die geometrischen Formen beschrieben werden, bezieht EXAPT auch technologische Angaben zur Bearbeitung von Werkstücken mit ein. Die 1964/65 begonnene Entwicklung wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziell unterstützt. Zunächst erfolgt die Forschungsarbeit nur an den Hochschulen und wird ab 1967 in Form des EXAPT-Vereins in Frankfurt weitergeführt. Der Verein, der als erstes Spin-off-Unternehmen des WZL zu betrachten ist und seinen Sitz in Aachen hat, macht es sich zur Aufgabe, die Forschungs- und Entwicklungsergebnisse des EXAPT-Systems nach Auslaufen der öffentlichen Förderung zu übernehmen und möglichst schnell in die betriebliche Praxis umzusetzen.72 Im April 1970 findet die erste internationale EXAPT-Tagung mit Vorträgen aus den Arbeitskreisen statt. Sehr schnell entwickeln sich die NC-Maschinen zu Bearbeitungszentren mit automatisiertem Werkzeug- und Werkstückwechsel. Ein weiterer Schritt der Automation ist die Verkettung von solchen Bearbeitungszentren in Flexiblen Fertigungssystemen (FFS), wobei die Werkstücke von einer Anlage zur nächsten durch ein rechnergesteuertes Transportsystem, sei es in Form von Transportbändern, von Flurtransportfahrzeugen oder durch Überflursysteme, transportiert werden. Die Gesamtanlagen gleichen prinzipiell den Transferstraßen, diese sind jedoch starr verkettet und für die Großserienfertigung ausgelegt. Die FFS dagegen sind aufgrund ihrer hohen Flexibilität auch für kleine Losgrößen wirtschaftlich einzusetzen. Die Anlagen werden von einem zentralen Leitrechner gesteuert. Die große Komplexität der Maschinen und auch der Software auf dem Leitrechner machen die Anlagen jedoch sehr störanfällig. Die ersten Anlagen, die die Weltöffentlichkeit zu sehen bekommt, werden in den USA, in England und Japan gebaut. Die erste Anlage in Deutschland entwickelt die Fir-

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ma Hüller mit der Firma Heidelberger Druckmaschinen zur Bearbeitung der Druckmaschinenseitenwangen. Nach anfänglicher Begeisterung und den Versuchen in der Praxis und an Forschungsinstituten erfolgt eine dramatische Ernüchterung, die in der Erkenntnis mündet, dass durch die Störanfälligkeit und schlechte Auslastung der Gesamtanlagen ein wirtschaftlicher Einsatz der teuren Investitionen nicht erreicht werden kann. Heute beherrscht man diese Technik wesentlich besser, so dass FFS für einige Anwendungsbereiche, wie z. B. im Werkzeugmaschinen- und Flugzeugbau, eine sinnvolle Lösung darstellen. Eine wichtige Voraussetzung zur Anbindung der NC-Bearbeitungszentren in den FFS an den zentralen Leitrechnern sind die DNC-Systeme (Direct Numerical Control). Der Leitrechner startet die NC-Maschine sowie die Transportsysteme für Werkstücke und eventuell Werkzeuge und versorgt sie mit Steuerdaten. In der Entwicklung der DNC-Technik engagiert sich das WZL auch sehr erfolgreich, wobei der sichere Datentransfer zwischen den Anlagen große Probleme bereitet – eine Thematik, die heute sicher gelöst ist und keine Rolle mehr spielt. Ende der 1960er Jahre wird das erste DNC-System auf dem 13. AWK der Öffentlichkeit vorgestellt werden. Aber auch die NC-Steuerungen, denen man immer mehr Aufgaben zumutet, sollen in ihrer Leistungsfähigkeit verbessert werden. Die Idee besteht darin, die umfangreichen Aufgaben auf mehrere Prozessoren zu verteilen. Es entsteht ein umfangreiches und langjähriges Projekt unter dem Namen MPST (Mehrprozessorsteuerung), an dem das WZL und das Stuttgarter ISW unter Leitung von Gottfried Stute und viele Firmen, wie u. a. Gildemeister, Liebherr, Siemens und Bosch, aktiv beteiligt sind. Mit diesem vom Bundesministerium für Forschung und Technologie (BMFT) geförderten Projekt werden die Grundlagen der heutigen NC-Steuerungen erarbeitet. Eine andere Thematik, die die Werkzeugmaschinenwelt Ende der 1960er Jahre und Anfang der 1970er Jahre beschäftigt ist „Adaptive Control“. Die Idee besteht darin, den Prozess- und Maschinenzustand sensorisch zu erfassen und mit Hilfe reglungstechnischer Strategien den Prozess so zu führen, dass Werkzeug bzw. Maschine voll ausgelastet, aber nicht überlastet werden, um somit einen maximalen Ausstoß zu erreichen (ACC = Adaptive Control Constraint). Eine andere Zielgröße ist die Minimierung der Fertigungskosten. Die Gegenläufigkeit von Schnittgeschwindigkeit mit Standzeit und Kapitalbindungskosten stellt die Frage nach der optimalen, d. h. kostengünstigsten Bearbeitungsgeschwindigkeit (ACO = Adaptive Control Optimization). Fast alle fertigungstechnischen Hochschulinstitute, so auch das WZL, beschäftigen sich mit dieser Thematik. Sie ist Teil des BMFT-Großprojekts „Rechnereinsatz in der Fertigungstechnik“. Viele interessante Lösungsansätze werden entwickelt, die sich jedoch in der Praxis nicht etablieren können. Die Rechner kosten fast so viel wie die Hardware der Maschinen. Heute greift man diese Ideen wieder auf, da die notwendigen Sensoren und auch die Zuverlässigkeit der Rechner zu akzeptablen Preisen zur Verfügung stehen.73 4.3 Ausgliederungen aus dem WZL Mit zunehmenden Betätigungsfeldern kommt es zu Ausgliederungen ganzer Arbeitsbereiche aus dem WZL, für die eigene Lehrstühle eingerichtet werden. Zu nennen

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sind die Bereiche Arbeitswissenschaft, Schweißen und Automatisierung. Der Bereich der Arbeitswissenschaft ist seit 1928 unter der Bezeichnung „Laboratorium für industrielle Psychotechnik“ dem WZL angegliedert. Als Nachfolger von Walter Poppelreuter wird 1934 Joseph Mathieu berufen, der ab 1942 die Leitung des neugegründeten Instituts für Arbeitswissenschaft übernimmt. Im Jahre 1953 wird das Institut in einen Lehrstuhl für Arbeitswissenschaft umgewandelt und bleibt weiterhin unter der Leitung von Mathieu. In Fragen der Forschung arbeitet der Lehrstuhl eng mit dem ebenfalls 1953 gegründeten Forschungsinstitut für Rationalisierung (FIR) zusammen, in dem Mathieu auch die Leitung übernimmt. Für die Gründung des FIR setzt sich Opitz mit besonderem Interesse ein. Er übernimmt im Auftrag der 1952 gegründeten Arbeitsgemeinschaft für Rationalisierung des Landes Nordrhein-Westfalen den Vorsitz zur Gründung eines Forschungsinstituts. Aufgabe des Instituts ist sowohl die Durchführung von Forschungsaufgaben als auch die Ausbildung von Fachleuten auf dem Gebiet der Rationalisierung.74 Von der offiziellen Institutsgründung im Sommer 1953 bis zum Einzug in das neue Gebäude am Bergdriesch im Winter 1956 stellt Opitz seinem Kollegen Mathieu, der nun Professor des Lehrstuhls und gleichzeitig Direktor des FIR ist, Räumlichkeiten im WZL zur Verfügung.75 Opitz beeinflusst und fördert als Mitglied des Trägervereins sowie als Korreferent von mehr als 50 Dissertationen und Habilitationen maßgeblich die Forschungen am FIR. Nach dem unerwarteten Tod von Mathieu im Dezember 1965 übernimmt Opitz die kommissarische Leitung des FIR und des Lehrstuhls bis zur Ernennung von Rolf Hackstein im April 1967. 1974 wird Opitz zum Ehrenmitglied des Forschungsinstituts ernannt.76 Auf dem Gebiet der Schweißtechnik wird im Mai 1951 ein Institut für Schweißtechnische Fertigungsverfahren gegründet. Die 1947 eingerichtete Dozentur für Schweißtechnik, die bislang in den Räumen des WZL untergebracht ist, tritt nun erstmalig mit einem eigenen Institut und mit eigenen Versuchsräumen in Erscheinung. Leiter des Instituts ist Karl Krekeler, der sich bereits als Assistent von Wallichs auf das Schweißen spezialisiert hatte.77 1959 wird Alfred Henning auf das planmäßige Extraordinariat Schweißtechnik berufen, das 1963 in ein Ordinariat Schweißtechnische Fertigungsverfahren umbenannt wird. Eine weitere Ausgliederung erfolgt 1968 im Bereich Automatisierung. Der für diesen Themenkomplex am WZL zuständige Oberingenieur Wolfgang Backé übernimmt 1968 als Professor die Leitung des neugegründeten Lehrstuhls und Instituts für hydraulische und pneumatische Antriebe und Steuerungen (IHP), dem heutigen Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS). Forschungen im Bereich Automatisierung, die sich auf Werkzeugmaschinen beziehen, bleiben weiterhin ein Aufgabenfeld des WZL.78 4.4 Das Ziel einer effektiven Forschung Die Verbindung von Wissenschaft und Praxis kann auf sehr unterschiedliche Weise organisiert werden. Für das WZL sind als Vermittler an erster Stelle die Industrie- und Hochschulverbände und die technisch-wissenschaftlichen Vereine zu nennen, in deren Ausschüssen und Vorständen Wissenschaftler und Praktiker gleichermaßen vertreten sind.

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Im Bereich der Fertigungstechnik und des Werkzeugmaschinenbaus sind es z. B. der VDI mit seinen einzelnen Fachgruppen, der Verein Deutscher Elektroingenieure (VDE), der Verein Deutscher Eisenhüttenleute (VDEh) mit seinen zahlreichen Ausschüssen einschließlich des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung, und das RationalisierungsKuratorium der Deutschen Wirtschaft (RKW). Vor allem zwischen dem Verein Deutscher Werkzeugmaschinen-Fabriken (VDW) als Forschungsträger und der HGF, der späteren WGP, als Zusammenschluss der einschlägigen Forschungsstätten findet eine enge und freundschaftliche Zusammenarbeit statt. Bei regelmäßig stattfindenden Treffen sitzen Führungskräfte der Werkzeugmaschinenindustrie und ihre Spezialisten mit den Leitern der Hochschulinstitute, ihren Oberingenieuren und Assistenten an einem Tisch, um aktuelle Themen der Forschung und Lehre zu besprechen und zukünftige Forschungsvorhaben zu diskutieren. Durch die Mitgliedschaften in den vielen verschiede-

Abb. 22 Ein Treffen der HGF in Berlin 1958: Ausflug auf der „Karo As”

nen Gremien baut Opitz einen engen, persönlichen Kontakt zu den anderen Mitgliedern auf und schafft damit die Basis für eine gute, vertrauensvolle Zusammenarbeit. Die Fertigungstechnik wird 1953 erstmalig in das Schwerpunktprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) aufgenommen und mit einer Summe von 400.000,DM, die den HGF-Instituten zur Verfügung gestellt wird, gefördert. Opitz erhält bereits 1950 eine einmalige Sachbeihilfe für ein Projekt, das sich mit der Untersuchung der Vorgänge des Schleifens bei der Metallbearbeitung befasst. Die DFG gewährt Opitz

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auch für weitere Projekte ihre Unterstützung, so dass in den folgenden Jahren ein großer Teil der Forschungsmittel durch DFG-Zuweisungen abgedeckt werden kann.79 Um die Forschungsergebnisse gezielt der interessierten Öffentlichkeit zugänglich zu machen, übernimmt Opitz bereits 1951 die Herausgeberschaft der Fachgebietsausgabe „Werkzeugmaschine und Fertigungstechnik“ des Industrie-Anzeigers und betreut diesen Teilbereich mehr als 20 Jahre lang.80 Die Bedeutung einer technisch-wissenschaftlichen Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Forschungseinrichtungen wird für Opitz immer wichtiger. Mit der zunehmenden Automatisierung, der Leistungs- und Qualitätssteigerung werden immer mehr Problemlösungen mit den neuesten Technologien gefordert. Die Forschungsaufgaben werden komplexer und kostspieliger, so dass ihre Durchführung nur in enger Zusammenarbeit zwischen Industrie und Forschungsinstituten möglich ist. In diesem Zusammenhang gewinnt die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) für das WZL immer mehr an Bedeutung. Der Verein wird auf Initiative des Bundesministeriums für Wirtschaft im Jahre 1954 als Dachorganisation zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung gegründet. Ziel ist es, eine staatlich geförderte Forschungstätigkeit der kleinen und mittleren Unternehmen sowie der gewerblichen Wirtschaft in der Bundesrepublik zu ermöglichen. Die Bereitschaft, gemeinschaftlich zu forschen, ist aufgrund der immer schneller werdenden technologischen Entwicklungen und der Konkurrenz des internationalen Marktes gestiegen. Da sie keine eigene Forschung betreiben können, ist für kleinund mittelständische Unternehmen die Gemeinschaftsforschung die einzige Lösung und von existentieller Notwendigkeit, um am Markt bestehen zu können. Die Aufgabe des Wissenschaftlichen Rates der AiF, deren Vorsitz Opitz 1975 innehat, besteht darin, den Informationsfluss zwischen Wissenschaft und Industrie zu fördern. Anregungen zu praxisorientierten Forschungsvorhaben kommen von den Industrieunternehmen, von den Hochschulinstituten, von Arbeitsgruppen oder vom technischen Ausschuss des VDW. Diese intensive Zusammenarbeit wird auch nach Vergabe eines Forschungsauftrages an eines der Institute fortgesetzt, und zwar in Form einer Arbeitsgruppe, bestehend aus Fachleuten der Industrie und Sachbearbeitern der Forschungsinstitute. Informationen über laufende und abgeschlossene Projekte werden über Verbandsmitteilungen, Fachpublikationen und auch Kolloquien veröffentlicht.81 Auch zu internationalen Institutionen pflegt Opitz gute Kontakte, wie beispielsweise zur 1951 gegründeten Internationalen Forschungsgemeinschaft für Produktionstechnik (Collège International pour l’Étude Scientifique des Techniques de Production Méchanique, CIRP) mit Sitz in Paris. Hier haben sich auf internationaler Ebene Wissenschaftler aus Europa und Übersee zusammengeschlossen, mit dem Ziel der Förderung der internationalen wissenschaftlichen Forschung und des Gedankenaustausches. Der persönliche Kontakt der Forscher beweist, so Opitz, dass Wissenschaft auch über nationale und politische Grenzen hinweg möglich ist. Opitz ist in den Jahren 1964 bis 1965 Präsident von CIRP und in den Jahren 1966 bis 1968 Präsident der Gruppe „C“ (Zerspanungsforschung).82

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Abb. 23 Herwart Opitz beim CIRP-Treffen in Pittsburgh, USA, im September 1963

Mitgliedschaften von Opitz • Mitglied des Wissenschaftlichen Rates der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) • Mitglied des Vereins Deutscher Eisenhüttenleute (VDEh) • Mitglied des Beirates des Arbeitskreises Deutscher Betriebsingenieure (ADB) im Verein Deutscher Ingenieure (VDI) • Mitglied der Deutschen Gesellschaft für Metallkunde • Mitglied des Beirates des Rationalisierungs-Kuratoriums der Deutschen Wissenschaften (RKW) • Mitglied und Mitbegründer der Arbeitsgemeinschaft für Rationalisierung des Landes NRW (AGR) und Vorsitzender der Arbeitsgruppe „Forschung und Technik“ • Mitglied des Senats und Hauptausschusses der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) • Mitglied der Arbeitsgemeinschaft für Forschung des Landes NRW (AGF) • Mitglied des Verwaltungsrates der Technischen Akademie Bergisch Land e.V. (Außeninstitut der RWTH Aachen) • Mitglied der Sachverständigen-Kommission für gewerblichen Rechtsschutz beim Bundesministerium für Justiz • Mitglied der Internationalen Forschungsgemeinschaft für Produktionstechnik CIRP (Collège Internationale pour l’Étude Scientifique des Techniques de Production Mechanique): 1964-1965 Präsident, 1966-1968 Präsident der Gruppe „C“ (Zerspanungsforschung) • Präsident der Group of Experts on Metal Cutting der OECD

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5. Das Leben am WZL 5.1 Abschied von Wallichs Am 14. Mai 1959 verstirbt Adolf Wallichs. Die Trauerfeier findet in Anwesenheit seiner Familie, Vertretern der Stadt und des Landes sowie zahlreicher Kollegen, Freunde und Mitarbeiter des WZL auf dem Waldfriedhof in Aachen statt. Opitz hält die Trauerrede für seinen akademischen Lehrer, den außergewöhnlichen Forscher und Wissenschaftler und den väterlichen Freund. Er betont die menschliche Seite von Wallichs, seine liebenswürdige Erscheinung, sein freundliches Wesen und seine innige Anteilnahme am persönlichen Geschehen jedes Einzelnen. Die Ausgeglichenheit seines Charakters und seine stete Bereitschaft zum Helfen ließ den Kreis von Wallichs’ Freunden immer mehr anwachsen. Schließlich würdigt Opitz sein Lebenswerk, die Schaffung des WZL: „Die Schüler von Adolf Wallichs sind stolz darauf, aus seiner Schule zu kommen. Die menschliche Atmosphäre, die er in diesem Kreis schuf, ist das besondere Kriterium eines Freundeskreises geworden, und ich bin sicher, daß dieser Kreis, der heute hier so zahlreich dem Verstorbenen die letzte Ehre erweist, das Vermächtnis stets hochhalten wird.“83 Die außergewöhnlichen Verdienste von Wallichs um Wissenschaft, Forschung und die akademische Lehre finden noch zu Lebzeiten die entsprechenden äußeren Anerkennungen. Mit dem Verdienstkreuz der Bundesrepublik Deutschland wird Wallichs am 10. April 1953 ausgezeichnet. Seine erfolgreiche Tätigkeit auf dem Gebiet der Betriebsorganisation und des Werkzeugmaschinenbaus, sein internationaler Ruf und nicht zuletzt die Tatsache, dass eine große Zahl von Persönlichkeiten aus Wissenschaft und Wirtschaft aus seiner Schule hervorgegangen sind, qualifizieren ihn zum Träger des Verdienstkreuzes.84 Eine Ehrung ganz besonderer Art wird Wallichs im Juni 1956 zuteil: Wallichs feiert sein 50jähriges Professorenjubiläum und die gesamte Studentenschaft der Fachschaft Maschinenbau und die Angehörigen des WZL feiern mit. Sie ziehen in einem Fackelzug zur Wohnung des Jubilars und überbringen ihm die Glückwünsche. Diese Kundgebung mit leuchtenden Fackeln ist Wallichs Abb. 24 Wallichs auf dem Kolloquium über schweißtechnische Fertigungsverfahren anlässlich seines 80. Geburtstags sicherlich noch lange in Erinneam 4. November 1949 rung geblieben.85

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Weitere Ehrungen 1917 Am 30. Juni 1917 wird Wallichs zum „Geheimen Regierungsrat“ ernannt. 1934 In Anerkennung seiner hervorragenden Verdienste auf dem Gebiet der Werkzeugmaschinen wird Wallichs am 10. Mai 1934 der akademische Grad eines Doktor-Ingenieur ehrenhalber von der Technischen Hochschule Hannover verliehen. 1949 Die Vertreter der Technischen Hochschule Aachen verleihen Wallichs in dankbarer Anerkennung seiner hervorragenden Verdienste im November 1949 die akademische Würde eines Ehrensenators der Hochschule. Im selben Jahre wird Wallichs Ehrenmitglied der Vereins Deutscher Ingenieure (VDI). Damit werden auch von berufener Vertretung der deutschen Ingenieure die besonderen Leistungen von Wallichs für die deutsche Technik anerkannt. 1953 Am 10. April 1953 wird Wallichs mit der Verleihung des Verdienstkreuzes zum Verdienstorden der Bundesrepublik Deutschland ausgezeichnet.

5.2 Die „Opitz-Familie“ Das Besondere an der Arbeitsform im WZL ist die Art und Weise der Zusammenarbeit von Lehrern und Schülern, das Zusammenwirken der verschiedenen Arbeitsgruppen und die Gemeinschaftsarbeit mit anderen Instituten. Opitz gelingt es, eine Arbeitsatmosphäre im Sinne seines Vorgängers Wallichs zu schaffen. Sie ist beherrscht vom Geist der Zusammenarbeit, von unerbittlichem Einsatz, von Kameradschaft und vom offenen Austausch von Meinungen und Informationen. Der überragende Sachverstand von Opitz, sein dynamischer Führungsstil und seine stets spürbare Hilfsbereitschaft prägen die Mitarbeiter – vielen wird er zum Vorbild.86 Opitz hat seine Grundsätze vorgelebt. Dies ist ein entscheidendes Merkmal seiner Persönlichkeit. Alles was er von seinen Mitarbeitern erwartet, können diese auch von ihm erwarten. „Opitz war morgens der erste und abends der letzte im Büro. Er war immer ehrlich und fair, hat nie getrickst und war nie nachtragend. Er hatte auch ein Ohr für persönliche Belange, hat sich aber nie eingemischt, doch wenn er helfen konnte, hat er dies getan. Das waren für mich immer wichtige Leitmotive“, erinnert sich Eversheim.87 Das Prinzip der „Aachener Schule“ führt zu einem engen, persönlichen Kontakt zwischen Chef und Mitarbeitern, so dass sich die Ehemaligen noch Jahre später dem Institut verbunden fühlen. Das sogenannte Rote Buch, in welchem alle Ehemaligen verzeichnet sind, zeugt noch heute von diesem Gemeinschaftssinn. Opitz praktiziert eine bemerkenswerte Personalpolitik: Jeder Assistent soll möglichst in vier Jahren zur Promotion gebracht werden, d. h. zwei Jahre muss jeder einem älteren Assistenten zuarbeiten, um dann in den nächsten zwei Jahren selbstständig ein eigenes Projekt zu bearbeiten und damit zu promovieren. Diese Politik hat zwei wichtige Effekte: Zum einen hat das Institut bei den an einer Promotion interessierten Studenten einen sehr guten Ruf, was zu einem guten Angebot an neuen Mitarbeitern führt. Zum anderen lernen die Assistenten aufgrund der engen Zusammenarbeit

Die zweite Generation im WZL: Herwart Opitz (1936-1973) zwischen Institut und Industrie viele Firmen kennen, die dann nach ihrer Promotion häufig die zukünftigen Arbeitgeber werden. Denn die aus Hochschulinstituten hervorgegangenen Ingenieure werden von der Industrie sehr geschätzt, da sie den Status des Anfängers in praxisnaher Forschung bereits hinter sich gelassen haben.88 Dies hat nun wiederum den positiven Nebeneffekt einer engen Kooperation der Unternehmen mit dem Institut. Mit dieser „Platzierung seiner Schüler“ sichert Opitz die Zukunft des Instituts. Der ehemalige Oberingenieur Hans-Günther Rohs erinnert sich: „Ich habe in meiner Industrietätigkeit des öfteren von einer Bewunderung für diese ‚Opitz-Familie’ gehört.“89 Opitz hat das einzigartige Talent, neue, bedeutsame Tendenzen und Entwicklungen in der Produktionstechnik schnell und gezielt zu erfassen. Schnell entschlossen unternimmt er die notwendigen Schritte, um Entwicklungen zu fördern und praktisch umzusetzen. Der Forschungsdrang in ihm ermöglicht seinen Mitarbeitern eine breitgefächerte Ausbildung. Opitz passt sein Fachwissen der Produktionsentwicklung an und lernt sozusagen zum richtigen Zeitpunkt das notwendige Wissen dazu. 1936 beginnt Opitz als Zerspanspezialist, in den Kriegsjahren hat er etwas über Hydraulik lernen müssen, in den 1950er Jahren erweitert sich das Fachgebiet Elektrotechnik und er arbeitet sich in das Feld der elektrischen Abtragsverfahren ein. Ende der 1950er Jahre wird die numerische Steuerung entwickelt, Opitz erkennt die Bedeutung der Datenverarbeitung und widmet sich den dynamischen Untersuchungen von Werkzeugmaschinen. Anstehende Pro-

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Abb. 25 Zum 85. Geburtstag von Wallichs schenken ihm die Mitarbeiter des WZL eine Hommel-Feindrehbank (1954)

Abb. 26 Doktorfeiern im Postwagen in den 1950er Jahre

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bleme löst Opitz mit wissenschaftlichen Methoden, einer gehörigen Portion gesundem Menschenverstand und einem tiefen Verständnis für die verschiedenen technologischen Bereiche. Dank der breit angelegten Themen können alle Aufgaben, die in einem Produktionsunternehmen auftreten, im WZL bearbeitet werden. Das Konzept „Alles unter einem Dach“ bewährt sich und spiegelt sich in der Kooperationsbereitschaft der Mitarbeiter wider. Die Energie bei der Verfolgung der einmal gesteckten Ziele und die Fähigkeit, sei-

Abb. 27 Gemeinsames Feiern und Lachen ist wichtig am WZL. Bei den Weihnachtsfeiern wird das vergangene Jahr auf humorvolle Art in Erinnerung gerufen

ne Mitarbeiter zu Leistung anzuspornen und mitzureißen, gelten als die wesentlichen Ursachen seines international anerkannten Erfolgs. Doch der Erfolg gilt nicht ihm allein – seine zahlreichen Auszeichnungen und Ehrungen versteht Opitz immer auch als Anerkennung für die Leistung seiner ganzen Mannschaft. Das nach innen gepflegte Gemeinschaftsgefühl wird auch nach außen getragen. Opitz sieht sich verpflichtet, die wissenschaftlichen Erkenntnisse seines Instituts jedermann zugänglich zu machen, wenn es der Allgemeinheit förderlich ist. Gemeinschaftsforschung und Kooperation mit anderen Instituten sind ihm Anreiz und Herausforderung zugleich. Opitz spornt seine Mitarbeiter an, Spezialisten in einzelnen Fachbereichen zu werden. Sich selbst nimmt er zurück und lässt die „ Jungen“ machen, gibt ihnen viele Freiheiten und stärkt damit ihr Verantwortungsbewusstsein. Dennoch besitzt er genug Erfahrung – oder nennen wir es besser ein untrügliches „Gespür“ – zu erkennen, wenn etwas nicht stimmen kann. Walter Eversheim ist überzeugt: „Opitz hatte genau so viel Wissen, dass er damit uns alle ‚in Schach halten’ konnte. Das war einzigartig. Eine Mischung aus Fachwissen und Gespür dafür, wo etwas nicht richtig sein könnte. Einmal habe ich mitbekommen, dass er einen Elektrotechniker im wahrsten Sinne des Wortes auseinander genommen hat. Obwohl Opitz wenig von Elektrotechnik verstand, sagten ihm sein Allgemeinwissen und sein Gefühl, dass da etwas nicht stimmen konnte. Und es stellte sich heraus, dass er recht gehabt hatte. Opitz hat diesen Elektrotechniker in seiner ruppigen Art beschimpft, er wolle ihn über’s Ohr hauen. Das wollte der Mitarbeiter natürlich gar nicht, der hatte den Fehler selber nicht bemerkt.“90

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Der Umgangston am Institut ist „rau, aber herzlich“. Von den Mitarbeitern wird ganzer Einsatz verlangt, und Opitz zögert nicht, nötigenfalls seine Meinung unmissverständlich zu äußern und seinem Ärger Luft zu machen. Der Ausdruck „ins Gesenk schlagen“ ist jedem WZLer ein Begriff, weiß Tilo Pfeifer. Andererseits spart Opitz nicht mit Lob und es erfüllt ihn mit Stolz und Freude, die Erfolge „seiner“ Schüler zu sehen. Denn trotz seiner bisweilen lautstarken Art gilt der überlieferte Ausspruch von Opitz: „Die Fehler eines Menschen hervorzukehren ist verlorene Zeit; seine guten Eigenschaften zu beachten ist wichtiger, denn damit kann man weiterbauen.“91 Und das wissen und schätzen seine Mitarbeiter. Immer wird einer guten Leistung die rechte Anerkennung zuteil – eine Einstellung, die von der akademischen Jugend verstanden und mit Achtung und Verehrung erwidert wird. Der autoritäre, zuweilen explosive Führungsstil von Opitz ist am Institut bekannt – und gefürchtet. „Regelmäßig, wenn Opitz z. B. eine längere Reise antrat, wurden einige Mitarbeiter zu ihm zitiert und kriegten ihre Order in der nötigen Lautstärke. Das war bei ihm System, wir konnten uns das im Terminkalender ankreuzen. Wir nannten das ‚Opitz gibt uns die nötige V Null’“, erinnert sich Eversheim.92 Doch hinter der rauen Schale verbirgt sich eine große Portion menschlicher Wärme. Gerade im ersten und zweiten Jahrzehnt des Wiederaufbaus des Instituts herrschen bei einigen Opitz-Schülern im persönlichen Bereich Sorgen und finanzielle Eng-

Abb. 28 Das berühmte Laborlied

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pässe. Opitz hat dafür stets ein offenes Ohr und wenn er helfen kann, dann tut er es auch. Karl Schwiegelshohn erinnert sich an seine erste Begegnung mit Opitz: „Nach neunjähriger beruflicher Tätigkeit beschloss ich, 1955 doch noch mit einem Hochschulstudium zu beginnen. Es bot sich mir die Gelegenheit, mein Vorhaben Opitz vorzutragen. Da ich meine Arbeitsstelle gekündigt hatte, hoffte ich zur gegebenen Zeit im Institut arbeiten zu können. Am Ende unseres Gesprächs verabschiedete ich mich mit der Bitte, mich nach dem Vorexamen nochmals melden zu dürfen. Seine Antwort war kurz und bündig: Nix da, Sie fangen morgen bei mir im Institut an. So war Opitz.“93 Die Assistenten beschreiben die Art von Opitz in ihren Glückwünschen zum 65. Geburtstag sehr passend: „Unser Wunsch ist, daß Professor Opitz noch möglichst lange die mit der Forschung und Lehre verbundenen Aufgaben in der bewährten Weise und bei bester Gesundheit leiten möge. Danken möchten wir ihm dafür, daß er es

Abb. 29 Opitz bei der offiziellen Verleihung seiner ersten Ehrendoktorwürde der Universität Leuven, Belgien. Seine Mitarbeiter lassen es sich nicht nehmen, ihm einen eigenen Doktorhut zu basteln (1961)

sich und uns nicht leicht macht, daß er fördert und fordert, aber auch anerkennt, daß er schimpft, aber auch lacht, kurz – daß er unser Chef ist.“94 Diese Mischung aus Bewunderung und Respekt, hartem Einsatz für Lehre und Forschung, fröhlichem Feiern, das Verbundenheitsgefühl zu Opitz, dies alles bezeichnen die WZLer als ihren „Laborgeist“. Der Laborgeist wird gepflegt, getreu nach der Opitzschen Lebensphilosophie, die schon Goethe formulierte: „Tages Arbeit, abends Gäste, saure Wochen, frohe Feste.“ So kommt es häufig vor, dass man sich nach der Arbeit im Postwagen oder bei Opitz zu Hause trifft. Mitarbeiter, Studenten und Freunde sind willkommen und dort wird weiter gefachsimpelt und kritisch diskutiert. Nicht zuletzt die herzhafte, humorvolle Art von Opitz und seine Optimismus ausstrahlende Persönlichkeit führen dazu, dass die angenehmen Dinge des Lebens einen angemessenen Platz im Alltag der Mitarbeiter finden. Gemeinsame Weihnachts- und Doktorfeiern oder auch die bunten Abende beim AWK haben schon legendären Ruf und erfreu-

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Abb. 30 Oftmals muss Opitz selbst Hand an legen (10. Europäische Werkzeugmaschinen Ausstellung 1967 in Hannover)

en sich bis heute reger Teilnahme – auch und besonders bei den Ehemaligen. Aber auch Exkursionen oder Institutsausflüge gehören dazu. So verbringt Opitz seinen 65. Geburtstag – für ihn selbstverständlich nach alter Laborsitte – zusammen mit seiner Familie und seinen ehemaligen und jetzigen Mitarbeitern in fröhlicher Runde. Die Opitz-Familie, wie man sich am Institut liebevoll nennt, verbringt den Tag gemeinsam an der Mosel.95 5.3 Opitz in der Hochschulpolitik Rund 3000 Studenten finden sich am Abend des 11. November 1958 am Bendplatz ein, um ihre Fackeln in Empfang zu nehmen. Geplant ist der traditionelle Fackelzug zu Ehren des neuen Rektors; in diesem Studienjahr übernimmt Herwart Opitz das Rektoramt. Der lange Zug der Studenten wird von einer besonderen Gruppe angeführt. Es sind die Studenten und Mitarbeiter des WZL, die zu Ehren ihres Chefs einen Drehmeißel von zehn Meter Länge durch die Stadt tragen. Mit diesem überdimensional großen „Zerspanungs“-Symbol demonstrieren sie ihre tiefe Verbundenheit mit dem Institut und dem Institutsleiter. Die Studenten marschieren vom Bendplatz über die Wüllnerstraße am WZL vorbei, huldigen am Templergraben dem „alten“ und dem „neuen“ Rektor und wandern über den Theaterplatz bis hin zum Rathaus.96 Beim Festakt in der Aula übernimmt Opitz mit Erhalt der Rektoratskette offiziell das Amt des Rektors. Der Tradition folgend, beinhaltet seine Antrittsrede ein Thema seines Fachgebietes. Opitz spricht über „Die Fertigungstechnik als Wirtschaftsfaktor“ und gibt einen Einblick in die industrielle Entwicklung auf dem Weg zu Rationalisierung und Automatisierung.97 In den Studienjahren 1967 bis 1969 übernimmt Opitz zum zweiten Mal das Rektoramt. Für die bevorstehenden schwierigen Verhandlungen um eine Neuordnung in der Hochschulverwaltung hält der Senat Opitz für besonders geeignet. Zum einen gehört er seit 1954 permanent dem Senatsverfassungsausschuss an, dem er auch mehrfach vorgesessen hat, und zum anderen verfügt er – aufgrund seiner Tätig-

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Abb. 31 Die Werkzeugmaschinenhalle wird zum Festsaal umfunktioniert, in der alle Gäste Platz finden (1961)

keit als Institutsdirektor des WZL mit circa 300 Mitarbeitern – über die nötigen Führungsqualitäten und den entsprechenden Pragmatismus.98 Opitz nimmt diese Herausforderung gern an. Im WZL ist Mitbestimmung und Eigenverantwortung ein wesentlicher Bestandteil des Institutslebens und Grundlage des jahrelangen Erfolgs. Diese Bestandteile überträgt Opitz – konsequent wie er ist – auf die zentralen Organe der Hochschule.99 In seiner Rektoratsrede zur Amtsübernahme am 20. Oktober 1967 betont Opitz die bisherige gute Zusammenarbeit der Hochschulleitung mit der Studentenschaft. Er signalisiert die Bereitschaft des Senats, gemeinsam mit den Studenten die Demokratisierung der Hochschule in die Wege zu leiten, und ist überzeugt, dass das Ansehen der Hochschule und der Studentenschaft in der Öffentlichkeit dadurch nur gewinnen kann. Die Förderung von Forschung und Lehre – dies sei das erklärte, gemeinsame Ziel von Lehrenden und Studierenden.100 Opitz gelingt es, eine Mehrheit seiner Kollegen für den – bisher in Deutschland einzigartigen – Plan zu gewinnen, auch Vertreter der Studenten und der wissenschaftlichen Mitarbeiter in den Senat und den Großen Rat aufzunehmen. Nicht nur pragmatisch, sondern auch besonnen führt Opitz die Verhandlungen und versucht, durch Diskussionsbereitschaft jegliche Radikalisierung der Situation im Keim zu ersticken.101 Mit dem Mitbestimmungsrecht erhält der Aachener

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Abb. 32 Fackelzug der TH-Studenten anlässlich der Rektoratsübergabe 1958 an Opitz

Senat Ende der 1960er Jahre eine Zusammensetzung, die im Prinzip derjenigen gleicht, die sehr viel später durch das Wissenschaftliche Hochschulgesetz des Landes vorgeschriebenen wird. Rückblickend wird Opitz als „Reformrektor“ bezeichnet, der die Zeichen der Zeit erkannt und ihnen Genüge getan hat. Opitz gilt als die Gründerfigur der akademischen Selbstverwaltung der Technischen Hochschule Aachen.102 In den zwei Jahren seines Rektorats setzt sich Opitz auch dafür ein, dass die Technische Hochschule Aachen ihre Bezeichnung Abb. 33 Offizielle Rektoratsübergabe an Opitz (1958) beibehält. Ende der 1960er Jahre versuchten viele Technische Hochschulen Deutschlands eine Umbenennung zur Universität zu erwirken. Doch die Mehrheit der Kollegen in Aachen entschließt sich unter dem Einfluss von Opitz dazu, selbstbewusst den traditionsreichen Namen Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule zu behalten.103 Doch seine Aktivitäten stoßen nicht immer auf Zustimmung. Die Einführung der elektronischen Datenverarbeitung in der Hochschulverwaltung beispielsweise hat viel Widerstand erfahren. Die Hochschulbeschäftigten sehen in dieser Rationalisierungs-

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maßnahme eher eine Bedrohung der traditionellen Arbeitsformen, als eine effektive Erledigung monotoner Arbeitsprozesse. Dieses Beispiel zeigt, dass die Einführung moderner Technik nach wie vor ein Problem darstellt, mit dem sich der Ingenieur auseinandersetzen muss.104 6. Nachfolgeregelung im WZL (1972/73) Das WZL betreut Ende der 1960er Jahre in Lehre und Forschung die Gebiete Werkzeugmaschinen, Betriebslehre und Fertigungstechnik. Der Organisationsplan des Instituts zeigt, dass die Lehraufgaben und die laufenden Forschungsvorhaben in enger Zusammenarbeit der bestehenden vier Abteilungen bearbeitet werden: Abteilung „Betriebsorganisation“, Abteilung „Untersuchung der Bearbeitungsverfahren“, Abteilung „Konstruktive Gestaltung von Werkzeugmaschinen“ und die Abteilung „Automatisierung der Werkzeugmaschinen“. Jede der vier Abteilungen wird – wie gehabt – von einem Fachoberingenieur geleitet. 1968 treten im Institut entscheidende personelle Veränderungen ein. Opitz richtet die neue Abteilung „Zerspantechnik und abtragende Bearbeitungsverfahren“ ein und setzt den ehemaligen Oberingenieur Wilfried König als Abteilungsleiter ein. 1972 wird die Abteilung erweitert und König zum Ordentlichen Professor auf den Lehrstuhl für „Technologie der Fertigungsverfahren“ berufen. Ebenfalls 1972 wird Tilo Pfeifer zum Wissenschaftlichen Rat und Professor ernannt und übernimmt die Abteilung „Messtechnik für die automatisierte Fertigung.“105 Obwohl eine Emeritierung aus Altersgründen bei Opitz erst im Oktober 1973 ansteht, macht er sich bereits frühzeitig Gedanken um seine Nachfolge. Zunächst denkt er an Günter Spur, der seit 1965 an der Technischen Universität Berlin das Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb leitet. Im Juli 1971 erhält Spur einen Ruf an die Technische Hochschule Aachen, bleibt aber nach langen Verhandlungen in Berlin.106 Opitz betont bereits auf dem 14. AWK von 1971 wie wichtig es sei, die Einheit des WZL beizubehalten. Mit Rücksicht auf die zu groß gewordene Belastung eines Einzelnen muss in Zukunft das Gesamtgebiet im Rahmen eines Instituts durch drei Lehrstühle vertreten werden. Opitz stellt sich also eine neue Institutsstruktur vor, eine systematische und thematische Aufgliederung unter Wahrung der Einheit des gesamten WZL.107 In der zweiten Berufungsrunde gelingt es, diese neue Institutsstruktur einzurichten. Zum 1. April 1973 wird Walter Eversheim zum Professor für den Lehrstuhl für „Produktionssystematik“ ernannt und am 1. Mai 1973 erfolgt die Berufung von Manfred Weck auf den Lehrstuhl für „Werkzeugmaschinen“. Die neue Institutsleitung setzt sich nun wie folgt zusammen: König für den Lehrstuhl Technologie der Fertigungsverfahren, Eversheim für den Lehrstuhl für Produktionssystematik, und Weck für den Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen. Das Lehrgebiet Messtechnik für die automatisierte Fertigung bleibt – wie bisher – in der Leitung von Pfeifer. Nachdem die Nachfolge für sein Institut endgültig geklärt ist, will Opitz möglichst schnell von seinen Verpflichtungen in Forschung und Lehre entbunden werden. 37 Jahre hat er das WZL geleitet und am 1. Oktober 1973 wird er emeritiert. Doch de facto heißt das: Jetzt hat er die Zeit und Muße, um sich Aufgaben zu widmen, für die er bisher zu wenig Zeit hatte. Die Institutsleitung lässt es sich nicht nehmen, eine dem

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Abb. 34 Opitz und seine Ehefrau Hanni werden in einer Pferdekutsche zur Emeritierungsfeier gebracht

Emeritus würdige Abschiedsfeier zu organisieren. Viele Opitz-Schüler, Kollegen und Freunde des Instituts versammeln sich am 1. Oktober zu einer dreitägigen Feier in Aachen. Den Auftakt der Feierlichkeiten bildet nach altem, akademischen Brauch ein Fackelzug. Opitz wird zusammen mit seiner Ehefrau in einer Pferdekutsche, umgeben von seinen ehemaligen Schülern und Mitarbeitern vom Institut zum Marktplatz geleitet. Anschließend trifft man sich zu einem Hallenfest in der Wüllnerstraße wieder. Am zweiten Tag findet eine Institutsbesichtigung statt, auf der sich die interessierten Besucher über die derzeitigen Forschungen des WZL informieren können. Auf dem darauf

Abb. 35 Opitz und seine Nachfolger: Die Amtsübergabe 1973

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CORNELIA KOMPE folgenden Empfang im Gästehaus der Technischen Hochschule ergreifen zahlreiche Repräsentanten des öffentlichen Lebens, aus Wissenschaft und Forschung das Wort und würdigen den Menschen, Forscher und Lehrer Opitz. Am dritten Tag bildet ein bunter Abend im Kurhaus der Stadt Aachen den krönenden Abschluss der Emeritierungsfeier. Den Höhepunkt des Abends stellt die musikalische Darbietung der Institutsband „The Kingston-Five“ dar, die die Gäste zu Begeisterungsstürmen hinreißt.108

Abb. 36 Die Institutsband „The Kingston Five“ bei der Emeritierungsfeier 1973

Abb. 37 Der Auftritt des WZL-Chors gehört als fester Programmpunkt zu jeder WZL-Feier

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Ehrendoktorwürden an Herwart Opitz 1961 Universität Leuven, Belgien 1966 Universität Strathclyde in Glasgow, Schottland 1969 Universität Cincinnati, USA 1971 Aston University Birmingham, Großbritannien 1971 Technischen Universität Berlin 1972 Universität Dearborn-Michigan, USA 1973 Universität Lüttich, Belgien 1973 Loughborough University, Großbritannien

Weitere Ehrungen 1963 Verleihung der Honorary Fellowship des Manchester College of Science and Technology als erster deutscher Wissenschaftler 1964 Ehrenmedaille „Gustave Transenster“ der Association des Ingenieurs Diplomés von der Universität Lüttich, Belgien 1967 Grashof-Gedenkmünze des VDI 1969 Carl-Friedrich-von-Siemens-Plakette des Rationalisierungskuratoriums der Deutschen Wirtschaft 1970 Großes Verdienstkreuz des Verdienstordens der Bundesrepublik Deutschland 1971 Medaille des Instituts für Spanabhebende Formung in Krakau, Polen 1970 Hochschulplakette in Gold der RWTH Aachen 1972 Medaille de la Recherche et de l’Invention von Groupement pour l’Avencement de la Méchanique Industrielle (GAMI) Saint Quen, Frankreich 1975 Senator Ehren halber der RWTH Aachen

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Vgl. VV 1936/37, S. 21. Vgl. auch HAAc Akte 4202, Schreiben vom 2. April 1936 vom Reichsminister, der Opitz die planmäßige Professur verleiht und ihn zum Direktor des Werkzeugmaschinen-Laboratoriums ernennt. 2 VV 1936/37, S. 45. 3 Ebd., S. 14. 4 Vgl. ebd., S. 14: Krekeler hat den Lehrauftrag schon seit dem 7. Dezember 1929; Mathieu seit dem 6. März 1936. 5 Vgl. Herwart Opitz: Aus der Entwicklungsgeschichte des Laboratoriums für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre. In: Opitz 1949, a.a.O., S. 34-44, hier S. 35. 6 Vgl. HAAc Akte 4202, Blatt 70, Kopie des Schreibens vom Reichsminister für Wissenschaft, Erziehung und Volksbildung vom 9. Februar 1940 an Opitz. Zu Ewald Sachsenberg (1877-1946) vgl. die dreibändige Jubiläumsschrift von Reiner Pommerin (Hrsg.): 175 Jahre TU Dresden. Köln/Weimar/Wien 2003. Vgl. zu Sachsenbergs Entlassung auch Wolfgang Rockstroh: Betriebswissenschaft Produktionstechnik an der TU Dresden. Dresden 1996, S. 30 ff. 7 Volker Stöhr: Zwischen Anpassung und Selbstmobilisierung: die Mechanische Abteilung in der Zeit des Nationalsozialismus. In: Thomas Hänseroth (Hrsg.): Wissenschaft und Technik. Studien zur Geschichte der TU Dresden, Band 2. Köln/Weimar/Wien 2003, S. 155-169, hier S. 157. Sachsenberg gründet auch ein Psychotechnisches Institut (1922) und ein Institut für Werkzeugmaschinenuntersuchungen und Fertigungsverfahren (1923). 8 Vgl. Auskunft vom Universitätsarchiv der Technischen Universität Dresden, auch eine Personalakte über Opitz ist nicht vorhanden. 9 HABPW 3.01, Schreiben vom Leiter des Sächsischen Ministeriums für Volksbildung an den Rektor der Technischen Hochschule Dresden. Leider ist nicht bekannt, welcher Assistent mit Opitz nach Dresden geht. 10 Rockstroh 1996, a.a.O., S. 43. 11 Universitätsarchiv der Technischen Universität Dresden, Altbestand Gs 1945, Nr. A/504, Schreiben an Rektor Professor Jobst vom 5. Dezember 1939, betr. Nachfolge Prof. Sachsenberg. 12 Vgl. das Vorwort der Dissertationsschrift von Rudolf Gottschald: Untersuchungen zur Herstellung und Prüfung der günstigsten Oberflächengüte und Körperform beim Drehen von Stahl mit Hartmetall-Werkzeugen, Dissertation. Dresden 1940. 13 Rockstroh 1996, a.a.O., S. 43. 14 Universitätsarchiv der Technischen Universität Dresden, Altbestand Gs 1945, Nr. A/504, Schreiben vom Rektor Professor Jobst an den Leiter des Sächsischen Ministeriums für Volksbildung am 4. Oktober 1940, betr. Nachfolge von Prof. Sachsenberg. 15 Ebd. 16 Vgl. Hans Starck: Ein Tag im Labor irgendwann im Sommer des Jahres 1943. In: Werkzeugmaschine und Fertigungstechnik. Festschrift für Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Herwart Opitz zur Vollendung des 60. Lebensjahres gewidmet von seinen ehemaligen und heutigen Mitarbeitern. Essen 1965, S. 19-20. 17 80 Jahre WZL 1986, a.a.O., S. 55. Vgl. auch S. 57 bezüglich der Mitarbeiterzahl. 18 Ebd., S. 55. 1

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Vgl. auch Klinkenberg 1970, a.a.O., S. 177. 80 Jahre WZL 1986, a.a.O., S. 56-57. 21 Hans Starck, Manfred Weck: Herwart Siegfried Opitz (1905-1978). In: Klaus Habetha (Hrsg.): Die Geschichte der RWTH Aachen. Festschrift 1970-1995. Aachen 1995, S. 295-303, hier S. 296 ff. 22 WGP 1987, a.a.O., S. 18 f. 23 Schallbroch 1967, a.a.O., S. 45. Gotthold Pahlitzsch: 40 Jahre Hochschulgruppe Fertigungstechnik. In: wt-Zeitschrift für industrielle Fertigung 68, 1978, S. 761-765. 24 Rockstroh 1996, a.a.O., S. 29-30. 25 Vgl. WGP 1987, a.a.O., S. 25 und S. 54 ff. 26 Adolf Wallichs: Zusammenarbeit der Hochschul-Forschungsanstalten für Fertigungstechnik. In: Sonderabdruck aus der Zeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure 81, 1937, (33), S. 962. 27 WGP 1987, a.a.O., S. 73. 28 Vgl. Werner Abelshauser: Deutsche Wirtschaftsgeschichte seit 1945. München 2004, S. 60 ff., S. 462: Der Morgenthau-Plan, der 1944 vom amerikanischen Finanzminister Henry Morgenthau entwickelt wird, sieht zwar nicht die viel zitierte Umwandlung Deutschlands in ein Agrarland vor, plädiert aber für eine rigorose Zerstörung der deutschen Schwerindustrie und für die Vertreibung der deutschen Bevölkerung aus dem Ruhrgebiet. 29 Ebd., S. 64 f. 30 Spur 2004, a.a.O., S. 367. 31 Abelshauser 2004, a.a.O., S. 115. 32 Karl Heinz Mommertz: Vom Bohren, Drehen und Fräsen. Zur Kulturgeschichte der Werkzeugmaschinen. München 1979, S. 146. Abelshauser 2004, a.a.O., S. 116 f. 33 Zum Marshall-Plan vgl. Abelshauser 2004, a.a.O., S. 130 ff. Vgl. Walter Kaiser: Wissenschaft und Technik nach 1945. In: Helmut König, Wolfgang Kuhlmann, Klaus Schwabe (Hrsg.): Vertuschte Vergangenheit. München 1997, S. 241-256, hier S. 253. 34 Vgl. Rüdiger Haude: Dynamik des Beharrens. Die Geschichte der Selbstverwaltung der RWTH Aachen seit 1945. Ein Beitrag zur Theorie der Reformprozesse. Aachen 1993, S. 5-14. Vgl. auch Klinkenberg 1970, a.a.O., S. 177-180. 35 Ebd., S. 111, S. 179. Vgl. auch HAAc Akte 12139, Artikel in den Aachener Nachrichten vom 4. Januar 1946. 36 Haude 1993, a.a.O., S. 9. Vgl. dort auch die britischen Bedingungen für die Wiedereröffnung. 37 Joachim Böttger: Forschung für den Mittelstand. Die Geschichte der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) im wirtschaftpolitischen Kontext. Köln 1993, S. 30. 38 Arthur W. J. Edwards: Zwei kritische Jahre in der Geschichte der RWTH Aachen. In: Manfred Heinemann (Hrsg.): Hochschuloffiziere und Wiederaufbau des Hochschulwesens in Westdeutschland 1945-1952, Teil 1: Die britische Zone. Hildesheim 1990, S. 133-143, hier S. 133. 39 Ebd., S. 133-134. 40 Ebd., S. 143. 19 20

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Ebd., S. 138-139. Ebd., hier S. 137. 43 80 Jahre WZL 1986, a.a.O., S. 63. 44 VV 1946/47. 45 Hans Starck, Manfred Weck. In: Habetha 1995, a.a.O., S. 298. 46 Böttger 1993, a.a.O., S. 30. 47 80 Jahre WZL 1986, a.a.O., S. 69. 48 Herwart Opitz: Die Entwicklung des Werkzeugmaschinenbaues im Ausland. In: Alma Mater Aquensis 1950, S. 242-244. 49 Herwart Opitz: Die Entwicklung des Werkzeugmaschinenbaues im Inland. In: Alma Mater Aquensis 1951, S. 169-171. 50 Herwart Opitz (Hrsg.): Aufwand, Leistung und Wirtschaftlichkeit neuzeitlicher Werkzeugmaschinen. Vorträge und Diskussionen zum 6. Aachener WerkzeugmaschinenKolloquium. Essen 1953, Vorwort, S. 7. 51 Felix Eisele (1900-1965) hat bereits 1937 einen Ruf nach Braunschweig und 1949 einen zweiten Ruf zum Professor und Leiter des Instituts für Werkzeugmaschinen an die Technische Hochschule München erhalten. Anzunehmen ist, dass er kurze Zeit danach das Forschungskolloquium Maschinenbau (FoKoMa) einrichtete. 52 Laut Zeitzeugenaussage von Hans-Günther Rohs am 14. November 2005. 1962 kommt eine weitere Oberingenieursstelle für das Gebiet Automatisierung dazu. 53 Herwart Opitz: Das Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre der Technischen Hochschule Aachen. In: Jahrbuch 1963, hrsg. v. Ministerpräsidenten des Landes Nordrhein-Westfalen – Landesamt für Forschung. Köln/Opladen 1964, S. 227-283, hier S. 229-231. 54 Stand und zukünftige Entwicklungen der Produktion. Festschrift für Prof. Herwart Opitz zur Vollendung des 65. Lebensjahres gewidmet von seinen früheren und jetzigen Mitarbeitern. Essen 1970, vgl. das Organigramm auf S. 14. 55 Opitz 1964, a.a.O., S. 231. Im Weiteren werden die vier Arbeitsgebiete vorgestellt. 56 Vgl. Kapitel 2 zum Thema Zerspanforschung (ab 1906). 57 Bericht über das 4. Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium. In: Industrie-Anzeiger, Sonderteil für Gestaltung und Einsatz von Werkzeugmaschinen sowie spangebende und spanlose Bearbeitungsverfahren, 1951, Band 73, S. 56-57. 58 Bericht über das 5. Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium. In: Industrie-Anzeiger, Sonderteil für Gestaltung und Einsatz von Werkzeugmaschinen sowie spangebende und spanlose Bearbeitungsverfahren, 1952, Band 74, S. 633-639. 59 Internationale Zerspanungstagung 1959, 13. Forschungsbericht des WZL. Essen 1960, S. 1. 60 Vgl. Zeitzeugenaussage von Hans Obrig am 13. Oktober 2005 und Zeitzeugenaussage von Hans-Günther Rohs am 14. November 2005. 61 Vgl. Kapitel 9 zum Thema EDM / ECM (ab 1950). 62 Opitz 1964, a.a.O., S. 235-243. 80 Jahre WZL 1986, a.a.O., S. 87-88. Vgl. Kapitel 10 zum Thema Schleiftechnik (ab 1930). 63 Opitz 1953, a.a.O. Vgl. Kapitel 11 zum Thema Dynamisches Verhalten von Werkzeugmaschinen (ab 1954). 41 42

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Vgl. Kapitel 6 zum Thema Zahnrad- und Getriebeuntersuchung (ab 1950). Herwart Opitz: Die Fertigungstechnik als Wirtschaftsfaktor. Rektoratsrede, gehalten an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen am 11. November 1958. Essen 1958. Vgl. Kapitel 5 zum Thema Werkstückstatistik (ab 1955). 66 Vgl. Kapitel 4 zum Thema Antriebstechnik (ab 1946). 67 Opitz 1953, a.a.O. 68 Herwart Opitz: Entwicklung im Werkzeugmaschinenbau, Berichtband zum 8. Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium. Essen 1956, S. 36-40. 69 80 Jahre WZL 1986, a.a.O., S. 90 f. 70 Walter Kaiser: Von Taylor und Ford zur „lean production“ – Innertechnische und politische Aspekte des Wandels der Produktion. In: Alma Mater Aquensis 1993/94, S. 173-191, hier S. 184 f. 71 Vgl. Kapitel 8 zum Thema NC-Forschung und Programmiersysteme (ab 1965). 72 Spur 1991, a.a.O., S. 559. 73 Vgl. Kapitel 7 zum Thema Steuerungstechnik (ab 1962). 74 Vgl. HAAc Akte 1041, Schreiben vom 29. Januar 1952 von Opitz an den Rektor, in dem er ihn über die Gründung einer Arbeitsgemeinschaft für Rationalisierung aufklärt und Prof. Schenk und sich als Vertreter der Hochschule Aachen nennt. Diese Arbeitsgemeinschaft plant eine Institutsgründung und überreicht dem Rektor mit diesem Schreiben einen Antrag an das Wirtschaftsministerium zur Bereitstellung von Mitteln für das geplante Institut. Über die Anfänge der Arbeitsgemeinschaft für Rationalisierung vgl. HStA NW 417-102, Sitzungsprotokolle. 75 Vgl. HAAc Akte 4202, FIR-Mitteilung zum Tod von Opitz 1978. Vgl. HAAc Akte 1041, Zeitungsausschnitt der Aachener Nachrichten vom 29. März 1956 über das Richtfest des FIR. 76 Vgl. HAAc Akte 4202, Schreiben vom Dekan an das Kultusministerium vom 17. Januar 1966, vom Rektor an Opitz am 4. April 1967. Vgl. auch FIR-Mitteilung zum Tode von Opitz 1978. 77 Vgl. HAAc Akte 12139, Krekelers Rede aus Anlass der Einweihung des neuen Institutsgebäudes für das Institut für Schweißtechnik und das Institut für Kunststoffverarbeitung am 23. Oktober 1959. Biographische Angaben zu Karl Krekeler (18861965) vgl. Kapitel: Die erste Generation im WZL, S. 25. 78 Vgl. 80 Jahre WZL 1986, a.a.O., S. 111. Vgl. auch Klinkenberg 1970, a.a.O., S. 304. 79 80 Jahre WZL 1986, a.a.O., S. 82. Vgl. Otto Kienzle: 25 Jahre Hochschulgruppe Fertigungstechnik 1937-62, Vortrag zur Jahrestagung der Hochschulgruppe Fertigungstechnik. Weinheim 1962, S. 16. 80 Vgl. 80 Jahre WZL 1986, a.a.O., S. 82. 81 Manfred Weck: Die Gemeinschaftsforschung im Bereich des Werkzeugmaschinenbaues und der Fertigungstechnik und Umsetzung der Forschungsergebnisse in die Praxis. In: AiF (Hrsg.): Von der Forschung zur Anwendung. Köln 1974, S. 40-46. Zur AiF vgl. auch Böttger 1993, a.a.O. 82 Opitz 1964, a.a.O., S. 235. 83 HAAc Akte 12139, Trauerrede von Herwart Opitz bei der Beisetzung von Wallichs am 21. Mai 1959. Vgl. zahlreiche Nachrufe z. B. HAAc Akte 13292, Anschlag des Rek64 65

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tors und Senats der RWTH Aachen und Nachruf Adolf Wallichs. In: Werkstattstechnik, Zeitschrift für Produktion und Betrieb, 49 (6) 1959, S. 301. 84 HAAc Akte 2732, Antrag mit Begründung vom Dekan der Fakultät für Maschinenwesen und Elektrotechnik der Technischen Hochschule Aachen vom 25. Februar 1953. Vgl. auch HStA Düsseldorf NW O 824. Vgl. auch Alma Mater Aquensis 1954, S. 12. 85 Vgl. HAAc Akte 2732, Artikel „Fackeln leuchteten zum Jubiläum“. In: Aachener Nachrichten vom 30. Juni 1956 mit Bild; Artikel „Geheimrat Wallichs 50 Jahre Professor“. In: Aachener Volkszeitung vom 30. Juni 1956 mit Bild. 86 Vorwort. In: Werkzeugmaschine und Fertigungstechnik. Festschrift für Prof. Dr.Ing. Dr. h. c. Herwart Opitz zur Vollendung des 60. Lebensjahres gewidmet von seinen ehemaligen und heutigen Mitarbeitern. Essen 1965, S. 8. Vgl. auch WZLInformation, Nachrichten aus dem Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre der RWTH Aachen, hrsg. von Walter Eversheim, Wilfried König, Tilo Pfeifer, Manfred Weck, Nr. 2, 1975, S. 3 f. 87 Zeitzeugeninterview mit Walter Eversheim am 22. Oktober 2003. 88 Vgl. Hubert Jansen: Zusammenarbeit zwischen Industrie und Forschung. In: Stand und zukünftige Entwicklungen in der Produktion. Festschrift für Prof. Herwart Opitz 1970, a.a.O., S. 33. 89 Zeitzeugeninterview mit Hans-Günther Rohs am 13. Juni 2005. 90 Zeitzeugeninterview mit Walter Eversheim am 22. Oktober 2003. 91 WZL-Information, a.a.O., Nr. 1, 1974, S. 8. 92 Zeitzeugeninterview mit Walter Eversheim am 22. Oktober 2003. V Null (v0) = Anfangsgeschwindigkeit eines Geschosses, wenn es den Lauf verlässt. Damit wollte Opitz bewirken, dass seine Mitarbeiter während seiner Abwesenheit „genügend Schub“ hatten. 93 Zeitzeugeninterview mit Karl Schwiegelshohn am 4. Oktober 2005. 94 Stand und zukünftige Entwicklungen in der Produktion. Festschrift für Prof. Herwart Opitz 1970, a.a.O., S. 8. 95 Ebd., S. 7 ff. 96 HAAc Akte 1223 und 4202, darin Zeitungsartikel der Aachener Nachrichten vom 11. November 1958 und vom 12. November 1958. 97 Opitz 1958, a.a.O. 98 Haude 1993, a.a.O., S. 133, S. 135. 99 Vgl. HAAc Akte 12145, Rede von Rektor Ohlenbusch bei der Feierstunde zum 80jährigen Bestehen des WZL am 6. Juni 1986. 100 Vgl. HAAc Akte 12129, Rektoratsrede von Opitz zur Amtsübernahme am 20. Oktober 1967. Zur Antrittsrede vgl. Herwart Opitz: Fertigungstechnik – Synthese der Ingenieurwissenschaften, Rektoratsrede. In: Alma Mater Aquensis 1968, S. 23-32. 101 Diese Strategie verlässt Opitz jedoch ein Jahr später. Bei der Immatrikulierungsfeier am 18. Oktober 1968 lässt Opitz Studenten, die durch verbale Störungen auffallen, durch einen Polizeieinsatz gewaltsam aus dem Saal entfernen. Von 1100 Studienanfängern verweigern 20 dem Rektor den Immatrikulationshandschlag. 40 Veranstaltungsstörer werden zur Personalfeststellung vorläufig festgenommen, es

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kommt jedoch zu keinen gerichtlichen Verfahren. Dennoch ist seitdem eine Radikalisierung der Studentenschaft zu spüren. Vgl. Haude 1993, a.a.O., S. 88-92; HAAc Akte N0106E und Aachener Volkszeitung vom 19. Oktober 1968; Hans Siemons: Aachens junge Wilde aus dem Hörsaal. Die 68er Studenten-Revolte an der Rheinischen-Westfälischen Technischen Hochschule. Aachen 1997, S. 53-59. 102 Haude 1993, a.a.O., S. 133-164. Vgl. HAAc Akte 4202, Schreiben des Rektors Faissner vom 22. April 1970; zum weiteren Verlauf der Hochschulreform vgl. auch Klinkenberg 1970, a.a.O., S. 228-230 und Alma Mater Aquensis 1969, S. 20 ff. 103 Vgl. HAAc Akte 12145, Rede von Rektor Ohlenbusch bei der Feierstunde zum 80jährigen Bestehen des WZL am 6. Juni 1986. 104 80 Jahre WZL 1986, a.a.O., S. 125. 105 Herwart Opitz: Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre der Technischen Hochschule Aachen. Sonderabdruck aus Werkstattstechnik – wt-Zeitschrift für industrielle Fertigung, 60. Jahrgang (1970), Heft 2, S. 80-87. 106 Spur 2004, a.a.O., S. 408. 107 80 Jahre WZL 1986, a.a.O., S. 112. 108 WZL-Information, a.a.O., Nr. 1, 1974, S. 6-10.

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Die dritte Generation im WZL: Walter Eversheim, Wilfried König, Tilo Pfeifer und Manfred Weck (1973-2002/3/4)

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Gliederung 1. Neue Strukturen – Gleicher Geist. Das WZL im Jahr 1973 1.1 Neubau des WZL im Seffent-Melaten 1972/76 1.2 Der Name Opitz bleibt mit dem WZL verbunden 2. Forschungsfelder im WZL ab 1973 2.1 Lehrstuhl für Produktionssystematik 2.2 Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren 2.3 Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen 2.4 Abteilung für Messtechnik für die automatisierte Fertigung / Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement (1988) 2.5 Vorlesungen am WZL 2.6 Technologietransfer am WZL 3. Erweiterungen und Ausgründungen des WZL 3.1 Das Fraunhofer Institut Produktionstechnologie IPT seit 1980 3.2 Raumnot am WZL – Der Pavillon ist fertig (1991) 3.3 Aachener Demonstrationslabor für integrierte Produktionstechnik (ADITEC) seit 1992 3.4 Existenzgründungen 4. Das Leben am Institut 5. Nachfolgeregelung: Die dritte Generation geht 5.1 Der „King“ geht – Fritz Klocke kommt! (1995) 5.2 „Von der Pflicht zur Kür“ – Emeritierung von Walter Eversheim (2002) 5.3 „Mr. Machine Tool“ – Emeritierung von Manfred Weck (2003) 5.4 „Ein Ingenieur von besonderer Qualität“ – Emeritierung von Tilo Pfeifer (2004)

Die dritte Generation im WZL: Das Vierer-Direktorium (1973-2002/3/4)

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1. Neue Strukturen – Gleicher Geist. Das WZL im Jahr 1973 Moderne Forschung verlangt die uneingeschränkte Bereitschaft zur Teamarbeit. Dieser von Opitz geprägte Gedanke wird auch nach seiner Emeritierung am WZL konsequent umgesetzt. Die bisherige organisatorische Einheit bleibt erhalten, um eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen den Lehrstühlen zu gewährleisten – getreu dem WZL-Motto: „Alles unter einem Dach“. Das WZL wird 1973 den wissenschaftlichen Disziplinen entsprechend in drei Lehrstühle und eine Abteilung untergliedert. Die neue Institutsleitung setzt sich aus vier Professoren zusammen: Wilfried König für den Lehrstuhl für „Technologie der Fertigungsverfahren“, Walter Eversheim für den Lehrstuhl für „Produktionssystematik“, Manfred Weck für den Lehrstuhl für „Werkzeugmaschinen“ und Tilo Pfeifer für das Lehrund Forschungsgebiet „Messtechnik für die automatisierte Fertigung“.

Abb. 1 Die Institutsleitung des WZL (v.l.n.r.): Tilo Pfeifer, Wilfried König, Walter Eversheim und Manfred Weck (1973)

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Wilfried König wird am 19. Oktober 1928 in Rivenich bei Trier geboren. Er studiert von 1951 bis 1957 Maschinenbau an der RWTH Aachen, wobei er schon seit 1956 als Hilfsassistent am WZL arbeitet. 1958 beginnt er als Wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Opitz und promoviert 1962 über die „Ermittlung der Ursachen für ein unterschiedliches Kolkstandzeitverhalten bei der Zerspanung von Werkstoffen gleicher Normbezeichnung mit Hartmetalldrehwerkzeugen“.1965 wird er Oberingenieur am WZL. Im gleichen Jahr habilitiert er sich mit dem Thema „Über den Einfluß nichtmetallischer Einschlüsse auf die Zerspanbarkeit von

unlegierten Baustählen“ und wird bereits ein Jahr später als Dozent für das Lehrgebiet „Spanabhebende Formgebung“ an der RWTH Aachen eingesetzt. Schon 1968 wird König zum wissenschaftlichen Abteilungsvorsteher und Professor ernannt, welches mit der Übernahme der Leitung der „Abteilung für Zerspantechnik und Abtragende Bearbeitungsverfahren“ innerhalb des Laboratoriums verbunden ist. Wilfried König wird im Januar 1972 zum Professor für den Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren berufen.

Walter Eversheim wird am 10. August 1937 in Aachen geboren. 1957 beginnt er mit dem Studium des Maschinenwesens in Aachen, das er 1962 abschließt und mit einem Studium der Wirtschaftswissenschaften an der RWTH Aachen bis 1964 ergänzt. Das WZL lernt er schon 1960 als Studentische Hilfskraft kennen; 1962 beginnt er dort als einer von drei Wissenschaftlichen Mitarbeitern in der „Abteilung Betriebsorganisation“. 1965 promoviert er bei Opitz über das Thema „Fertigungsplanung und -steuerung in der Kleinserien- und Einzelfertigung unter besonderer Berücksichtigung der Teilefamilienfertigung“. Opitz ernennt ihn 1966 zum Oberingenieur sowie zu

seinem offiziellen Stellvertreter. 1969 habilitiert er sich mit einer Arbeit über „Konstruktionssystematik: Aufgaben und Möglichkeiten“ an der RWTH Aachen und bleibt auch nach dem Eintritt in ein Industrieunternehmen dem WZL und Aachen als Privatdozent verbunden. Von 1969 bis 1971 ist er als Abteilungsleiter bei der Allgemeinen Deutschen Philips GmbH in Hamburg und Aachen tätig. Von 1972 bis 1973 arbeitet er als Prokurist der Siemens AG in Erlangen und als Abteilungsleiter bei der Kraftwerk-Union in Mülheim/Ruhr. Am 1. April 1973 erfolgt die Ernennung von Walter Eversheim zum Professor des Lehrstuhls für Produktionssystematik.

Die dritte Generation im WZL: Das Vierer-Direktorium (1973-2002/3/4)

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Manfred Weck wird am 20. November 1937 in Solingen geboren. Nach einer Lehre als Werkzeugmacher (1955-1958) und einem Studium des Maschinenbaus, Studienrichtung Fertigungstechnik, an der Staatlichen Ingenieurschule für Maschinenwesen Iserlohn (1959-1961) arbeitet Weck von 1962 bis 1963 als Konstrukteur bei der Firma Bremshey & Co. in Hilden. 1963 entschließt er sich zu einem Maschinenbaustudium an der RWTH Aachen. Er beendet sein Studium 1966 und wird anschließend Wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Opitz. 1969 promoviert Weck über die „Analyse linearer Systeme mit Hilfe der Spektral-

dichtenmessung und ihrer Anwendung bei dynamischen Werkzeugmaschinenuntersuchungen unter Arbeitsbedingungen“ und Opitz stellt ihn als Oberingenieur der Abteilung „Konstruktive Gestaltung von Werkzeugmaschinen“ ein. Im Dezember 1971 habilitiert er sich mit der Arbeit über „Dynamisches Verhalten spanender Werkzeugmaschinen“ und vertritt seitdem das Fach „Dynamik-Probleme bei Werkzeugmaschinen“ an der RWTH Aachen. Anschliessend geht er als Technischer Leiter zur Firma Wolf-Geräte GmbH nach Betzdorf. Im Mai 1973 wird Manfred Weck zum Professor für den Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen ernannt.

Tilo Pfeifer wird am 5. August 1939 in Benzen geboren. Er studiert von 1959 bis 1964 Elektrotechnik (Fachrichtung Nachrichtentechnik) an der RWTH Aachen und tritt bereits 1961 im 2. Semester als Studentische Hilfskraft den „Schwingern“ des WZL bei. Nach Abschluss seines Studiums wird er 1965 Wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Opitz und promoviert 1968 mit dem Thema „Berührungsloser elektromagnetischer Schwingungserreger für dynamische Untersuchungen an Werkzeugmaschinen“. Nach einer zweijährigen Tätigkeit als Assistent der Geschäftsführung bei BoschBlaupunkt in Hildesheim kehrt Pfeifer 1970 als Oberingenieur der Automati-

sierungsgruppe an das WZL zurück. 1972 habilitiert er sich mit dem Thema „Meßverfahren zur Beurteilung der Arbeitsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen“ und übernimmt im selben Jahr als Wissenschaftlicher Rat und Professor die Leitung des Lehr- und Forschungsgebietes „Messtechnik für die automatisierte Fertigung“, das dem WZL angegliedert ist. Auch nach der Emeritierung von Opitz bleibt Pfeifer in seiner Funktion tätig. 1988 wird aus dieser Abteilung der erster Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement in Deutschland, auf den Tilo Pfeifer am 10. August 1988 berufen wird.

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Abb. 2 Modell des neuen Werkzeugmaschinenlabors in den 1960er Jahren

1.1 Neubau des WZL im Seffent-Melaten 1972/76 Erste Pläne für eine Erweiterung des Werkzeugmaschinenlabors hat Opitz bereits Ende der 1950er Jahre. Das vom Kultusministerium im Oktober 1960 genehmigte Raumprogramm sieht eine Erweiterung des Grundstückes in der Wüllnerstraße um 2310 m2 auf eine Gesamtfläche von rund 5000 m2 vor. Nachdem bereits Baupläne zu diesem Projekt angefertigt werden, kommt es 1962 zu einem anderen Entschluss: Das WZL soll auf den Königshügel ausgelagert werden, wo ausreichend Platz zur Verfügung steht. Doch die weitere Planung zieht sich über einen Zeitraum von 3 Jahren hin. Ende 1966 wird die Verwirklichung des Projektes aufgrund der Finanzsituation in Frage gestellt. Erst mit den Hochschulförderungsmaßnahmen von 1968 wird das Projekt „2. Sammelbau der Fakultät für Maschinenwesen“ auf dem Erweiterungsgelände Seffent-Melaten wieder aufgegriffen. Hier sollen das WZL und das Institut für Regelungstechnik, das Institut für hydraulische und pneumatische Antriebe und Steuerungen (IHP) sowie das Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik untergebracht werden. Das

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Abb. 3 Bau der Werkzeugmaschinenhalle 1975

Kultusministerium genehmigt für das Bauvorhaben eine Nutzfläche von insgesamt 11.000 m2, auf der ein Bürogebäude, ein Hallen- und ein Hörsaalbereich entstehen sollen.1 Schon Ende 1972 findet die Grundsteinlegung im Hochschulerweiterungsgebiet Seffent-Melaten statt und die Bauarbeiten des Bürotraktes beginnen. Im Mai 1976 ziehen die ersten Mitarbeiter des Lehrstuhls für Produktionssystematik in das neue Gebäude. Die nutzbare Bürofläche beträgt nun etwa 3400 m2. Die ersten Stimmen zum Thema „Leben im Neubau“ sind durchweg positiv. Gelobt werden vor allem das Raumangebot, die Möglichkeiten zu ungestörtem Arbeiten und die vorzügliche Ausstattung mit neuem Mobiliar und technischen Geräten. Für den Hallenbereich erfolgt eine gesonderte Zustimmung der Ministerien. Der Bau beginnt im Jahr 1975; die Fertigstellung erfolgt im Oktober 1976. Nun steht dem WZL eine Halle mit rund 3200 m2 zur Verfügung – eine Vergrößerung um das Vierfache.2 Der endgültige Umzug des gesamten Instituts findet im Sommer 1977 statt. Nach jahrelanger räumlicher Trennung sind nun alle Mitarbeiter des WZL wieder „unter einem Dach“. Stichtag für den endgültigen Abschluss des Umzugs ist die Einweihungs-

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Abb. 4 Opitz feiert im Juni 1975 seinen 70. Geburtstag inmitten seiner langjährigen Freunde und Mitarbeiter

feier am 29. Oktober 1977. Die offizielle Feierstunde wird mit Reden und einer Besichtigung des neuen Gebäudes gefeiert. Die Mitarbeiter und Ehemaligen – unter ihnen natürlich auch Opitz – treffen sich abends zum Hallenfest, gemäß der alten WZL-Tradition. Beim Auftritt des Chors fällt jedoch die Größe der Halle zum ersten Mal negativ auf: Erst nach Verstärkung durch Chorsänger aus dem Kreis der Ehemaligen reicht das Klangvolumen aus, um die „ganze Halle zu füllen“. Die weitere Gestaltung des Abends übernehmen traditionsgemäß „The Kingston-Five“, die den Tanzlustigen bis spät in die Nacht einheizen.3 1.2 Der Name Opitz bleibt mit dem WZL verbunden Am 15. Juni 1978 verstirbt Opitz in Aachen. Mit ihm geht der Mann, der über Jahrzehnte die Geschicke des Labors geleitet und die Arbeitsweise und den Stil des WZL entscheidend geprägt hat. So ist in der Mitarbeiterzeitschrift „WZL-Information“ zu lesen: „Die Welt der Wissenschaft verliert mit Opitz einen hervorragenden Forscher und Lehrer. Die WZLer trauern um den Mann, der ihr Institut zu seiner heutigen Bedeutung gebracht hat. Es ist uns eine dankbare Pflicht, sein Erbe in seinem Sinne fortzuführen. (…) Das Markenzeichen WZL wird immer untrennbar mit dem Namen Opitz verbunden bleiben.“4 Abb. 5 Herwart Opitz (1905-1979)

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Am 6. Juni 1979 – Opitz ist bereits seit einem Jahr verstorben – erhält der 2. Sammelbau der Fakultät für Maschinenwesen im Seffent-Melaten den Namen „Herwart-Opitz-Haus“. Nach dieser angemessenen Zeitspanne entschließen sich Rektor und Senat der RWTH Aachen für diese Namensgebung. Rektor und Senat, der Dekan und die Fakultät für Maschinenwesen sowie die Institutsleitung des WZL laden im Juni 1979 zu einem Empfang und einer Besichtigung des Gebäudes ein. Der Rektor, Ottmar Knacke, würdigt in der Festrede den Namensgeber, der das Werkzeugmaschinenlabor zu Weltruhm geführt hat: „Mit dieser Namensgebung soll an die hervorragenden Leistungen des weit über die Grenzen Deutschlands hinaus bekannten Wissenschaftlers und Hochschullehrers auf dem Gebiet des Werkzeugmaschinenbaus, der Betriebslehre und der Fertigungstechnik erinnert werden.“5 Besonders betont Knacke die Fähigkeit von Opitz, seine Mitarbeiter in eine große Fami- Abb. 6 Die Opitz-Büste im Foyer des lie einzubinden. Dies ist wohl sein Rezept für Herwart-Opitz-Hauses (geschaffen von Wolfgang Binding) den Erfolg gewesen. Ein Enkel von Opitz enthüllt die von dem Künstler und Kollegen Professor Wolfgang Binding geschaffene Büste mit dem Antlitz seines Großvaters. Diese schmückt noch heute das Foyer des Herwart-Opitz-Hauses. Opitz erhält im September 1979 posthum von der brasilianischen Universität Santa Catarina (UFSC) in Florianopolis, die mit der RWTH Aachen eine Partnerschaft unterhält, eine weitere Ehrung. Eine Ehrengedenktafel würdigt Opitz für seine Verdienste um die Partnerschaft zwischen der UFSC und der RWTH Aachen.6 Der VDI benennt 1980 die goldene Ehrenmedaille des Vereins nach Opitz. Sie wird für besondere wissenschaftliche Leistungen im Bereich der ProAbb. 7 Die Ehrentafel für Herwart Opitz hängt in der brasilianischen duktionstechnik verliehen. Die Medaille wird erstmals 1980 an Hans Starck, einem ehemaligen Universität Santa Catarina (UFSC) in Florianopolis Oberingenieur von Opitz, verliehen.7

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2. Forschungsfelder im WZL ab 1973 Während in den Jahren des Wiederaufbaus unter Opitz die Mechanisierung und Automatisierung zur Produktivitätssteigerung im Vordergrund stehen, werden in den 1970er Jahren Ziele wie Informationsverarbeitung, NC-Werkzeugmaschinen, EDV-Systeme und Computer Aided Design (CAD) zur Steigerung der Flexibilität gegenüber Marktschwankungen immer wichtiger. Größere Variantenvielfalt auf den Märkten und steigende Arbeitskosten fördern den Trend zu mehr Flexibilität bei gleichzeitiger

Abb. 8 und 9 Das WZL in den 1970er Jahren: Außenansicht und Blick in die neue Werkzeugmaschinenhalle im Seffent-Melaten

Automatisierung. Die kommenden Jahre sind gekennzeichnet durch die Entwicklung einer neuen Generation von Produktionstechnologien unter dem bestimmenden Einfluss der elektronischen Datenverarbeitung.8 Die vier Professoren setzen sich daher das gemeinsame Ziel, als Entwickler und Wegbereiter neuer Produktionstechniken durch anwendungsorientierte Forschung praxisgerechte Lösungen zur Rationalisierung von Produktionsabläufen zu erarbeiten.

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Dies geschieht vor dem Hintergrund der steigenden Lohn-, Rohstoff- und Energiekosten, die entscheidend die Wettbewerbsfähigkeit und Rentabilität industrieller Unternehmungen bestimmen. Am WZL stellt man sich der Herausforderung, bisher bekannte Herstellungsverfahren und Fertigungsfolgen neu zu durchdenken, um damit eine Kostensenkung ohne Qualitätsminderung der Produkte zu schaffen. Die vielfältigen nationalen und internationalen Kontakte zu anderen Forschungsstätten und zu verschiedenen Industrieunternehmen werden weiterhin gepflegt, da sie einerseits den aktuellen Wissensstand gewährleisten und andererseits eine auf die Belange der Praxis bezogene Forschungspolitik garantieren.9

2.1 Lehrstuhl für Produktionssystematik Moderne Produktionstechnik wird bestimmt durch systematische Betrachtung der Abläufe innerhalb einzelner Unternehmensbereiche im Hinblick auf ihre technischen und organisatorischen Verbesserungsmöglichkeiten. Ebenso ist eine sinnvolle gegenseitige Abstimmung und Verflechtung der Arbeiten aller Unternehmensbereiche von Vorteil. Unter Berücksichtigung dieser Konzeption orientieren sich die Forschungsgebiete des Lehrstuhls für Produktsystematik in den 1970er Jahren an der Struktur der Unternehmen: Produktplanung, Konstruktionsplanung, Produktionsplanung, Programmiersprachen für die Fertigungstechnik und Technische Informationssysteme.

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Mit der Einführung der NC-Technik erweitern sich die Forschungsgebiete am WZL. Die Arbeiten auf dem Gebiet problemorientierter Programmiersprachen für die Fertigungstechnik werden schon von Opitz in den 1960er Jahren begonnen. Eversheim führt diese Forschungen in den 1970er Jahren weiter. Er konzentriert sich auf den Ausbau und die Erleichterung der Anwendung von EXAPT sowie auf die Entwicklung von NC-Programmiersprachen für neu zu erschließende Anwendungsgebiete und reagiert damit auf die vom Markt geforderten Innovationen.10 Die Ende der 1960er Jahre zunehmende Anwendung elektronischer Datenverarbeitung verändert nicht nur die Produktionsprozesse, sondern auch die Betriebsorgani-

Abb. 10 Fertigungsanlage 1984

sation. Schon unter Opitz beschäftigt sich das WZL mit der grafischen Datenverarbeitung „Computer Aided Design“ (CAD). Das sich schnell weiterentwickelnde Gebiet greifen Eversheim und seine Mitarbeiter ab den 1970er Jahren auf und erforschen die Bereiche der rechnerunterstützten Konstruktion und Arbeitsplanung (Computer Aided Process Planning, CAPP) sowie der rechnerunterstützten Fertigung (Computer Aided Manufacturing, CAM). So steht das 18. AWK von 1984 ganz im Zeichen des Einsatzes von CAx-Systemen. Später, Ende der 1980er Jahre, führt dies zum Forschungsschwerpunkt CIM (Computer Integrated Manufacturing); gemeint ist ein integrierter und gekoppelter Informationsfluss für den Rechnereinsatz in Konstruktion, Arbeitsvorbereitung, Fertigung und Montage.11 Hierfür ist die enge Zusammenarbeit zwischen den WZL-Lehrstühlen

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besonders vorteilhaft. Das 19. AWK von 1987 widmet sich dem Motto „Produktionstechnik auf dem Weg zu integrierten Systemen“. Der Systemgedanke gewinnt in der Produktionstechnik immer stärker an Bedeutung. Durch den konsequenten Einsatz moderner Informationsverarbeitung können viele Unternehmen ihre Wettbewerbsfähigkeit beträchtlich steigern. Der Rechnereinsatz führt zu einer langfristigen Produktivitätssteigerung, wenn es gelingt, die neuen Technologien der Kommunikation und der Informationsverarbeitung für den gesamten Produktionsprozess in Form durchgängig integrierter Systeme zu nutzen. Das Zusammenführen von verschiedenen CAxSystemen in ein Erklärungsmodell, gemeint sind CIM-Ketten, stellt eine Besonderheit der Forschungen im WZL dar.12 Eversheim und seine Mitarbeiter entwickeln Ende der 1980er Jahre digitale Unternehmensdatenmodelle, die eine durchgängige, unternehmensübergreifende Prozesskette von der digitalen Planung bis hin zur Nutzung der gleichen Daten im Enterprise Resource Planning-System (ERP) des Produktionsbetriebs ermöglichen. Mitte der 1980er Jahre gewinnen Investitionsentscheidungen über komplette Fertigungssysteme für Unternehmen an Bedeutung, weil größere Variantenvielfalt und hohe Produktkomplexität das Investitionsrisiko steigern und iterative Planungen für unterschiedliche Produktionsszenarien notwenig machen. Eversheim entwickelt die rechnerunterstützte Produktionsplanung (CAP) weiter und beginnt mit Simulations- und Animationsmodellen zur Auslegung ganzer Fabriken. Mit dem im WZL entwickelten System GISA (Grafisch Interaktive Simulation und Animation) können alternative Fertigungskonzepte und Produktionsstrukturen technisch und wirtschaftlich im Vergleich zueinander bewertet werden. Darüber hinaus kann auch die Flexibilität der verschiedenen Produktionssysteme beurteilt werden. Während dieser Teil der Forschungsarbeiten darauf abzielt, auch bei variantenreicher Kleinserienfertigung eine kostengünstige Produktion zu planen und zu realisieren, beschäftigen sich andere Forschergruppen mit Fragen und Lösungen zum Varianten- bzw. Komplexitätsmanagement. Hieraus entsteht der sogenannte „Variantenbaum“, der zur Darstellung und Beurteilung von Produktstrukturen dient.13 Die Methode Simultaneous Engineering (SE), die Parallelisierung von Prozessen zur Verkürzung der Frist bis zur Markteinführung (Time-to-Market), wird seit den 1970er Jahren in der japanischen und amerikanischen Automobilbranche angewendet. Eversheim greift als einer der ersten Hochschulforscher diese Entwicklung Mitte der 1980er Jahre auf, um Grundlagen- und Methodenforschung zu betreiben und um die Anwendbarkeit von SE auf andere Branchen zu überprüfen. Die erste Tagung zum Thema „Simultaneous Engineering“ führt das WZL 1989 gemeinsam mit dem VDI durch. Eversheim ist sich bewusst, dass das Thema SE nur in einem Gemeinschaftsprojekt umfassend erforscht werden kann. Dem von der DFG geförderten Sonderforschungsbereich 361, bei dem alle vier Lehrstühle des WZL intensiv mit weiteren 10 Professoren der RWTH Aachen zusammenarbeiten, steht Eversheim bis zu seiner Emeritierung 2002 als Sprecher vor.14 Mitte der 1980er Jahre wird der Umweltschutz in Industrieunternehmen nicht mehr nur noch als Kostenfaktor gesehen. Umweltrelevante Aspekte bei der Produktentwicklung und Produktionsgestaltung gewinnen an Bedeutung, und die Forderung

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nach einem rationellen Einsatz natürlicher Ressourcen wird laut. Zusammen mit anderen Aachener Instituten erarbeiten Eversheim und seine Mitarbeiter Prozessstrukturen, die einerseits die notwendige Reduzierung von Umweltbelastungen ermöglichen und andererseits zur Verminderung der entstehenden Folgekosten beitragen (Life Cycle Design).15 Das Forschungsgebiet der Ressourcenverfahren greift Eversheim Anfang der 1990er Jahre auf. Industrieunternehmen müssen ihre Ressourcen effektiv und zielgerichtet einsetzen, um konkurrenzfähig zu bleiben. Daher entwickelt man zur ressourcenorientierten Produktgestaltung am WZL Systeme, wie den Change-Management-Ansatz PROPLAN (Prozessplan) oder MOTION (Model for Transforming, Identifying and Optimizing Core Processes), die erfolgreich in Unternehmen eingesetzt werden.16 2.2 Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren Der 1973 neu eingerichtete Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren setzt die bisher am WZL durchgeführten Untersuchungen auf dem Gebiet der spanenden und abtragenden Bearbeitungsverfahren fort. König und seine Mitarbeiter untersuchen die Zusammenhänge zwischen Werkzeugverschleiß und Schnittbedingungen bei der Zerspanung von Stahl- und Gusswerkstoffen sowie bei der Bearbeitung von Leichtmetallen und hochwarmfesten Werkstoffen.17 Das Forschungsgebiet der Schleiftechnik hat in Aachen – bis heute – einen herausragenden Stellenwert.18 Die 1970er Jahre sind durch die Entwicklungen von hochharten Schneidstoffen geprägt. Schon 1978 testen die Mitarbeiter von König die ersten cBN-Werkzeuge Europas im Aachener Labor. Eine wichtige Voraussetzung für eine breite Anwendung ist es, diese Schleifscheiben auch abrichten zu können. Als besonders erfolgversprechend für Hochleistungsprozesse erscheinen Kunstharz- und keramisch gebundene Schleifscheiben. Es entstehen Arbeiten zum Schärfen und zum „Touch-Dressing“ dieser Werkzeuge. In enger Zusammenarbeit mit der Industrie entsteht eine Versuchsschleifmaschine zum Hochgeschwindigkeitsschleifen, die Umfangsgeschwindigkeiten bis 500 m/s ermöglicht. Hier wird mit galvanisch einschichtig belegten cBN-Schleifscheiben gearbeitet, deren Grundkörper aus hochfestem Aluminium oder aus einer CFK-Verbundkonstruktion bestehen. So gelingt es Königs Mitarbeitern, weit jenseits des Standes der Technik im Extrembereich die physikalischen Phänomene zu studieren, um von diesen Erkenntnissen auf eine technologisch sichere und wirtschaftlich sinnvolle Anwendung zurückzuschließen. Die Bedeutung der elektrisch abtragenden Bearbeitungsverfahren (EDM, ECM) wird am WZL vor allem aufgrund der verfahrensspezifischen Vorteile und des verstärkten Einsatzes von schwerzerspanbaren Materialien im Werkzeug- und Formenbau immer größer.19 Beim Elektroerodieren stehen Untersuchungen über den Entlade- und Erodiermechanismus sowie über die Zusammenhänge zwischen den elektrischen Arbeitskennwerten (Spannung, Strom, Entladedauer, Frequenz) und dem Arbeitsergebnis (Abtragleistung, Werkzeugverschleiß, Oberflächengüte) im Vordergrund. Nachdem das Elektroerodieren in den 1970er Jahren auch in der Serienproduktion angewendet wird, ist die Frage nach dem Abtrag- und Verschleißverhalten verschiedener

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Werkstoffpaarungen (Werkstückstoffe – Werkzeugstoffe) sehr bedeutungsvoll und wird von Königs Mitarbeitern intensiv bearbeitet. Die schon von Opitz begonnenen Untersuchungen auf dem Gebiet des elektrochemischen Senkens werden von König Anfang der 1970er Jahre insbesondere im Hinblick auf den Abbildungsvorgang der Werkzeugelektrode im Werkstück und der Abbildungsgenauigkeit fortgesetzt. Eine Abwandlung des elektrochemischen Abtragsprinzips stellt z. B. das Senken mit einem bipolaren Impulsgenerator dar, der durch kurzzeitige Umpolung die Entfernung von

Abb. 11 König präsentiert dem NRW-Wirtschaftsminister Reimut Jochimsen (l.) und dem Aachener Oberbürgermeister Dr. Kurt Malangré (r.) Forschungsergebnisse vor Ort (1987)

Deckschichten (Anodenschicht) ermöglicht. Solche Deckschichten führen z. B. bei einer Senkbearbeitung von Hartmetall zu einer fast vollständigen Passivierung der Hartmetalloberfläche und können den Abtragprozess unter Umständen völlig zum Erliegen bringen. Ein bipolarer Impulsgenerator wird am WZL entwickelt, gebaut und zur Optimierung des Prozesses eingesetzt. Auch das von Opitz bearbeitete Gebiet des elektrochemischen Honens führt König weiter. Bei diesem Verfahren stellt König fest, dass sich die Abtragleistung gegenüber dem konventionellen Honen erheblich steigern lässt. Darüber hinaus wird durch eine Regelung des Prozesses erreicht, dass große Formfehler in kürzester Bearbeitungszeit bei begrenzter Bohrungsaufweitung eliminiert werden können. Ein großes Aufgabengebiet stellt Ende der 1970er Jahre die Entwicklung von „Adaptive Control-Systemen“ (AC-Systeme) dar. Die Vielzahl nichtlinearer Einflussgrößen

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auf den Bearbeitungsprozess hat bisher verhindert, durch realitätsnahe Modelle den Prozessverlauf zuverlässig vorherzubestimmen. Mit dem Einsatz von AC-Systemen wird eine wesentliche Leistungssteigerung möglich. Dominierende Prozessparameter werden mit Sensoren im Prozess gemessen und durch geeignete Stellgrößen wird der Prozess optimal geführt.

Abb. 12 Das CIRP-Treffen findet 1978 in Aachen unter der Leitung des Vierer-Direktoriums statt

Im Bereich der Zerspanung sind die 1980er Jahre stark durch den Aufbau von Informationssystemen zur automatisierten Schnittwertermittlung auf Basis einer allgemeinen Werkstoffdatenbank geprägt. In enger Zusammenarbeit der beiden Lehrstühle von Eversheim und König wird am WZL das Informationszentrum für Schnittwerte (INFOS) entwickelt. Im Rahmen eines Verbundes mit mehr als 40 Industrieunternehmen werden Versuche zur Schnittwertermittlung beim Drehen, Fräsen, Bohren und Schleifen durchgeführt. Die ermittelten Daten werden in der INFOS-Datenbank organisiert und dienen jahrelang über den EXAPT-Verein der Industrie als Grundlage zur Ermittlung optimierter Einstellwerte. Die Ermittlung der spezifischen Schnittkräfte markiert aber auch einen Meilenstein zur Modellierung des Zerspanprozesses. König und seine Mitarbeiter erweitern die bekannte Kienzle-Formel zur Anwendung auf das Fräsen und sie berücksichtigen außerdem den Werkzeugverschleiß.20 In der physikalisch-technologischen Beherrschung einer Vielfalt unterschiedlicher Fertigungsverfahren liegt der Schlüssel, gesamte Fertigungsabläufe optimal auszulegen. Deshalb intensiviert König zu Beginn der 1980er Jahre auch die Forschungen im Bereich des Umformens mit einem Fokus auf ausgewählte Fertigungsverfahren, das Kaltfließpressen und das Feinschneiden, die als „Near Net Shape Technologien“ in

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besonderer Nähe zu den spanenden und abtragenden Technologien stehen und darüber hinaus Potenzial zur Ressourcenschonung besitzen.21 In den 1980er Jahren werden Laser nur vereinzelt in der industriellen Produktion eingesetzt. Das große Potenzial der Lasertechnologien zur Bearbeitung von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen wird allerdings schon sichtbar. König und seine Mitarbeiter nehmen sich auch dieser neuen Fertigungstechnologien an und erforschen in den Folgejahren wichtige Grundlagen, auf denen aufbauend Lasertechnologien für die praktische Anwendung qualifiziert werden.22 2.3 Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen Mit der Übernahme des Lehrstuhls Werkzeugmaschinen von Opitz im Jahre 1973 steckt Weck seine Forschungsfelder auf dem Gebiet der Werkzeugmaschinen neu ab. Die von ihm als wichtig erkannten Arbeitsgebiete spiegeln sich in der Abteilungsstruktur, d. h. in den vier von seinen Oberingenieuren geleiteten Forschungsabteilungen und deren Arbeitsgruppen, wider: Abteilung Mechanik und Kinematik der Werkzeugmaschinenstrukturen: • Berechnung und Optimierung von Maschinenstrukturen • Entwicklung leistungsfähiger Maschinenelemente • Messtechnische Maschinenuntersuchung, Schwachstellenanalyse Abteilung Steuerungstechnik und Automation: • Vorschubantriebe, Regelungstechnik, Parallelkinematik • Offene NC-Steuerungen (OSACA), Bedienoberflächen, Man-Machine-Interface (MMI) • Steuerung für Mehrmaschinensysteme, Leitstandstechnik • Automation und Roboteranwendungen Abteilung Zahnrad- und Getriebeforschung 23 Abteilung Produktionsmaschinen im Fraunhofer IPT (seit 1980): • Maschinen für die Ultrapräzisionstechnik • Anlagen zu Herstellung von Faserverbundbauteilen • Laserintegration in konventionelle Werkzeugmaschinen Die damals spezifizierten Forschungsabteilungen mit ihren Arbeitsgruppen und deren Aufgabenfeldern bestehen praktisch bis heute. Sie umfassen das gesamte Feld der Werkzeugmaschinenentwicklung. Im Bereich der Mechanik steht anfänglich die Software-Entwicklung für die Anwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) im Vordergrund, da hierzu zunächst noch keine kommerziellen Programme verfügbar sind. Die Vorausberechnung des Steifigkeitsverhaltens von komplexen Maschinenbauteilen, wie Ständer oder sogar von kompletten Maschinen ist ein großes Bedürfnis der Werkzeugmaschinenkonstrukteure in der damaligen Zeit. Es entsteht das legendäre FEM-Programm „FINEL“ zur statischen Verformungsanalyse und Spannungsberechnung. Aber auch die Ausweitung der statischen Berechnung auf die Vorhersage der dynamischen Eigenschaften von Werkzeugmaschinen wird vom WZL vorangetrieben. Diese anspruchsvolle Aufgabe mündet in dem Softwaretool DYNFIN. Diese beiden Programmsysteme sind lange Zeit die einzigen, mit denen anspruchsvolle Maschinenberechnungen sehr erfolgreich durchgeführt werden können.24

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Später kommen leistungsfähigere, professionelle FEM-Programme auf den Markt. Das WZL entwickelt hierfür Optimierungssoftware, d. h. über standardisierte Datenschnittstellen wird das FE-Modell solange nach einer vorgegebenen Strategie gezielt verändert, bis das Optimierungsziel erreicht ist. Häufiges Ziel der Optimierungsberechnung ist das Erzielen einer vorbestimmten Struktursteifigkeit bei minimalem Gewicht oder die günstigste Gestalt zur Erzielung einer minimalen Belastungsspannung. Dies sind wichtige Vorraussetzungen für die Entwicklung der hochdynamischen bzw. hochbelasteten Maschinen von heute. Oft führt dieses Verfahren zu geometrischen Lösungen, die man bei den bis dahin üblichen „trial and error“-Verfahren niemals finden würde. Aber auch mit neuen Wegen, die aufwendige Dateneingabe zu reduzieren, setzt man sich am WZL auseinander. Automatisch arbeitende Netzgeneratoren werden entwickelt, die abgeleitet aus den CAD-Daten die FE-Modellnetze erstellen. Auch der Datenverkehr in die entgegengesetzte Richtung wird gelöst: Aus der mit Hilfe der Optimierungsrechnung gewonnenen Gestalt in Form von veränderten FE-Netzen werden die zugehörigen CAD-Daten automatisch zurückgewonnen. Für den Konstrukteur bedeutet dies einen ungeheuren zeitlichen Rationalisierungsgewinn. Heute beschäftigt sich diese Arbeitsgruppe mit der virtuellen Werkzeugmaschine, d. h. mit einem komplett digitalen Abbild des gesamten Maschinenverhaltens, wobei auch die Belastung durch den Prozess wie auch die Steuerung einschließlich der Antriebe in einem Gesamtmodell Berücksichtigung finden. Ziel dieser umfassenden Maschinenbeschreibung ist die Vision, dass der Prototyp der Neuentwicklung sich fehlerfrei und pflichtenheftkonform verhält. Der Prototyp ist die erste Serienmaschine – eine Aufgabe, die uns noch lange beschäftigen wird. Die nächste Forschungsgruppe setzt sich zum Ziel, die an Werkzeugmaschinen wichtigen Hochleistungsmaschinenelemente und -komponenten entsprechend den hohen Anforderungen weiterzuentwickeln. Diese bestimmen in hohem Maße die Wirtschaftlichkeit einer Maschine. Linearwälzführungen, hydrostatische Führungsschienen, Hauptspindellager, Vorschubgetriebe, Spindel-Werkzeugschnittstellen sowie aktive und passive Dämpfer sind typische Objekte der Forschungsarbeiten. Um das Themengebiet „Hauptspindel und Hauptspindellagerung“ für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung hat sich vor circa 20 Jahren ein Industriearbeitskreis, bestehend aus Lagerfirmen, Werkzeugmaschinenfirmen, Schmiermittelherstellern und Spindelherstellern formiert, der die Arbeiten auf diesem wichtigen Gebiet begleitet und die Forschungsergebnisse im eigenen Anwendungsfeld umsetzt. Dieser Arbeitskreis arbeitet sehr erfolgreich und besteht bis heute. Wichtige Erkenntnisse auf dem Gebiet der Laufrillengeometrie, der Schmierkammergestaltung, der Lagervorspannung und der Käfiggestalt werden gewonnen. Während der ganzen Zeit wird parallel zu den versuchstechnischen Arbeiten ein Lagerprogramm mit dem Namen „WinLager“ entwickelt, das die kinematischen, statischen, dynamischen und thermischen Zustände im Spindellager sehr genau abbildet. Die mit Hilfe des Programms gewonnenen theoretischen Ergebnisse werden mit den umfangreichen Versuchsstandergebnissen verglichen und so wird die Vertrauenswürdigkeit des Lagerprogramms geprüft.

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Auch neue Lagerkonstruktionsansätze werden in jüngerer Zeit verwirklicht. So entsteht das 3- und 4-Punktlager, das den hohen Beanspruchungen bei hohen Drehzahlen wesentlich besser widersteht, als die konventionellen Spindellager. Ähnliches geschieht bei der Entwicklung des Hohlschaftkegels (HSK), einer neuen Spindel-Werkzeugschnittstelle, die dem bis dato verwendeten Steilkegel in den Eigenschaften Genauigkeit, Steifigkeit und Grenzdrehzahl weit überlegen ist. Das WZL kann sich wohl rühmen, dass es ohne seinen diplomatischen und forschungstechnischen Einsatz die HSK-Schnittstelle in Form eines Weltstandards nicht geben würde. Die jüngsten Arbeiten zum HSK führen zu dem VDMA-Einheitsblatt, in dem durch die Grundlagenuntersuchungen des WZL die Biege- und Torsionsgrenzlasten festlegt werden können.25 Die dritte Forschungsgruppe beschäftigt sich mit der messtechnischen Erfassung der Maschineneigenschaften. Neben der geometrischen und kinematischen Genauigkeit, bedingt durch die Herstellungssorgfalt der einzelnen Maschinenkomponenten und deren Montage, beschäftigt sich das WZL mit den lastabhängigen Einflüssen auf die Genauigkeit der Maschine – sei es durch die Prozesskräfte und die Werkstückgewichte oder durch die thermischen Verformungseinflüsse bedingt durch die vielen Wärmequellen in der Maschine, einschließlich der Prozesswärme.26 Seit der Amtsübernahme von Weck liegt ein besonderes Gewicht dieser Gruppe auf der Erfassung und Verbesserung des dynamischen Nachgiebigkeitsverhaltens von Werkzeugmaschinen. Es geht hierbei vor allem um die Ursachen- bzw. Schwachstellenfindung zur Vermeidung von Ratterschwingungen bei den spanenden Fertigungsverfahren. Die Dynamikmesstruppe des WZL ist über die vielen Jahre bis heute stark gefordert in Form von Troubleshooting in der Industrie. Fast wöchentlich treffen Anfragen aus der Industrie ein, die Ursache für das schlechte Ratterverhalten der neu entwickelten Maschinen zu finden und Maßnahmen zu dessen Abstellung abzuleiten und vorzuschlagen. Der erste hierzu erforderliche Fourier-Analysator auf Analogtechnikbasis wird Anfang der 1970er Jahre am WZL realisiert. Kurze Zeit später kann das WZL den ersten in Europa eingesetzten digitalen FourierAnalysator der Firma HP – von der DFG gefördert – in Empfang nehmen. Mit diesem Gerät reduziert sich der Messaufwand drastisch. Die Dynamikmesstruppe hat bis heute nicht an Bedeutung und Attraktivität für die Industrie eingebüßt. Durch die Ergebnisse aus der Vielzahl von Maschinenmessungen über einen langen Zeitraum wird es dem WZL – wie sonst keinem anderen Institut in der Welt – möglich, den Stand der Technik für das dynamische Nachgiebigkeitsverhalten in Abhängigkeit von Verfahren, Maschinentyp und Maschinengröße bzw. -leistung darzustellen. Es handelt sich dabei um wichtige Erkenntnisse bzw. Sollvorgabewerte für den Konstrukteur, die ihm bisher nicht zur Verfügung stehen. Parallel zu den messtechnischen Aufgaben beschäftigt man sich am WZL intensiv mit der Weiterentwicklung der Rattertheorie und deren Umsetzung in die praktische Anwendung. Basierend auf den Forschungsergebnissen von Tlusty und Tobias aus den 1960er Jahren ist es dem WZL möglich – finanziert über viele Jahre durch einen Forschungsvertrag mit der U.S. Air Force – sich diesem komplexen Forschungsthema zuzuwenden. Gerade die erfolgreiche Ausweitung der Rattertheorie auf den Schleifprozess ist ein besonderes Verdienst von Weck und seinen Mitarbeitern.27

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Aber auch die Geräuschemission und die Erkundung der Geräuschursachen sowie deren Vermeidung sind viele Jahre ein wichtiges Forschungsthema. Das WZL erfasst in zwei um circa 15 Jahre auseinander liegenden Zeitperioden den Stand der Technik, d. h. die Geräuschemission der Werkzeugmaschinen anhand von umfangreichen Messreihen über das gesamte Gebiet der Bundesrepublik. Zusammen mit dem VDW und dem VDI erarbeitet man eine Geräuschemissionsmessvorschrift unter typischen Maschinenbelastungen. Neben den reinen mechanischen Strukturfragen bilden die Entwicklungsaufgaben im Bereich der Antriebs- und Steuerungstechnik sowie der Automation ein weiteres Schwerpunktfeld am WZL, was auch durch die verantwortliche Leitung dieser Abteilung durch einen weiteren Oberingenieur zum Ausdruck kommt. Die Gruppe Antriebstechnik beschäftigt sich mit einer der wichtigsten Komponenten an der Werkzeugmaschine, nämlich mit der Verbesserung bzw. mit der Optimierung der Vorschubantriebe. Hier geht es einerseits um die mechanischen Komponenten wie Kugelrollspindeln und deren Lagerung sowie um Vorgelegegetriebe, d. h. um die Verbesserung des kinematischen und statischen Verhaltens. Andererseits ist die Optimierung der Regelung und ihrer Struktur Gegenstand intensiver Forschungsarbeit. Hier werden spezielle Filter zur Ruckbegrenzung in bestimmten Frequenzbereichen entwickelt, die eine Schwingungsanregung der mechanischen Strukturen vermindert. Maßnahmen zur Störgrößenaufschaltung wie auch die Nutzung zusätzlich erfasster Zustandsgrößen werden realisiert. Ziel bei all diesen recht erfolgreichen Bemühungen ist es, die Dynamik der Vorschubantriebe, d. h. die Reaktionsfähigkeit des Folgeverhaltens, maßgeblich zu verbessern.28 In einem unter dem Namen „DYNAMIL“ sehr bekannt gewordenen Gemeinschaftsprojekt, das das WZL Mitte der 1990er gemeinsam mit dem ISW in Stuttgart aus der Taufe hebt, werden neuartige, parallel wirkende Vorschubmechanismen entwickelt und ebenso neue Maschinenprinzipien abgeleitet und verwirklicht. Innerhalb dieses Projektes entsteht am WZL die viel beachtete Horizontalfräsmaschine „Dyna-M“ mit einer Hybridkinematik. Gleichzeitig wird die 6-Achsparallelkinematikmaschine der Firma Ingersoll mit dem Namen „Hexapod“ beschafft, die auf dem Prinzip der Stewartplattform aufbaut und an deren Entwicklung das WZL maßgeblich beteiligt ist. Diese Maschine verrichtet im WZL heute noch ihre vorzüglichen Dienste. Sie ist eine der steifsten Maschinen dieser Leistungsklasse, so dass auf ihr problemlos ratterfreie Titanbearbeitungen vorgenommen werden können. Des Weiteren dient sie aufgrund ihrer ausgezeichneten Steifigkeit als Hauptspindel-Bearbeitungsteststand. Die Hexapodmaschine beschäftigt die Forscher im WZL sehr intensiv. Zum einen gilt es, die Transformationsmathematik für die Umrechnung der kartesischen Weltkoordinaten auf die Maschinenachsen zu entwickeln und diese in die Steuerung zu integrieren und zum anderen sind Eichmethoden zu verwirklichen, die es erlauben, die Maschinenkonstanten (Abstände der Gelenkmittelpunkte untereinander sowie die Längen der Struts) auf nur wenige Mikrometer genau zu ermitteln. Dies ist mit keinem Messverfahren möglich. Hierzu entwickelt das WZL ein indirektes Messverfahren, wobei aus den Abweichungen zwischen den Sollbewegungen und den tatsächlich verfahrenen Istbewegungen des Fräskopfes die Maschinenkonstanten berechnet

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werden können. Mit dieser Methode kann die Genauigkeit des Ingersoll Hexapods von anfänglich mehreren Zehntel Millimetern auf weniger als zwei Hundertstel Millimeter im gesamten Arbeitsraum erhöht werden.29 Eine weitere Gruppe forscht auf dem Gebiet der NC-Steuerung. Die Entwicklung der NC-Steuerungen liegt in den Händen der Steuerungsfirmen, die mit ihren Steuerungen auch dem größten Teil der Anforderungen aus der Praxis genügen. Da es sich bei den NC-Steuerungen um geschlossene Systeme handelt und somit spezielle, vom Anwender oder Maschinenhersteller gewünschte Zusatzfunktionen kaum oder gar nicht zu integrieren sind, besteht der allgemein dringende Wunsch der Industrie, eine Steuerung mit offenen Softwareschnittstellen einsetzen zu können. Das WZL und das ISW, unter der Leitung von Prof. Pritschow, nehmen sich dieser Aufgabe an und starten ein über viele Jahre laufendes großes Gemeinschaftsprojekt, das unter dem Namen „OSACA“ Weltgeltung erlangt. Das zunächst national und später dann als EU-Projekt international aufgestellte Vorhaben hat zum Ziel, eine offene Referenzarchitektur für die NCSteuerung zu definieren, an der die Datenschnittstellen eindeutig festgelegt sind. Auf diese Weise können Softwaremodule zur Erfüllung Abb. 13 Innovative Forschungen im Bereich Parallelkinematik am bestimmter Funktionen ohne weiteres ergänzt oder ausgetauscht werde. Die Softwaremodu- Beispiel des Dyna-M Modells le müssen nur dem OSACA-Standard genügen. Wenn auch die OSACA-Steuerung in voller Gänze nicht Wirklichkeit wird, da die Steuerungshersteller eine vollständige Öffnung ihrer Steuerung und vor allem eine Kompatibilität der Software zu anderen Steuerungsherstellern scheuen, so wird mit diesem Vorhaben doch wenigstens eine Teilöffnung bei den marktgängigen Steuerungen erreicht. Auf diese Weise kann die bestehende Problematik der kundenspezifischen Funktionserweiterung stark gemildert werden. Neben der Steuerungsarchitektur sieht das WZL eine wichtige Aufgabe in der Verbesserung der Mensch-Maschine-Schnittstelle. Hierbei geht es vor allem um eine problemangepasste Bedienoberfläche, die dem Maschinennutzer auf ergonomische Weise die Maschinenhandhabung wesentlich erleichtert. Zu diesem Arbeitsfeld zählen auch die Entwicklungen von elektronischen Handrädern und Joysticks mit Prozesskraftrückführung. Mit diesen Geräten kann man die Maschine gefahrenfrei und leicht verständlich von Hand bewegen. Schon sehr früh erkennt man am WZL die Notwendigkeit einer offenen Leitstandssoftware zur Steuerung von Mehrmaschinen-Systemen, so wie sie in den 1970er Jahren in Form der Flexiblen Fertigungssysteme (FFS) aufkommen. Die komplexe Aufgabe des flexiblen Material- und Werkzeugtransports, die zeitgerechte Versorgung der

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Maschinen mit Steuer- bzw. NC-Daten, die automatische Generierung der Steuerbefehle für die Transport-, Roboteranlagen und Materialübergabestellen sowie die Verwaltung von Puffer- und Regallagerplätzen – dies sind Aufgaben der Forschungsgruppe „Leitstandssteuerung“. So beginnt man mit der Entwicklung eines Leitstand-Softwarepaketes, das unter dem Namen COSMOS bekannt wird. Diese Software entwickeln viele Assistentengenerationen stetig weiter, wobei die sich ändernden und ebenso weiterentwickelnden Softwarestandards (Pascal, C, C++, Agententechnik) einen häufigen Neubeginn bzw. ein vollständiges Umschreiben des Softwarepaketes erfordern. Das Testbett für diese Leitstandssoftware, aber auch für viele mechanische Lösungen, wie universelle und adaptive Greifer und Spannvorrichtungen, ist das „Integrierte Flexible Fertigungsund Montagesystem“ (IFMS), das heute in der Maschinenhalle der ADITEC seinen Platz gefunden hat. Aber auch seine Umsetzung in die Praxis kann COSMOS vermelden. So wird eine große Flugzeugteile-Bearbeitungsanlage der Firma Dörries Scharmann Technologie GmbH bei der Airbusfirma EADS in Varel mit der WZL-Software COSMOS gesteuert. Schon sehr früh setzt sich eine Arbeitsgruppe mit der Programmierung und Anwendung von Industrierobotern auseinander. Mitte der 1970er Jahre entwickelt man am WZL eine Roboterneutrale Offline-Programmiersprache mit dem Namen ROBEX, die sich eng an die Sprache EXAPT für die NC-Werkzeugmaschinen anlehnt. Obwohl die Idee einer neutralen Programmiersprache für den Anwender einen Sinn ergibt, kann sich ROBEX in der Praxis auf Grund der Roboter-Firmeninteressen nicht durchsetzen. In den 1990er Jahren entsteht die graphische, modulare Offline-Ablaufsprache OPERA, mit deren Hilfe der Gesamtablauf der Handhabungs-, Montage- oder Schweißaufgabe des Roboters einfach und schnell zu beschreiben ist und in ein lauffähiges Roboterprogramm umgesetzt wird. Die Firma Bosch hat dieses Programmiertool unter dem Namen BAPS-plus in ihr Produktprogramm übernommen.31 Im Fraunhofer IPT, das ab 1980 seine Arbeiten aufnimmt, widmet sich Weck mit der sich allmählich aufbauenden Forschungsmannschaft neuen, wichtigen Aufgabenfeldern, die bisher am WZL und teilweise in ganz Deutschland in Form einer Institutsforschung nicht vertreten sind. Als herausragendes Beispiel ist die Ultrapräzisionstechnik zu nennen, d. h. die Herstellung von Teilen mit Genauigkeiten im Submikrometerbereich, mit Oberflächenrauheiten im Nanometerbereich sowie die Erzeugung von feinen Oberflächenstrukturen oder die Produktion von Teilen mit sehr kleinen Abmessungen. Bis dato wird an keiner deutschen Hochschule und an keinem deutschen Forschungsinstitut dieses Thema erforscht. An den Universitäten in den USA (Berkeley), in England (Cranfield) und in Japan (Kobe, Keio, Tokio) dagegen ist diese Thematik schon lange Gegenstand intensiver Forschungs- und Entwicklungsarbeiten. Im aufkommenden Zeitalter der Mikrosystemtechnik muss sich auch die konventionelle Produktionstechnik dieser neuen interessanten Aufgabe stellen. Weck setzt sich das Ziel, das erforderliche Wissen auch für die deutschen Werkzeugmaschinenfirmen und Anwender nutzbar zu machen.32 Forschungsgegenstände sind bis heute die Entwicklung von Maschinenkomponenten (Lager, Führungen, Vorschubantriebe, Fasttool-Servosysteme), die den Ultraprä-

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zisionsanforderungen gewachsen sind. Aber auch die Entwicklung, die Konstruktion und sogar der Bau kompletter UP-Werkzeugmaschinen, die ihren Absatz in der Industrie und in anderen Forschungsinstituten finden, stehen beim Fraunhofer IPT auf dem Programm. Es entsteht der Industriearbeitskreis „Ultrapräzisionstechnik“ (UPT), in dem in enger Zusammenarbeit die erforderlichen Forschungsaufgaben definiert werden, der die Forschungsarbeiten verfolgt und begleitet und der die Ergebnisse für seine eigenen Anwendungen nutzt. 1988 bewirbt sich der UPT-Arbeitskreis erfolgreich um die Mitgliedschaft bei der AiF (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsgemeinschaften). Aus dem Arbeitskreis wird die Forschungsgemeinschaft „Ultrapräzisionstechnik“ mit der Geschäftsführung am Fraunhofer IPT und Weck als Vorstandsvorsitzenden. Über diese Forschungsvereinigung werden fortan auch Forschungsgelder bei der AiF eingeworben. Zusammen mit Professor Dr. Horst Kunzmann von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig (PTB) veranstaltet das Fraunhofer IPT – damals im zweijährlichen Rhythmus – die sehr erfolgreichen UPT-Tagungen, abwechselnd in Aachen und in Braunschweig, mit dem Motto „Ultra Precision Machining Engineering“ (UME). Die Professoren Pat McKeown und John Corbelt aus Cranfield, England, organisieren zu diesem Zeitpunkt eine ähnliche internationale Tagung mit dem Namen „Precision Engineering Seminar“. Um beiden Tagungen noch mehr Bedeutung zu verleihen, entschließen sich McKeown und Weck beide Aktivitäten zusammenzuführen und 1998 eine neue Organisation zu gründen: die euspen (European Society for Precision Engineering and Nanotechnology). Die euspen ist heute neben der ASPE in Amerika und JSPE in Japan die dritte wichtige internationale Organisation auf dem Gebiet der Ultrapräzisionstechnik. Sie richtet internationale Konferenzen aus und organisiert Forschungsprojekte auf EU-Basis.33 Die Bedeutung der Ultrapräzisionstechnik für die Ingenieurausbildung veranlasst Weck, einen separaten Studiengang „Produktionstechnik für Mikrosystemtechnik“ ins Leben zu rufen, der seit dem Wintersemester 1997/98 von den beiden Fakultäten für Maschinenwesen und für Elektrotechnik gemeinsam durchgeführt wird. Von diesem Studiengang machen die Studenten regen Gebrauch. Ein weiteres auch für den Werkzeugmaschinenbau wichtiges Forschungsgebiet, das am WZL nicht vertreten ist, greift Weck am Fraunhofer IPT auf: Den Leichtbau von Maschinenteilen aus Glas- und Kohlefaserverstärkten Kunststoffen möchte Weck auch den Branchen zugänglich machen, die klassischerweise diese Werkstoffe nur selten einsetzen. Die Luft- und Raumfahrtindustrie dient hierbei als Vorbild, denn sie zeigt das hohe Potenzial und die Leistungsfähigkeit dieser Werkstoffe auf. Die Bemühungen, einen DFG-Sonderforschungsbereich einzurichten sind erfolgreich. Von 1987 bis 2000 leitet Weck den SFB 332 „Produktionstechnik für Bauteile aus nichtmetallischen Faserverbundwerkstoffen“, an dem nicht nur alle 4 Professoren vom Fraunhofer IPT bzw. WZL beteiligt sind, sondern auch viele weitere Institute der RWTH Aachen.34 Es werden am Fraunhofer IPT Tapelege- und Wickelanlagen entwickelt und gebaut, die die teilweise komplizierten geometrischen Formen der Maschinen und Kraftfahrzeugteile automatisch fertigen.

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Die dritte Forschungsgruppe am Fraunhofer IPT setzt sich mit der Integration von käuflichen Lasern in konventionelle Werkzeugmaschinen auseinander. Der Hintergrund dieser Bemühungen ist die technologische Funktionserweiterung herkömmlicher Werkzeugmaschinen auf den Gebieten der Materialerwärmung, des Schneidens und des Materialabtragens sowie des Materialauftragens. So ist es möglich, Bauteile aus Keramik zu fräsen und zu drehen, wenn man das Material in der Zone der Bearbeitung auf hohe Temperaturen bringt. Ebenso kann man Stahlteile durch Erhitzen der Oberfläche mit dem Laser partiell härten, wobei der Abschreckvorgang durch Wärmeentzug durch die Bauteilmasse geschieht. Aber auch Material-Aufsprühköpfe werden ent-

Abb. 14 Bei jedem AWK präsentieren die Mitarbeiter ihre neusten Forschungsergebnisse

wickelt, um hochfestes Material in Pulverform auf die Oberfläche von z. B. verschlissenen Schneid- oder Tiefziehwerkzeugen zu bringen, das dann durch den gezielt eingesetzten Laserstrahl sich innig mit der Werkzeugoberfläche verbindet. Die Hauptaufgabe bei der Laserintegration besteht in der meist schwierigen Strahlführung durch die Maschine und in der optischen Fokussierung des Strahls in der für den Prozess notwendigen Weise. Letzteres gilt auch für die Nd:YAG-Laser hinsichtlich der Strahlauskopplung und Fokussierung.35 2.4 Abteilung für Messtechnik für die automatisierte Fertigung / Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement (1988) Die steigenden Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Werkzeugmaschinen haben einen maßgeblichen Einfluss auf die Weiterentwicklung der Messverfahren. Der wechselseitige Einfluss von Maschine und Messtechnik kann am WZL in enger

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Zusammenarbeit zwischen dem Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen und der Abteilung für Messtechnik behandelt werden. Die unter Opitz beginnenden Forschungen zur geometrischer Messtechnik und Prozessmesstechnik werden von Pfeifer und seinen Mitarbeitern Anfang der 1970er Jahre weitergeführt. Im Laufe der nächsten Jahrzehnte zeigt sich jedoch immer deutlicher, dass nur ein ganzheitlicher Ansatz von Messtechnik und Qualitätssicherungsstrategien effektive Ergebnisse hervorbringen kann. 1988 wird aus der Abteilung „Messtechnik für die automatisierte Fertigung“ Deutschlands erster Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement, auf den Pfeifer am 10. August 1988 berufen wird.36 Mit dem Einsatz der noch kaum eingeführten interferometrischen Laser-Messtechnik versucht Pfeifer, das Positionierverhalten und die Achsbewegungen von Werkzeugmaschinen zu erfassen, um dadurch das Genauigkeitsverhalten der Maschine besser beurteilen zu können. Zur Erfassung von statischen und dynamischen Positionierfehlern an NC-Werkzeugmaschinen entwickeln die Mitarbeiter von Pfeifer ein Verfahren zur automatischen Auswertung mit Laser-Interferometer und Kleinrechner.37 Auch der Messvorgang am erzeugten Produkt wird durch die Entwicklung rechnergeführter (CNC)-Mehrkoordinatenmessgeräten in den 1970/80er Jahren weiter automatisiert. Untersucht wird der Einsatz derartiger Messsysteme zur Überprüfung spezieller Werkstückgeometrien, z. B. von Zahnrädern und Freiformgeometrien. Im Bereich der Koordinatenmesstechnik steht Mitte der 1970er Jahre die Idee im Mittelpunkt, in Anlehnung an die für die Werkzeugmaschinen übliche NC-Programmierung auch für die Koordinatenmessgeräte eine herstellerunabhängige Sprache zur OfflineProgrammierung der Geräte zu entwickeln. Die Untersuchungen beginnen 1976 an einem ersten CNC-gesteuerten Koordinatenmessgerät und Pfeifer, Eversheim und ihre Mitarbeiter entwickeln die Sprache N.C.M.E.S. (Numerical Controlled Measurement and Evaluation System). Diese Idee wird in der Praxis allerdings zunächst nicht bzw. nur vereinzelt angewendet und kommt erst in den 1990er Jahren in abgewandelter Form zum Einsatz. Man beschäftigt sich mit der Optimierung von Auswertealgorithmen für die Koordinatenmesstechnik und vor allem mit der Entwicklung eines Softwareprogramms zur Erfassung der Istwerte an Kegelrädern, um mit diesem Tool die bis dahin bestehende Lücke im Rahmen der im WZL entwickelten Kegelradkette zur Auslegung von Kegelverzahnungen zu schließen. Zur effektiven Überwachung von Koordinatenmessgeräten und konkreten Bestimmung einzelner messaufgabenspezifischer Messunsicherheiten werden verschiedene Prüfkörper entwickelt und auf ihre Eignung in der Praxis untersucht. Im Umfeld der Handhabungstechnik geht man von der Überlegung aus, Roboter durch den Einsatz von Messtechnik einerseits in ihrer Flexibilität weiter zu steigern und andererseits für messtechnische Aufgabenstellungen einzusetzen, um diese Flexibilität so auch für die Messtechnik zu nutzen. In dem Maße, in dem die Automatisierung der Produktion fortschreitet, müssen die mit den unterschiedlichsten Messverfahren und -technologien ermittelten Istwerte aus den einzelnen Schritten der Bearbeitung nicht nur vor Ort verfügbar sein, sondern auch an zentraler Stelle vorliegen, um so einen schnellen Überblick über das

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Fertigungsgeschehen zu erhalten. Dies geschieht überwiegend in der sogenannten „Sternverdrahtung“. Dazu ist es erforderlich, vorhandene Messeinrichtungen nachträglich mit entsprechenden Schnittstellen auszurüsten. Ende der 1980er Jahre werden im Rahmen von Verbundprojekten die Spezifikationen an Feldbussen erarbeitet, festgelegt und auf Basis dieser Arbeiten ein Bussystem realisiert. Bereits Ende der 1970er Jahre erkennt man, dass es zur zielgerichteten Verarbeitung der gewonnenen Istdaten unumgänglich ist, grundlegende Arbeiten über Datenhaltungskonzepte und den Aufbau verschiedener Regelkreise durchzuführen. Auf die-

Abb. 15 Die Gruppe Qualitätsmanagement des Lehrstuhls ist eine der ersten zertifizierten Bereiche einer Hochschuleinrichtung Abb. 16 In-Prozess-Messung mit Roboter

sem Wege verschieben sich die Forschungsschwerpunkte insgesamt etwas in Richtung übergeordneter Qualitätssicherungsstrategien. So wird mit der rechnerintegrierten Fertigung (CIM) unter anderem die Möglichkeit geschaffen, an allen Stellen in der Produktion eine Vielzahl von Messwerten zu erfassen und diese in die verschiedensten Bereiche zur weiteren Verarbeitung zu transportieren. Nach der Einrichtung des Lehrstuhls für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement am 10. August 1988 werden die Aktivitäten im Bereich des Qualitätsmana-

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gements verstärkt entwickelt.38 Ende der 1980er Jahre wird unter maßgeblicher Beteiligung aus Aachen im Auftrag des Bundesministeriums für Forschung und Technologie (BMFT) eine Studie zur Beschreibung der Situation des Qualitätsmanagements in der Bundesrepublik Deutschland erstellt, die deutliche Defizite in der Istsituation, aber gleichzeitig auch Lösungsvorschläge für die Zukunft aufzeigt. Als Konsequenz aus den Ergebnissen der Aachener Studie initiiert das BMFT das Programm „Qualitätssicherung“, in dessen Rahmen innerhalb des Lehrstuhls von Pfeifer verschiedene Forschungsprojekte durchgeführt werden, die überwiegend die Untersuchung, Weiterentwicklung und Implementierung fehlervermeidender Methoden des Qualitätsmanagements zum Inhalt haben. Es werden Prototypen von Software-Lösungen für das Fehlermanagement, das Quality Function Deployment und ein vollständiges Programm für die wissensbasierte Fehler-Möglichkeits- und Einflussanalyse entwickelt. Auch die Themen Total Quality Management und Qualitätsmanagement-Systeme werden am Lehrstuhl aufgegriffen. In einem Projekt wird ein Leitfaden zur Einführung von Qualitätsmanagement-Systemen nach DIN EN ISO 9000 ff in Forschungseinrichtungen erarbeitet. Im Rahmen dieses Projektes auditiert im April 1996 eine unabhängige Zertifizierungsgesellschaft das in der Gruppe Qualitätsmanagement implementierte QM-System. Der Auditor hat die Konformität des Systems zur DIN EN ISO 9001, der höchsten Nachweisstufe, bestätigt. Die Gruppe Qualitätsmanagement des Lehrstuhls ist damit weltweit einer der ersten zertifizierten Bereiche einer Hochschuleinrichtung. 2.5 Vorlesungen am WZL Als Hochschulinstitut steht im WZL die praxisgerechte Ausbildung von DiplomIngenieuren des Maschinenbaus im Vordergrund. Die vier Lehrstühle decken den fachspezifischen Kernbereich der Studienrichtung „Fertigungstechnik“ ab, so dass sich auch hier das Konzept „Alles unter einem Dach“ bewährt. Schon in den ersten Semestern lernen die Studierenden grundlegende Begriffe der Fertigungstechnik in lehrstuhlübergreifenden Veranstaltungen kennen. Im VDI-Verlag Düsseldorf erscheinen seit 1980 in Abb. 17 Das WZL wird 1982 von der SME für die vorbildliche der Buchreihe „Studium und Praxis“ die Bücher der Professoren Eversheim, König und Weck. Die The- Ausbildung deutscher Ingenieure ausgezeichnet men „Organisation in der Produktionstechnik“, „Fertigungsverfahren“ und „Werkzeugmaschine“ geben in insgesamt 13 Bänden ausführlich und anschaulich das Grundwissen zu den Themengebieten wieder und werden für Studierende des Maschinenbaus zur Pflichtlektüre.39 Dies beweist eine kleine Anekdote, die Hans Kurt Tönshoff, Professor an der Univer-

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sität Hannover, anlässlich der Verleihung der Ehrendoktorwürde der Universität Hannover an Manfred Weck 1992 schildert: „In einer Prüfung im Fach Werkzeugmaschinen in Hannover rechtfertigte ein Studierender seine nicht korrekte Antwort auf eine Prüfungsfrage mit den Worten ‚das steht aber so im Weck 2’.“40 Das stimmte zwar nicht und hatte damit auch keinen positiven Effekt auf die falsche Antwort. Es verdeutlicht jedoch den hohen wissenschaftlichen Stellenwert der Lehrbücher aus Aachen, in die das praktische, konstruktive Können und die fortschrittliche, innovative Forschung einfließen. Für die vorbildliche Ausbildung von Ingenieuren wird das WZL 1982 von der Society of Manufacturing Engineers der USA mit dem „SME Education Award“ ausgezeichnet. In der Laudatio heißt es: „In Anerkennung der vorbildlichen Ausbildung von Ingenieuren für Angewandte Fertigungstechnologie, Forschung und Entwicklung (…). Das Labor nimmt eine einzigartige Stellung als Ingenieurausbildungsstätte von hohem Rang in der Welt ein und verdient es, als Vorbild auf der ganzen Welt zu gelten.“41 2.6 Technologietransfer am WZL Die von Opitz gelegten und geförderten Strukturen einer intensiven Kooperation des WZL mit der Werkzeugmaschinenindustrie werden von seinen Nachfolgern aufgegriffen und mit den Jahren vertieft. Durch die Mitgliedschaften von Eversheim, König, Pfeifer und Weck in Verbänden sowie nationalen und internationalen Forschungseinrichtungen können interdisziplinäre Aufgaben praxisorientiert und flexibel bearbeitet werden. Jeder in seinem Spezialgebiet, doch gemeinsam als WZL bieten sie einen kompetenten Partner für die Institutionen. Alle vier Professoren sind als Gutachter in der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) und in der Deutschen Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG) tätig. Auch mit dem Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken e.V. (VDW) und dem Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. (VDMA) wird eine enge Kooperation gepflegt. Im Verein Deutscher Ingenieure (VDI) sind alle Professoren Mitglied und stellen sich einzelnen VDI-Gesellschaften sogar als Vorsitzende zur Verfügung. Die Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik (WGP), von Wallichs 1937 als Hochschulgruppe mitbegründet und von Opitz stark mitgeprägt, ist für das WZL als Partner besonders wertvoll. In bewährter Tradition übernehmen König (19781979), Weck (1986-1987) und Eversheim (1988-1989) den Vorsitz der Gesellschaft. Im renommierten Collège International pour la Recherche en Productique (CIRP) sind ebenfalls alle Professoren vertreten. Weck ist von 1975 bis 1977 Mitglied der CIRP-Gruppe STC-„M“ (Scientific Technical Commitee „Machines“). Eversheim wird 1979 bis 1983 zum Vizepräsident der CIRP-Gruppe STC-„O“ (Scientific Technical Commitee „Optimization“) und 1983 zum Präsidenten dieser Gruppe ernannt. Von 1990 bis 1991 hat König die Ehre, als Präsident der CIRP die Geschicke der Organisation zu leiten; schon seit 1988 fungiert er dort als Vizepräsident. In der Internationalen Messtechnischen Konföderation (IMEKO) ist Pfeifer als Mitglied vertreten. Von 1974 bis 1982 ist er Präsident dieser Gemeinschaft und prägt die Ausrichtung der Organisation mit der Durchführung des 9. Weltkongresses der Mess-

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technik 1982 in Berlin. Weck gründet – gemeinsam mit Pat McKeown aus Cranfield, England – 1998 die European Society for Precision Engineering and Nanotechnology (euspen), die europäische Fachvereinigung auf dem Gebiet der Ultrapräzisionsbearbeitung im Mikro- und Nanobereich. Diese Mitgliedschaften und Tätigkeitsfelder zeigen die Fähigkeit der Professoren, über ihre eigenen Grenzen zu schauen und die Produktionstechnik auf vielen Feldern mitgestalten und weiterentwickeln zu wollen. Der Ideenreichtum, die Flexibilität, die Kooperationsbereitschaft und nicht zuletzt der umfangreiche Wissenspool erweisen sich als einzigartige Vorteile und machen das WZL zu einem interessanten Partner. Dies wird besonders in der intensiven Zusammenarbeit mit der kleinen und mittelständischen Industrie in den zahlreichen Arbeitskreisen deutlich. Hier schließen sich Firmen zusammen, die gemeinsam mit dem WZL aktuelle Fragestellungen und Forschungsaufgaben definieren, die dann vom WZL bearbeitet werden. Die Ergebnisse stehen zunächst nur den Arbeitskreismitgliedern zur Verfügung. Es ist also eine vorwettbewerbliche Forschung, in der Industrieunternehmen aus verschiedenen oder aber auch aus gleichen Branchen zusammenkommen. Wie die Ergebnisse der Arbeitskreise intern umgesetzt und in Markterfolg transferiert werden, liegt dann bei den Firmen. Der größte und schon 1956 von Opitz gegründete Arbeitskreis für „Zahnrad- und Getriebeuntersuchungen“ fördert praxisbezogene Projekte auf dem Gebiet der Verzahnungs- und Getriebetechnologie und wirkt dabei aktiv an der Gestaltung neuer Forschungsschwerpunkte mit. Ziel des Getriebekreises ist es, gemeinsam neue Technologien der Getriebetechnik zu entwickeln und diese in den Mitgliedsunternehmen zu etablieren. Heute besteht der Arbeitskreis aus über 70 Industriepartnern. Im Arbeitskreis „Elektroerosive Bearbeitung“ führt das WZL Anfang der 1970er Jahre Unternehmen zusammen, die sich mit der Entwicklung funkenerosiver Werkzeugmaschinen oder der eingesetzten Arbeitsmedien und Elektrodenwerkstoffe befassen. Der „Technologiearbeitskreis“ besteht aus Unternehmen, die auf wissenschaftlicher Grundlage gemeinsam mit dem WZL Fertigungstechnologien für technologische Aufgaben erforschen. Seit 1978 kooperieren hier führende Unternehmen aus Automobilund Zulieferindustrie, Luft- und Raumfahrt, Turbinenindustrie, Energieerzeugung, Werkzeugherstellung und Beschichtung. Der Arbeitskreis „Schleiftechnik“ ist seit 2003 eine Arbeitsgemeinschaft industrieller Unternehmen und der WZL Aachen GmbH. Der Arbeitskreis fördert praxisbezogene Forschungsprojekte, gestaltet aktiv neue Forschungsschwerpunkte und -vorhaben und etabliert so neue Technologien frühzeitig in der industriellen Praxis. Nicht zuletzt das Aachener Werkzeugmaschinen Kolloquium (AWK), als eine seit 1948 bestehende Veranstaltung, erweist sich als effiziente Plattform für den Wissenstransfer. Zur Vorbereitung werden in Zusammenarbeit mit Expertengruppen aus der Industrie aktuelle Fragen und Problemkreise bestimmt und festgelegt, welche Lösungen vorgestellt werden sollen. Dabei kommt es dem WZL einerseits zugute, dass sich viele Ehemalige in den entsprechenden Industriefirmen befinden. Andererseits findet sich am WZL und Fraunhofer IPT zu fast jedem Problem der Produktionstechnik

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ein Gesprächspartner unter den rund 220 wissenschaftlichen Mitarbeitern. Das erste von der neuen Institutsleitung organisierte AWK findet 1974 statt. Unter dem Oberthema „Fortschrittliche Produktionstechnik – Ziele – Wege – Erfahrungen“ werden beim 15. AWK Fragen aus den Themenbereichen Entwicklung, Konstruktion, Fertigung und Montage erörtert. Wegen des Baus und Umzugs in das neue WZL-Gebäude im Seffent-Melaten 1972/76 kommt es Abb. 18 Den bunten Abend des 15. AWKs feiern alle Gäste im „Neuen Kurhaus“ (1974) zu einem einmaligen 4-JahresAbstand zwischen dem 15. AWK im Jahr 1974 und dem 16. AWK (1978).42 Die Teilnehmerzahl pendelt sich im Laufe der Jahre bei etwa 1200 Personen ein, die alle drei Jahre nach Aachen kommen. Im Vergleich mit anderen Fachveranstaltungen zum Thema Werkzeugmaschinen gilt das AWK als die größte Hochschulveranstaltung für den Bereich Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik.43 Wenn auch das grundlegende Konzept zum AWK nicht verändert wird, so führt die neue Führungsriege in organisatorischer Hinsicht einige Neuerungen ein. Abb. 19 Auftritt der „Kingston Five“ beim AWK von Beim 18. AWK (1984) werden z. B. 1984 Computer und Maschinen im Eurogress aufgebaut, um eine geschlossene Darstellung von Computergestütztem Konstruieren und Fertigen (CAD/CAM) demonstrieren zu können. Nach Einschätzung der Teilnehmer liegt die besondere Bedeutung der AWKs gerade darin, dass sie neuzeitliche Entwicklungen aufgreifen und zugleich richtungsweisend wirken sowie einen Austausch von Erfahrungen zwischen Forschung und Praxis ermöglichen. Die weltweite Beteiligung – sei es als Vortragende oder als Zuhörer – gibt dem AWK eine immer stärker werdende internationale Ausrichtung. Der hier stattfindende Technologietransfer ist sowohl für das WZL als auch für die

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teilnehmenden Industrievertreter eine große Chance, neue Ideen zu erhalten, diese richtungsweisend für die Produktionstechnik zu erforschen und weiterzuentwickeln. Es gibt jedoch auch Traditionen, die werden nicht verändert. Für die Pflege persönlicher Kontakte sind nach wie vor die Abendstunden reserviert. Die Gestaltung der Abendveranstaltung bleibt den Mitarbeitern des WZL vorbehalten, die alle drei Jahre den AWK-Abend zu einem erinnerungswürdigen Erlebnis machen. Einstudierte Sketche und selbst komponierte Musikstücke werden zum Besten gegeben. Als Programmhöhepunkte sind sicherlich die Auftritte der „Kingston Five“ oder die traditionellen Feuerwerke zu nennen. Auch beim AWK gilt das WZL-Motto „Wer hart arbeitet, soll auch viel trinken und wer abends viel trinkt, kann auch morgens wieder arbeiten!“

Abb. 20 Gesamtansicht: Hallenbereich und Bürotrakt des WZL, der ADITEC und des Fraunhofer IPT in den 1990er Jahren

3. Erweiterungen und Ausgründungen des WZL 3.1 Das Fraunhofer Institut Produktionstechnologie IPT seit 1980 Seit dem 1. September 1980 steht das Fraunhofer Institut Produktionstechnologie IPT an der Seite des WZL. Bereits Mitte der 1970er Jahre beginnt seitens der WZL-Professoren eine interne Diskussion zur Gründung eines Fraunhofer Instituts in Aachen. Die forschungspolitischen Perspektiven machen Initiativen notwendig, die eine erfolgreiche Forschung auch in

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Zukunft sichern. Aufbauend auf der wissenschaftlich-technischen Substanz des WZL und in enger Kooperation kann mit der Gründung eines Fraunhofer Instituts die fertigungstechnische Vertragsforschung in Aachen erweitert werden. Zusammen mit Vertretern der Fraunhofer Gesellschaft aus München erarbeiten die WZL-Professoren die Zielrichtung des neuen Instituts. Es soll sich der Weiter- und Neuentwicklung von Produktionstechnologien und Verfahren sowie allen damit zusammenhängenden Fragen der Produktionstechnik widmen. Von der Gründung des Fraunhofer IPT verspricht sich die Fraunhofer Gesellschaft ihrerseits eine im Bereich der Produktionstechnologie wertvolle Ergänzung ihres Leistungsangebotes. Gemeinsam mit dem Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart und dem Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) in Berlin gibt es somit drei fertigungstechnische Fraunhofer Institute in Deutschland. Das Fraunhofer IPT ist, obwohl rechtlich von der RWTH Aachen getrennt, eng mit dem WZL verknüpft. Dafür sorgt einerseits eine Kooperationsvereinbarung mit der Hochschule, in der Zusammenarbeit und gegenseitige Nutzung von Einrichtungen geregelt werden. Andererseits ist das Fraunhofer IPT in einem dem WZL ähnlichen Führungsmodell aufgegliedert: Die vier Arbeitsgebiete des Fraunhofer IPT (Prozesstechnologie, Produktionsmaschinen, Mess- und Qualitätstechnik sowie Planung und Organisation) werden von dem vierköpfigen Direktorium des WZL operativ geführt. Die Gesamtverantwortung und Institutsleitung übernimmt Wilfried König – im Namen seiner drei Kollegen. Der Personalstamm des Fraunhofer IPT besteht zunächst aus einem Oberingenieur und vier wissenschaftlichen Mitarbeitern sowie einem Techniker und einer Sekretärin. Bis 1985 arbeiten über 30 festangestellte Mitarbeiter und circa 100 studentische Hilfskräfte am Fraunhofer IPT. Eigene Räumlichkeiten besitzt das neue Institut noch nicht. Zur Einrichtung eines zentralen Geschäftszimmers hat das WZL einen Teil des Zeichensaales in der 1. Etage, Block 53B, abgetrennt und zur Verfügung gestellt. Die Mitarbeiter sind nach fachlichen Gesichtspunkten innerhalb der jeweiligen Arbeitsgruppen des WZL untergebracht. Dennoch plant die Fraunhofer Gesellschaft schon 1981 die Errichtung eines Neubaus in der Nachbarschaft des WZL. In Abstimmung mit der RWTH und dem Land NordrheinWestfalen wird das Gelände zwischen der sogenannten „Schikane“ der Sommerfeldstraße und der Maschinenhalle ausgewählt. Seit September 1984 bestimmen Baumaschinen das Bild auf dem Gelände und bereits 1986 kann das 4400 m2 umfassende Gebäude in der Steinbachstraße bezogen werden.44 Auf der Südseite, zum WZL hinweisend, liegt die 1200 m2 große und 10 m hohe Werkhalle. Östlich an den Hallenteil schließt sich ein Labortrakt an, der in zwei Geschossen die klimatisierten Messlabore, ein Feinwerklabor, eine E-Werkstatt und die Metallographie beherbergt. Im nördlichen Teil befindet sich der dreigeschossige, u-förmig gestaltete Bürotrakt, in dem circa 60 Büroräume Platz finden. Am 20. November 1986 wird das Institutsgebäude offiziell seiner Bestimmung übergeben.45 Die Ausstattung des Gebäudes mit modernster Rechnertechnik, Werkzeugmaschinen und analytischen Instrumenten wird in den Jahren 1986 und 1987 mit den Erstausstattungsmitteln des Landes und projektgebundenen Investitionen vorangetrieben.

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Besonders hervorzuheben sind hierbei die erheblichen Aufwendungen für den Aufbau der Arbeitsgebiete Lasermaterialbearbeitung, Glasbearbeitung und Faserverbundwerkstofftechnik. Der personelle Aufbau des Instituts wird 1990 mit dem Erreichen der Sollstärke von 100 festangestellten Mitarbeitern abgeschlossen. Auf dem 20. AWK im Jahre 1990 kann das Fraunhofer IPT seine volle Kompetenz auf den Gebieten der Präzisions- und Ultrapräzisionstechnik, der Lasertechnik, der Anwendung neuer Ingenieurwerkstoffe und des Qualitätsmanagements präsentieren. Den IPT-Kunden stehen mittlerweile leistungsfähige Anlagen für den Werkzeug- und Formenbau, die Hochgeschwindigkeitsschleifbearbeitung, die Erzeugung und Bearbeitung komplexer Werkstücke aus Faserverbundwerkstoffen und eine voll ausgebaute geometrische Messtechnik zur Verfügung. In den vier Abteilungen Prozesstechnologie, Produktionsmaschinen, Messund Qualitätstechnik sowie Planung und Organisation arbeiten die Professoren in den folgenden Jahren zunehmend gemeinsame Querschnittsaktivitäten heraus, die zu einem kundenorientierten Produktangebot des Instituts weiterentwickelt werden. Unter dem Motto „Systemlösung aus einer Hand“ kann dem industriellen Kunden zunehmend eine vollständige Prozesskettengestaltung und - Abb. 21 Blick auf das 1990 fertiggestellte Institutsgebäude des Fraunhofer IPT bewertung angeboten werden. Der Fortschritt in den Arbeitsfeldern des Instituts hat ebenso zu einer Anpassung der fachlichen Ausrichtung geführt. Das sehr früh aufgegriffene Thema der umweltgerechten Produktion gewinnt zunehmend an Bedeutung. Bestrebungen in der Mikrosystemtechnik zur Miniaturisierung von mechanischen Strukturen sind eng verwandt mit der Ultrapräzisionsbearbeitung. Die Nutzung klassischer Produktionsverfahren für die Herstellung von Mikrobauteilen wird daher als zukünftige Aufgabenstellung gesehen. Ein weiteres Gebiet, welches im Fraunhofer IPT maßgeblich vorangetrieben wird, sind „Rapid Manufacturing“-Technologien. Mit dem Ziel der Zeitminimierung in der Produktentwicklung werden hier neuartige Technologien entwickelt und in den Entwicklungsablauf integriert, die schnell und unkompliziert für den Anwender zur Modell-, Prototyp- bzw. Prototypwerkzeugherstellung genutzt werden können.

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Bei den meisten aktuellen technischen Problemstellungen ist für eine erfolgreiche Bearbeitung die Gesamtkompetenz des Instituts und damit die Zusammenarbeit vieler Mitarbeiter notwendig. Die neuen Themenfelder erfordern zum Teil neue Ausstattungen und Speziallaboratorien. Das Land Nordrhein-Westfalen bewilligt daher einen Ausbau des Fraunhofer IPT um 1500 m2 Laborfläche, der 1995 beginnt und 1997 fertiggestellt wird.46 Neben den Aktivitäten in Aachen hat sich die Fraunhofer Gesellschaft gemeinsam mit der Leitung des Fraunhofer IPT seit 1992/93 aktiv um den Aufbau eines zweiten Standortes in den USA bemüht. Unter dem Dach der in Michigan angesiedelten Fraunhofer USA Inc. betreibt das Fraunhofer IPT seit 1994 als erstes deutsches Institut ein Ressource Center: das Fraunhofer Center for Manufacturing Innovation (CMI) in Boston, Massachusetts. Das Fraunhofer CMI ist eine Abteilung des Aachener Fraunhofer Instituts für Produktionstechnologie. Die Arbeiten beginnen im Bereich Werkzeug- und Formenbau für die Automobilindustrie. Im Laufe der Jahre haben sich die Arbeitsfelder in den USA verändert. Heute ist das Institut auf dem Campus der Boston University angesiedelt, mit der eine enge Kooperation besteht. Die Arbeitsfelder liegen im Bereich der Optoelektronik und Lichtwellenleiter, der Biotechnologie, der Mechanischen Mikrobearbeitung, im Bereich Halbleiter und Mikro-Elektromechanische Systeme (MEMS), in der Produktentwicklung und im Prototyping sowie in der Entwicklung und im Aufbau von Automatisierungsequipment. Seit 1998 leitet Andre Sharon das Fraunhofer CMI. Er ist außerdem Professor an der Boston University.47 3.2 Raumnot am WZL – Der Pavillon ist fertig (1991) Um die chronische Raumnot im WZL und die lange Zeit der teilweisen Auslagerung von WZL-Assistenten in andere RWTH-Gebäude zu beenden, plant man einen Anbau mit circa 200 m2 an den Gebäudekomplex in der Steinbachstraße. Der Pavillon ist als Achteck gestaltet und nimmt damit eine geometrische Komponenten des WZL-Gebäudes auf. Ende März 1990 werden in Gemeinschaftsarbeit der Professoren Eversheim, König, Pfeifer und Weck die ersten Spatenstiche für den Neubau des zweigeschossigen Pavillons ausgeführt. Schon im November kann das Gebäude von den bisher außerhalb des WZL im nahegelegenen Physikzentrum der RWTH untergebrachten Messtechnikern bezogen werden. Mit dem Umzug der anderen Messtechniker von der dritten Etage in das ErdgeAbb. 22 Das WZL pflegt in allen Bereichen schoss des WZL sind nun alle Messmoderner Produktionstechnik Kontakte mit den techniker räumlich konzentriert Partnern aus Forschung und Industrie untergebracht.

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Das Obergeschoss des Pavillons ist als Großraumbüro konzipiert, in der die Projektgruppe CIM des Lehrstuhls Produktionssystematik mit vier Wissenschaftlichen Mitarbeitern, Studentischen Hilfskräften und Mathematisch-Technische Assistenten einquartiert wird.48 3.3 Aachener Demonstrationslabor für integrierte Produktionstechnik (ADITEC) seit 1992 Auf Initiative des WZL und im Rahmen einer Fördermaßnahme der Landesregierung wird das Aachener Demonstrationslabor für integrierte Produktionstechnik (ADITEC) gegründet. Mit dem Demonstrationslabor wird eine zentrale Stelle für praxisnahe Weiterbildung auf dem Gebiet der Produktionstechnik geschaffen, die den Anforderungen der im Berufsleben stehenden Ingenieure und Techniker auf besondere Weise gerecht wird. Walter Eversheim, der 1987 einen Ruf an die Eidgenössische Technische Hochschule Zürich erhält, gelingt es, im Rahmen seiner Bleibeverhandlungen die Gelder für eine „CIMMusterfabrik“ zu sichern. Ursprünglich als neutrale Institution zur Erprobung, Weiterentwicklung und Darstellung der CIM-Technologie konzipiert, wird mit der Planung des „Demonstrations- und Erprobungszentrums für CIM-Systeme“ – so die offizielle Bezeichnung des Projektes – Anfang der 1990er Jahre begonnen.49 In direkter Nachbarschaft zum WZL entsteht 1992 der Bau des über 2000 m2 großen Demonstrationslabors. Schon im Juni 1993 kann das neue Gebäude von der ADITEC gGmbH als tragende Gesellschaft, von der WZL-Projektgruppe CIM und der CIM Abb. 23 Das ADITEC-Gebäude: GmbH Nordrhein-Westfalen sowie einem GasEin Ort für Weiterbildung tronomiebetrieb bezogen werden. Die ADITEC als gemeinnützige GmbH ist für die zentrale Koordination der Weiterbildungsaktivitäten der produktionstechnischen Institute der RWTH Aachen verantwortlich. Gesellschafter der ADITEC gGmbH ist die Aachener Gesellschaft für Innovation und Technologietransfer (AGIT), die mit ihrer Kompetenz auf dem Gebiet des Technologietransfers die Entwicklung der ADITEC entscheidend fördert. Von 1983 bis 1997 ist Eversheim, einer der Mitbegründer der AGIT, zunächst stellvertretender Aufsichtsratsvorsitzender der AGIT, von 1997 bis 2002 übernimmt er das Amt des Aufsichtsratsvorsitzenden. Die enge Koordination der Aktivitäten von ADITEC und WZL wird durch die Berufung von Tilo Pfeifer, Mitglied des WZL-Direktoriums, in den ADITEC-Aufsichtsrat und

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die Einbindung von Mitarbeitern aller Abteilungen des WZL in die Arbeiten der ADITEC gewährleistet. Eine produktionsfähige Getriebefabrik mit allen Einheiten, die für die Planung, Konstruktion, Fertigung und Montage qualitätsgerechter Produkte notwendig sind, bildet den Kern der ADITEC. Die Planungsbereiche der Getriebefabrik zeichnen sich

Abb. 24 Die Struktur der Musterfabrik der ADITEC

durch einen hohen Grad an Rechnerintegration, verbunden mit der Implementierung innovativer Ansätze zur Organisation von Abläufen zur Auftragsbearbeitung, aus. Durch das Layout der Schulungsräume wird dabei die Vermittlung prozessorientierter Organisationsstrukturen entscheidend unterstützt. In der ADITEC sind marktgängige, heterogene Hardware-Komponenten unter Einbindung modernster Vernetzungsund Datenbanktechnologie implementiert. Die enge Kooperation mit den Anbietern von Soft- und Hardwareprodukten erlaubt die Nutzung der jeweils neuesten Geräte, Maschinen und Software-Entwicklungen für die Aufgaben der ADITEC. Den Kooperationspartnern wird andererseits die Möglichkeit eröffnet, ihre Produkte in neutraler Umgebung einem breiten Publikum zu präsentieren. Die Musterfabrik der ADITEC ist mit allen Komponenten ausgestattet, die ein wettbewerbsfähiges, produzierendes und nach modernsten Gesichtspunkten organisiertes Unternehmen auszeichnen. Neben DV-technisch integrierten Planungsbereichen sind in der ADITEC auch Produktionsanlagen und Montageeinrichtungen installiert.

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Unter Einbeziehung der Demonstrationsanlagen können in Zusammenarbeit mit einem industriellen Anbieter Schneckengetriebe hergestellt werden. Ziel dieser Aktivitäten ist der Test der Anlagen und Systeme, insbesondere an den Schnittstellen von heterogener Hard- und Software. Mit den Einrichtungen und Systemen der ADITEC steht ein Testfeld zur Verfügung, in dem real eine rechnerintegrierte Produktion demonstriert und getestet werden kann. Die ADITEC hat nicht nur die Aufgabe, als zentraler Anbieter von Seminaren den produktionstechnisch orientierten RWTH-Instituten zuzuarbeiten. Die beschriebene Struktur ermöglicht zudem eine wesentliche Erweiterung der Aktivitäten des WZL auf dem Gebiet der Weiterbildung und des Trainings von Ingenieuren. Ziel aller Seminare und Kurse ist es, den Teilnehmern umfassende Kenntnisse und Fähigkeiten in allen relevanten Teilgebieten der rechnerintegrierten Produktion zu vermitteln. Die praktische Problemlösung am konkreten Beispiel unter realistischen, praxisnahen Bedingungen steht dabei im Vordergrund – „training on the job“ oder „learning by doing“ heißt das Motto. Die ADITEC stellt damit ein weiteres wichtiges Standbein der Aktivitäten des WZL dar. Die dort umgesetzte Kombination aus produktionstechnischer Forschung und praxisorientierter Weiterbildung bietet für produzierende Unternehmen die Möglichkeit, Hochschulforschung nicht nur durch die Implementierung von Projektergebnissen zu nutzen, sondern weitere Potenziale durch personenbezogenen Know-howTransfer in Unternehmen zu realisieren.50 2003 wird aus der ADITEC gGmbH die WZLforum gGmbH, die als Einrichtung des WZL und des Fraunhofer IPT u. a. Weiterbildungsveranstaltungen für Fach- und Führungskräfte organisiert. 3.4 Existenzgründungen Existenzgründungen oder Spin-off-Unternehmen aus dem WZL oder Fraunhofer IPT heraus sind keine Seltenheit. Immer wieder – schon seit Ende der 1960er Jahre – entschließen sich WZL- und IPT-Absolventen nach ihrer Promotion auf ihrem Spezialgebiet selbstständig zu werden. Unterstützt von den Professoren, doch mit ihren Ideen gründen sie eigene Unternehmen, häufig in der Region Aachen. Rund 150 ehemalige Wissenschaftliche Mitarbeiter sind Existenzgründer oder gründen – nicht unmittelbar nach ihrer Promotion – ein eigenes Unternehmen. Der ehemalige Assistent von Opitz, Klaus Brankamp, macht sich als einer der ersten WZLer Anfang der 1970er Jahre mit der Beratungsfirma Dr.-Ing. K. Brankamp System Prozessautomation GmbH selbstständig. Der EXAPT-Verein, Ende der 1960er Jahre gegründet, wird bis heute von dem ehemaligen Assistenten des WZL, Wolfgang Budde, geleitet. 1975 gründet Dieter Wiener die Firma Dr.-Ing. D. Wiener Verzahntechnik GmbH. Er befasst sich hier mit der schleiftechnischen Herstellung von Kegelrädern, mit deren Flankentragfähigkeit er sich schon in seiner Dissertation beschäftigte. Hauptarbeitsgebiete seiner Firma sind die Herstellung geschliffener Kegelräder und die Entwicklung, die Herstellung sowie der Vertrieb von CNC-Schleifmaschinen für spiralverzahnte Kegelräder. Klaus Beckenbauer beginnt 1976 mit dem Aufbau seines „Ingenieurbüros Dr. Becken-

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bauer“. Das Arbeitsfeld des Büros umfasst u. a. schall- und schwingungstechnische Untersuchungen von Räumen und ganzen Gebäuden. 1978 startet Walter Eversheim zusammen mit seinem Oberingenieur Wolfgang Minolla die eigene Firma GEPRO mbH (Gesellschaft für Produktionstechnik und Organisation) in Aachen. Im Jahre 1981 gründet der damalige Oberingenieur Wilfried Melder mit seinen WZL-Kollegen Horst Heinrichs und Karl-Heinz Schiefer die Gesellschaft für Strukturanalyse „GfS mbH“ mit Sitz in Aachen. Geschäftsfelder sind die messtechnische Untersuchung und rechnerische Optimierung von Maschinen und Anlagen. Bekannt geworden ist die Firma mit der von ihr entwickelten, heute allerorts bekannten Standartsoftware „DIAdem“ für eine effektive Erfassung, Auswertung und Dokumentation von Prüfstandsdaten. Ende 1999 wird die Firma, die sich bis dahin auf eine Stärke von 100 Mitarbeitern entwickelt hat, von dem amerikanischen Unternehmen National Instruments übernommen. Im gleichen Jahr gründen die beiden Oberingenieure Josef Goebbelet und Ulrich Gogrewe zusammen mit Dietmar Ernst und Manfred Weck die Firma „IGEMA-Ingenieurgesellschaft für Maschinenbautechnik mbH“, deren Namen später in „IMAC-Ingenieurgesellschaft mbH“ geändert wird. Die Firma Prometec wird 1984 von Werner Kluft, einem ehemaligen Wissenschaftlichen Mitarbeiter von König, gegründet. Bei Prometec wird nicht nur das Bruch- und Verschleißüberwachungssystem für Drehprozesse verbessert, sondern es werden neue Produkte entwickelt und auf den Markt gebracht, wie beispielsweise ein Diagnostikgerät für den Laserstrahl (1988). 1989 gründen Günther Schuh und Mathias Groß, beide Assistenten von Eversheim, das Softwarehaus GPS (Gesellschaft für Produktstrukturierung und Systementwicklung). Die am WZL entwickelten Softwareprototypen, an deren Entwicklung Schuh und Groß maßgeblich mitgewirkt haben, sollen zur Marktreife geführt und schließlich auch vermarktet werden. Heute ist die GPS mehrheitlich als Beratungsunternehmen mit Standorten in Würselen, München, St. Gallen, Schweiz, und Atlanta, USA, tätig. Die Firma TROIKA domovari GmbH, von dem ehemaligen IPT-Assistenten Frank Oehmke 1992 gegründet, entwickelt, produziert und vertreibt Werbe- und Geschenkartikel mit Charisma. Im Mai 1996 gründen Thomas Prefi, Thomas Weingarten und Christoph Theis, drei ehemalige Wissenschaftliche Mitarbeiter von Pfeifer, die P3 Ingenieurgesellschaft für Management & Organisation. P3 ist heute ein weltweit operierendes Unternehmen, spezialisiert auf die Beratung bei der Optimierung von Geschäftsprozessen. Weitere Firmen, die von ehemaligen Assistenten des WZL oder Fraunhofer IPT gegründet werden, sind beispielsweise die Firma PLATOS Planung technisch-organisatorischer Systeme GmbH, gegründet von Karl-Werner Witte im Jahr 1983, oder die Firma Wiegershaus Ganzheitliche Unternehmensgestaltung von Uwe Wiegershaus 1990. Walter Michael Papst gründet im Jahr seiner Promotion am Fraunhofer IPT 1994 seine Firma Dr. Papst Ingenieurbüro für Informationsmanagement. Der ehemalige Assistent von Pfeifer, Bernd Gimpel, gründet 1996 die Firma Quality Engineers und Markus Müller macht sich 1998 mit der Firma AIXONIX GmbH selbstständig.

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Die IPT-Assistenten Stefan Hambücker, Olaf Rübenach und Volker Sinhoff gründen 2001 die Firma INGENERIC GmbH. Sie entwickeln und fertigen ultrapräzise Optiken und mikromechanische Komponenten für High-End-Anwendungen. Die Grindaix GmbH ist das jüngste Spin-off-Unternehmen aus dem WZL. Im Januar 2005 von Dirk Friedrich gegründet, steht das Unternehmen für Innovationen in der Feinbearbeitungstechnologie. Die geschäftsführenden Gesellschafter der CEROBEAR GmbH Matthias Popp und Jens Wemhöner, ehemalige Mitarbeiter von König, erhalten den Innovationspreis StädteRegion Aachen 2006 in der Kategorie „Wachstumsunternehmen“. Mit circa 100 Mitarbeitern ist die 1990 gegründete Firma der führende Hersteller von Keramikwälzlagern. 4. Das Leben am WZL Das Leben am Institut ist ganz im Sinne von Opitz und seinem Vorgänger Wallichs von einer freundlichen, aber ernsthaften Kollegialität bestimmt. Die vier Professoren Eversheim, König, Pfeifer und Weck legen besonderen Wert auf eine Kontinuität dieser Unternehmenskultur, die sie selbst bei Opitz erfahren haben. Das Vorleben der Werte, das kollegiale Miteinander, die Freude an der Arbeit – diese für das WZL typische Lebens- und Arbeitsweise geben sie an ihre Mitarbeiter weiter und prägen damit eine einheitliche Gesinnung am Institut. Damit erhält das „gewagte“ Vierer-Modell eine reelle Chance: vier Professoren gleichberechtigt nebeneinander, die ein Institut leiten – das hat es noch nicht gegeben. „Sehr früh waren die Unkenrufe zu hören: Das dauert kein halbes Jahr, dann sind die Vier so zerstritten, dass man das WZL vergessen kann“, erinnert sich Weck. „Aber nachdem die Kollegen sahen, dass das Vierer-Modell sehr wohl funktionieren kann, kamen die ersten Anfragen aus Stuttgart oder Hannover, wir sollten doch mal unsere Satzung schicken. Das ging leider nicht – denn wir haben gar keine. Das ist eben die Besonderheit, das Phänomen am WZL, hier klappt Gemeinschaftssinn auch ohne Satzung!“51 Die Professoren führen natürlich – bedingt durch die Größe des Instituts – neue Strukturen ein. Beispielsweise gibt es nun eine wöchentliche Institutssitzung. Jeden Montag um 14 Uhr treffen sich die Professoren mit ihren Oberingenieuren und besprechen die neusten Projekte und wichtigsten Punkte der letzten Woche. Dies hat es bei Opitz nicht gegeben. Die sogenannten „Postbesprechungen“ bei Opitz oder die damals üblichen Samstagstreffen im Postwagen zur Wochenbilanz liefen weniger förmlich ab. Aber, das wird den jungen Professoren schnell bewusst, bei der Größe des Instituts und der Anzahl von Mitarbeitern ist es notwendig zu wissen, was der andere tut. In diesen Montagssitzungen, in denen alle wichtigen Entscheidungen getroffen und beschlossen werden, hat es noch nicht einmal eine Abstimmung gegeben. „Wir sind uns zwar nicht immer sofort einig, und nicht jede Entscheidung ist so, wie man es gerne hätte. Doch die Kompromissbereitschaft und das Aufeinanderzugehen in entscheidenden Situationen zeigt, dass wir in einer gleichen oder ähnlichen Art denken. Es geht um das WZL und das stand und steht immer im Vordergrund“, verrät Weck.52 Die Kommunikation untereinander und eine Kompromissbereitschaft zugunsten

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der gemeinsamen Sache, dies sind die großen Stärken des WZL. Die Institutssitzungen bewähren sich – und wie soll es anders sein: Es gibt sie noch heute. „Wir haben einfach gemerkt, dass wir gemeinsam stärker sind, als wenn sich jeder einzeln profiliert“, so Eversheim. Dies spiegelt auch eine weitere Besonderheit des WZL wider: Gemeint ist das Prinzip „Alles unter einem Dach“. Das WZL verfügt über alle „Wissenschaftsdisziplinen“, die ein produzierendes Unternehmen braucht: die Fertigungsprozesse, die Werkzeugmaschinen, die Messtechnik, die Automatisierung für die Einrichtungen und die Betriebsorganisation. Dieses Prinzip macht das WZL autonom

Abb. 25 Immer zu Scherzen aufgelegt (v.l.n.r.): das Vierer-Direktorium König, Eversheim, Weck und Pfeifer

und branchenunabhängig. „Wir haben z. B. Flugzeuge, Werkzeugmaschinen, Pumpen, Autos, LKWs, Bau- und Textilmaschinen, Haushaltsgeräte und Windräder gebaut“, erinnert sich Eversheim. „Wenn die eine Branche nicht lief, dann lief eben die andere, wir sind sozusagen konjunkturunabhängig. Wir hatten immer zu tun und so wie sich diese Branchen international ausgeweitet und etabliert haben, sind wir natürlich mitgewachsen und haben uns weltweit einen Namen gemacht.“53 Bereits 1974, zum 15. AWK, erscheint erstmalig die Mitarbeiterzeitschrift namens „WZL-Information“. Ziel ist es, über die Aktivitäten des WZL in Lehre und Forschung, über personelle, interne Veränderungen und über Veranstaltungen zu berichten. Die WZL-Information erscheint zwei bis dreimal jährlich und richtet sich an die Ehemaligen, Freunde und alle Mitarbeiter am WZL. Diese Tradition, die übrigens bis heute besteht – die Zeitschrift „Tools“ erscheint mittlerweile viermal jährlich – verstärkt das Gemeinschaftsgefühl über die Institutsgrenzen hinweg. Auch der nun in der Industrie tätige Absolvent, bleibt über diese Mitteilungen weiterhin mit WZL und Fraunhofer IPT verbunden.

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Am 10. Juni 1981, dem Vorabend zum 17. AWK, begeht das WZL im Krönungssaal des Aachener Rathauses feierlich sein 75-jähriges Bestehen. Manfred Weck, als geschäftsführender Institutsdirektor, begrüßt die etwa 500 Festgäste, unter ihnen Persönlichkeiten aus dem In- und Ausland, Ehemalige und Freunde und alle Mitarbeiter des WZL. Die Festredner lassen die Institutsgeschichte Revue passieren und bedenken das WZL mit den besten Wünschen für die Zukunft. Die Verleihung der HerwartOpitz-Ehrenmedaille an Hans-Gerd Dohmen, Forschungsreferent der DFG, durch den Vorsitzenden der VDI-Gesellschaft Produktionstechnik (ADB) Helmut Friedrich Wöpkemeier, bildet den Höhepunkt der Veranstaltung. Zum Abschluss ergreift Weck nochmals das Wort: „Sie, verehrte Festredner, haben uns mit Blumen dekoriert. Ich möchte aber bemerken, dass meine Kollegen und ich diese Ehrungen nicht auf uns alleine beziehen. Der Erfolg des WZL wird durch eine gut funktionierende Gemeinschaftsarbeit getragen. Alle uns auszeichnenden Worte, die wir hörten, gelten selbstverständlich auch Ihnen, meine lieben Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des WZL. Vielleicht wurden wir etwas zu hoch gelobt. Wir wollen uns jedoch nicht auf diesen sogenannten Lorbeeren ausruhen, sondern sie werden weiter Ansporn für uns sein.“54 Die vier Professoren führen viele Traditionen weiter, die sie als Assistenten bei Opitz kennengelernt haben. Zu nennen sind die berühmt-berüchtigten Laborfeste, die gemeinsamen Betriebsausflüge und Exkursionen, die AWK-Abende und natürlich die Weihnachtsfeiern. In den WZL-Informationen von 1981 berichten die damaligen Mitarbeiter Hans-Joachim Krumholz und Heinz-Reiner Wollersheim über denkwürdige Ereignisse wie z. B. den Betriebsausflug vom 2. Juli 1981: „Nach zweijähriger Unterbrechung fand am Donnerstag, dem 2. Juli 1981, der diesjährige Betriebsausflug des WZL statt. Nach bewährter alter Tradition sorgte auch bei diesem Ausflug wieder ein straffer Terminplan für einen reibungslosen Ablauf. Ab 6.45 Uhr trafen die ersten Mitarbeiter am Parkplatz vor dem alten WZL ein und wurden zur Aufwärmung und Einstimmung mit Malteser begrüßt. Mit sieben Bussen ging es in Richtung Bonn, wo die 352 Teilnehmer rechtzeitig im Restaurant des Deutschen Bundestages am Rheinufer ankamen. Nach einem Frühstück ging die Prozession der WZLer zur Anlegestelle, dort erwartete sie das Linienschiffs MS Stolzenfels für eine Fahrt nach Bad Breisig. Die Sonne zeigte sich strahlend am Himmel, so dass der Aufenthalt auf den beiden großen Sonnendecks mit dem schönen Panorama des Rheintals und der Unterhaltung durch Teile der Chaotenband sehr angenehm war. In Bad Breisig angekommen, stand als Attraktion ein Fußballspiel zwischen den Professoren mit Verstärkung durch OIs und Gruppenleiter sowie den Profis von der Betriebs-Sport-Gruppe (BSG) auf dem Programm. Die Partie endete nach 40 min harten Kampfes auf hartem Boden und bei drückender Hitze, wie schon vor zwei Jahren, mit einem hohen Sieg (5:1) der konditionsstarken BSG. Prof. Eversheim, auf dem Spielfeld schon durch hohen Einsatz aufgefallen, fühlte sich scheinbar noch nicht ausgelastet und bestritt noch ein Tennismatch gegen Prof. Weck. Über das Ergebnis wird nur gemunkelt, da man seinen Kommentar über das Ergebnis ‚Da fragen Sie noch?’ nicht so richtig deuten kann.“ Zurück in Bonn lässt man nach einem Abendessen den gelungenen Betriebsausflug mit einem Bordfest ausklingen.55

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Auch die Weihnachtsfeiern finden in der Mitarbeiterzeitschrift einen Platz, besonders der Bericht des ehemaligen Mitarbeiters Hans Starck über die Weihnachtsfeier von 1985. Starck, der sich noch gut an die Feiern mit Opitz erinnert, zieht eine durchweg positive Bilanz über die Entwicklung der Weihnachtsfeiern: „Weihnachten 1985 stand vor der Tür, traditionsgemäß auch der Nikolaus vor den Toren des WZL oder da, wo die ungezählten WZLer ihn erwarteten. Ich hatte als ‚Oldi’ das besondere Vergnügen, mit dabei sein zu dürfen. Rechtzeitig kam die Einladung, die ich dankend und erfreut annahm, mit mir noch eine handvoll anderer Oldies aus Nah und Fern. Ich war im Dezember, genau am 19. Dezember 1985, dabei, als der Nikolaus mit seinen schlagstarken Mannen, den ‚Ruprechts’ und ‚Müffen’, kam. Ich war auch 40 Jahre vorher dabei. Was kann ich als Chronist zu Papier bringen? Was ist anders, wenn Vergleiche gezogen werden? Klar, der Rahmen hat sich verändert, die vielen hundert Teilnehmer, die Zahl der Professoren, der Oberingenieure, der Assistenten, der Hiwi’s, der Mitarbeiter überhaupt hat sich vervielfacht, gegenüber 1943 oder 1946 oder 1950. Aber das Procedere, z. B. die Atzung und Labung, ist – wie seit eh und je – Erbsensuppe, belegte Brötchen und Bier. Die hilfreichen Schlepper sind wie immer junge, neue Mitarbeiter, die unermüdlich ihren Einsatz leisten. Alles wie gehabt. Doch kommen wir zur Hauptsache: hat der Nikolaus andere oder gleiche Adressaten? Er hat die gleichen: die Professoren, die Oberingenieure oder hier und da markante Figuren. Zu meiner Zeit war es ein Professor, ein Oberingenieur, vielleicht ein Gast, wie weiland die Professoren Krekeler und Mathieu, keine WZLer, aber willkomAbb. 26 Die Liederbücher zum AWK erfreuen sich großer Beliebtheit

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mene Zielscheiben für den Nikolaus. Wie wurde damals vorgetragen und wie heute? Faire Jahresabrechnungen mit viel Esprit, ohne hinterhältige Bosheit oder gar Zweideutigkeit, die verletzend sein könnte. Alles heute wie damals. Fairerweise füge ich hinzu: Besser, reichhaltiger, einfallsreicher bot sich mir heute die brillante Folge der Gags dar. Nicht nur als Folge der besseren Techniken. Ob es die Akteure auf der Bühne sind, die Zuschauer und Zuhörer, es war eine große Familie, die die vielen ‚Statements’ sichtlich Abb. 27 Weihnachtsfeier 1988: Walter Eversheim wird von seinen Mitarbeitern genoss. Die ‚Einheit WZL’ konnte nicht sinnvol- Bodo Dahl und Günther Schuh von der ler dargestellt werden als durch das rie- Bühne getragen sige weiße Laken. Verborgen vor neugierigen Blicken der Außenwelt wurde das Laken ‚besprochen’, ein köstliches Bild. Als dann mit einem kräftigen Ruck sich die Szene änderte und die vier Köpfe der Professoren aus der Leinwand hervorlugten, kannte der Beifall keine Grenzen. Ein gelungenes Schauspiel zur Freude auch der Professoren, die die Darstellung ihrer ‚Vorzüge’ genossen. Es wurde von Wilfried, dem ‚ Jerömpelskramer’ berichtet, von Manni, der den ‚Finger hinhielt’, von Walter und ‚sing Dressmen’ und von Tilo, der ‚sing Prölle’ verloren

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hat. Es ging Schlag auf Schlag. ‚Et moi, o làlà’, als Liebeserklärung ans Labor, oder auch eine Liebeserklärung an die Werkzeugmaschine eines armen Assistenten, der diese an die FhG verlor, oder über den Einsatz eines ‚Personal Computers’. Viele Vorträge zeugten vom Erfindungsreichtum der Mitarbeiter. Sie waren und sind aber auch Zeugnis für die enorme Breite an Wissen, mit welchem sich das Institut auseinandersetzt. Ganz anders als früher. Ob Geheimrat Wallichs oder Professor Opitz, die zusammen 67 Jahre WZL-Tradition verkörpern, beide würden ihre helle Freude gehabt haben, wären sie dabei gewesen. Sie würden konstatieren, dass der Spielraum der Beziehungen zwischen Chef und Mitarbeiter sich nicht verändert hat. Sie würden erkennen, dass die vorbehaltslose Bereitschaft, sich einzusetzen, ungebrochen ist. Sie würden auch erkennen, dass die Glossierung der Schwächen, die die Menschen nun mal haben, auch die Chefs, gern angenommen wird. Umso mehr, wenn sie mit Esprit vorgetragen werden. Für mich waren die Stunden ein Labsal, ein Jungbrunnen. Mein herzlicher Glückwunsch gilt den Professoren Eversheim, König, Weck und Pfeifer, die es verstehen, den von Professor Opitz, ihrem und auch meinem Lehrmeister, übernommenen Laborgeist zu wahren und zu fördern. Ich stehe nicht allein da mit meiner Überzeugung, daß die Wechselbeziehung zwischen Lehrer und Studierenden, Professor und Assistenten gerade im WZL besonders positiv ausgeprägt ist. In der Nikolausfeier hat sich manifestiert, was in vielen Jahrzehnten gewachsen ist: Respekt ohne Unterwürfigkeit, Kameradschaft ohne Anbiederung, Freude ohne Schadenfreude. Als Ehemaliger möchte ich für die vielen Freunde des WZL, für die Ehemaligen und die, die es immer wieder werden, eine reizvolle Liedpassage festhalten und damit auch den besonderen Dank an die Schöpfer und Interpreten der wirklich gelungenen Darbietungen verbinden: Als unser Herwart dobowen dat Labor jemaht, hät he et Insitut hier no Seffent jelaht. Do nohm he vier jonge Profs an de Hand un saht schnell: Dat is jetz üsch, dat WZL. Hier könnt er klöngele, schaffe, singe und viere, äwer halt mr die Saache um Joddes Wille en Iehre; un maacht och nit nur een Deil davon kapott, denn isch senn alles un dann nemm isch et üsch all wedder fott.“56 Diese Zeilen, aus dem Munde eines langjährigen Mitarbeiters, zeigen sehr deutlich die Verbundenheit der Ehemaligen zum WZL. Sie repräsentieren die besondere Form der Unternehmenskultur, die über Jahrzehnte am WZL gelebt wird. Aber nicht nur Insider werden sich in dem repräsentativen Bericht von Starck wiederfinden. Der Erfolg des WZL wird immer wieder – auch von „Außenstehenden“ – mit den Führungspersönlichkeiten und der am WZL typischen Mitarbeiterführung in Verbindung gebracht. Jacques Peters, Professor an der Universität Leuven, Belgien, und langjähriger Freund und Kollege von Opitz, nutzt die Feierlichkeiten zum 80-jährigen Bestehen des WZL am 6. Juni 1986 im Krönungssaal, um die Gründe für den kontinuierli-

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Abb. 28 Weihnachten 2000: Fritz Klocke singt als Kapitän eines Gummibootes. Tilo Pfeifer wird von den Engeln zu den Müffen auf die Bühne gebracht

chen Erfolg zu benennen: „Der Erfolg des WZL hat seine Gründe in den Persönlichkeiten seiner früheren und heutigen Leiter, im Geiste der Solidarität und in der ausdauernden Leistung von Generationen von Mitarbeitern und Studierenden. Ein weiterer Garant für den Erfolg ist darin zu sehen, dass man am WZL Fertigungsverfahren, Werkzeugmaschinen und Produktionssystematik stets als eine Einheit und nicht unabhängig voneinander betrachtet. Nicht zuletzt hat die enge Zusammenarbeit mit der Industrie dazu beigetragen, den natürlichen Weg des Wissenstransfers zwischen den Forschern der Hochschule und den Anwendern in der Industrie zu fördern,“57 fasst Peters das Leben und Arbeiten am WZL sehr treffend zusammen. 5. Nachfolgeregelung: Die dritte Generation geht 5.1 Der „King“ geht – Fritz Klocke kommt! (1995) Um einiges später als von ihm angestrebt, scheidet Wilfried König nach 37-jähriger Tätigkeit am WZL zum 31. Dezember 1994 aus der Institutsleitung aus. Bereits offiziell Emeritus – König vollendet im Oktober 1993 sein 65. Lebensjahr – bleibt er in seiner Stellung, bis ein geeigneter Nachfolger gefunden ist. Ein promovierter Maschinenbauer kommt – nach 10 Jahren in der Industrie – an die Technische Hochschule Aachen: Fritz Klocke, 45 Jahre alt, übernimmt Anfang 1995 den Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren und die Leitung des Fraunhofer Instituts für Produktionstechnologie IPT.58 Klockes „erster Kontakt“ zum WZL entsteht Ende der 1970er Jahre während seiner Zeit als Wissenschaftlicher Mitarbeiter von Günter Spur59 in Berlin. Es gibt gemeinsame Forschungsprojekte und Schwerpunktprogramme, z. B. das DFG-Schwerpunktprogramm „Fertigungsverfahren und Bauteilverhalten“, bei dem Spur und König die

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maßgebenden Gestalter sind. So kommt es zu vielen persönlichen Kontakten zwischen Aachen und Berlin, insbesondere unter den Schleifern. „Die Aachener Schleifer waren damals unser großes Vorbild, und es haben sich damals einige persönliche Freundschaften auf Assistentenebene entwickelt, die bis heute existieren“, erinnert sich Klocke.60 Klocke betrachtet die Nachfolge der Professur König als eine sehr große, persönliche Herausforderung. Dennoch scheint ihm das Risiko für sich selbst eher gering zu sein, denn er hat schon während seiner Industriezeit die kooperative Institutsführung in Aachen kennen und schätzen gelernt. Klocke ist überzeugt, dass die Aachener Kollegen im Grunde genommen „die Mutigeren“ gewesen sind, da sie schließlich jemanden in die kooperative Institutsführung aufgenommen haben, den sie nur wenig kannten. Die häufige und wohlwollend gemeinte Aussage der WZL-Kollegen – „Das könnte einer von uns sein!“ – nimmt Klocke, auch heute noch, mit einem Lächeln entgegen. Obwohl er sich seiner Berliner Wurzeln durchaus bewusst ist und sich an seine 10-jährige Industrietätigkeit in Hamburg gern zurückerinnert, fühlt sich Klocke in Aachen am Institut sehr schnell wohl. „Ich wurde sofort ins Team integriert und habe von allen Seiten Hilfe erfahren. Ohne Vorbehalte aufgenommen und in ein Leitungsteam integriert zu werden, aus dem sich dann Abb. 29 Wilfried König scheidet nach 37-jähriger Tätigkeit am WZL zum ein Zusammengehörigkeitsgefühl entwickelt, 31. Dezember 1994 aus der Institutsdas war für mich beispielgebend und einmaleitung aus lig. Als Außenstehender konnte ich mir das nicht vorstellen! Aber ich habe gelernt, dass dies leicht möglich ist, wenn alle Verantwortlichen sich gemeinsam zu einem Geschäftsmodell bekennen und es aus Überzeugung leben. Der sogenannte Laborgeist ist natürlich etwas, das nur auf der emotionalen Ebene zu charakterisieren ist. Es meint das gegenseitige Helfen, die Bereitschaft, an gemeinsamen Projekten zu arbeiten, die Individualität durchaus an Stellen, an denen es notwendig ist, zurückzunehmen, weil jeder weiß: Die gemeinsame Leistungsfähigkeit eines Instituts ist mehr als die Summe von vier einzelnen Bereichen. Auch die aktive Mitarbeit von Professor König hat mir den Einstieg sehr erleichtert. Er hat mich wie ein väterlicher Freund in die Wissenschaftssociety der Fertigungstechnik eingeführt. Das war sehr beispielgebend.“61 Auch nach seiner Emeritierung ist König täglich in das Institutsleben am WZL und am Fraunhofer IPT aktiv eingebunden, sein Rat ist sehr gefragt und wird von allen

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gern angenommen. „Seine immerwährende Verfügbarkeit und seine Bereitschaft zum Helfen in wissenschaftlichen und menschlichen Fragestellungen ist allen fast schon selbstverständlich geworden“, erinnert sich Klocke gern an seinen Vorgänger. Umso härter trifft es die Aachener Professoren sowie alle Mitarbeiter am WZL und Fraunhofer IPT, als König nach kurzer, schwerer Krankheit am 27. Juni 2001 plötzlich

Abb. 30 Wurde sofort ins Team integriert: Fritz Klocke (2.v.l.) und seine Kollegen Weck, Pfeifer und Eversheim (v.l.n.r.)

verstirbt. Das WZL und das Fraunhofer IPT veranstalten zu Ehren Königs ein Gedenkkolloquium in der Aula der RWTH Aachen, an dem rund 700 Kollegen, Freunde und Weggefährten teilnehmen. Der Rektor der RWTH, Burkhard Rauhut, und der Präsident der Fraunhofer Gesellschaft, Hans-Jürgen Warnecke, würdigen König als einen herausragenden Forscher und Hochschullehrer. Fritz Klocke hält eine Rückschau auf Königs Leben als Forscher und Mensch. „Wilfried König hat mit Überzeugung, Enthusiasmus und großer Lebensfreude sein ganzes Arbeitsleben, auch über den Tag der Emeritierung als Hochschulprofessor hinausgehend, praktisch bis zu seinem Tode, der Produktionstechnik gewidmet, um so schmerzlicher empfinden wir den plötzlichen Verlust des Kollegen und lieben Freundes“, beginnt Klocke seine Laudatio.62 König war ein exzellenter Forscher und besaß höchste wissenschaftliche Reputation. Er war aber auch überzeugt, so Klocke, dass die großen Dinge

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Abb. 31 König ist immer zu Späßen aufgelegt: Die legendäre „König-Kanone“ kommt bei allen Gelegenheiten zum Einsatz (o.). König erhält von seinen Mitarbeitern 1994 einen „griechischen“ Doktorhut (u.)

CORNELIA KOMPE der Produktionstechnik nur gemeinsam mit Freunden und Kollegen in internationaler Zusammenarbeit gestaltet werden können. So ist es nicht verwunderlich, dass König der Internationalen Forschungsgemeinschaft für Mechanische Produktionstechnologie (CIRP) als Präsident in der Zeit von 1990 bis 1991 neue Impulse gab. Seine großen Verdienste um die Produktionstechnik spiegeln sich in zahlreichen Auszeichnungen wider, darunter die Ehrendoktorwürden der Universitäten Leuven (1979) und Thessaloniki (1994) sowie die SME Frederick Taylor Research Medal (1992), die König als erster Deutscher erhält, und die Erich-Siebel-Gedenkmünze der Europäischen Gesellschaft für Blechverarbeitung (1995). 1997 wird König für seine außerordentlichen Verdienste und sein vielfältiges Engagement für Gesellschaft und Staat mit dem Bundesverdienstkreuz am Bande ausgezeichnet.63 Für Wilfried König war es selbstverständlich, Ehrenämter in Hochschulen, Verbänden und zur Gestaltung von Gemeinschaftsforschung sowie als Gutachter für öffentliche Forschungsvorhaben zu übernehmen. Auch hier war sein fachkundiger Rat und seine ausgleichende, ruhige Persönlichkeit hoch geschätzt und in schwierigen, labilen Diskussions- und Entscheidungssituationen häufig der stabilisierende Faktor und damit der Schlüssel zum Erfolg. König hat bei allen seinen wissenschaftlichen Erfolgen nie den Kontakt zu seinen Mitmenschen verloren. Er lebte und arbeitete ohne Distanz in seinen Instituten. Er konnte persönliche Sachverhalte ausgezeichnet ana-

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lysieren und einen guten Rat unaufgedrängt transportieren. Für jeden Mitarbeiter war er in kürzester Zeit bei einem persönlichen Anliegen zu sprechen. Bei diesen Gesprächen sackte er zuweilen gedankenversunken, mit innerlicher Ruhe, in seinem Sessel zurück und dozierte Lebensweisheit. König begegnete seinen Mitarbeitern immer aufrichtig und ehrlich; für eine gute Leistung sparte er nicht mit Anerkennung und Lob, war das Ergebnis nicht so berauschend, konnte er dies sehr charmant, aber unmissverständlich ebenfalls zum Ausdruck bringen. Es gab wohl niemanden am Institut, der seine Sprache nicht verstand. Wilfried König besaß auch einen trockenen, spontanen Humor, er war ein charmanter Gastgeber und feierte selbst sehr gern und ausgiebig. Dagegen mochte er es viel weniger, persönlich im großen Rampenlicht zu stehen, obwohl er sich auch hier sicher und souverän bewegte. Er bevorzugte, wenn immer möglich, viel lieber das bescheidenere Seitenlicht. Ein persönliches Wort, ein kurzes Gespräch mit dem Mitarbeiter und der Mitarbeiterin in der Werkstatt, der Bibliothek, im Fotolabor, in der Buchhaltung, der Konstruktion, mit dem gerade vorübereilenden Studierenden, waren ihm sehr wichtig. Wilfried König hat damit die Zusammenarbeitskultur geprägt.64 Ehrendoktorwürden an Wilfried König 1979 Universität Leuven, Belgien 1994 Aristoteles-Universität in Thessaloniki, Griechenland

Weitere Ehrungen 1971 Träger des VDI-Ehrenringes 1987 Herwart-Opitz-Ehrenmedaille 1992 Frederick Taylor Research Medal der Society of Manufacuring Engineers (SME) 1995 Erich-Siebel-Gedenkmünze der Europäischen Gesellschaft für Blechverarbeitung 1997 Bundesverdienstkreuz am Bande

5.2 „Von der Pflicht zur Kür“ – Emeritierung von Walter Eversheim (2002) Walter Eversheim scheidet zum 31. August 2002 nach fast 30-jähriger Tätigkeit aus der Institutsleitung aus. Er übergibt seinen Lehrstuhl mit Wirkung vom 1. September an seinen Nachfolger Günther Schuh, der 1988 bei Eversheim promovierte. Als Pionier des Simultaneous Engineering erweitert Eversheim die Forschungsarbeiten seines Lehrstuhls insbesondere auf den Bereich der Produkt- und Prozessentwicklung und wirkt damit als Wegbereiter eines neuen kooperativen Denkens. Er stellt die Weichen für die Einführung der Gruppentechnologie in der Industrie und erreicht

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hier deutliche Rationalisierungseffekte. Der Name Eversheim ist untrennbar verbunden mit Begriffen wie Prozessorganisation, Prozesskostenrechnung und Variantenmanagement. Seine Arbeiten zum Virtual Engineering und zur Digital Factory setzen immer wieder neue Impulse in der Fabrikplanung. Sein Betätigungsfeld erstreckt sich weit über das WZL hinaus. Eversheim ist Mitglied des Direktoriums des Fraunhofer Instituts Produktionstechnologie IPT (1980), Direktor des Instituts für Technologiemanagement der Universität St. Gallen, Schweiz, (1989) und Direktor des Forschungsinstituts für Rationalisierung (1990). Durch zahlreiche Gastprofessuren und gemeinsame Projekte mit Partnern in Europa, den USA, Asien und Lateinamerika prägt er maßgeblich die nationale und internationale Forschungslandschaft. Er ist seit 1978 Mitglied der internationalen Forschungsvereinigung CIRP und übernimmt über mehrere Jahre die Präsidentschaft des Scientific Committee „Optimization“. Eversheim trägt Verantwortung in der akademischen Selbstverwaltung der RWTH. Von 1981 bis 1983 hat er das Amt eines Prorektors inne und ist Senatsbeauftragter für Technologietransfer der RWTH Aachen (19832002). Das hohe Ansehen, das er in Wissenschaft, Wirtschaft und Politik genießt, spiegelt sich in zahlreichen nationalen und internationalen Auszeichnungen wider. Bereits 1988 erhält er den Verdienstorden des Landes Nordrhein-Westfalen. 1989 beruft der Bundespräsident Richard von Weizsäcker Eversheim in den Wissenschaftsrat der BRD. Die älteste chinesische Universität, die Tianjin-Universität, ehrt ihn 1992 mit dem Titel eines Honorarprofessors, die Universität Trondheim verleiht ihm im gleichen Jahr die Ehrendoktorwürde. Für seine außerordentlichen Verdienste um die Produktionstechnik zeichnet ihn der VDI 1997 mit der Herwart-OpitzMedaille aus. Im Jahr 2000 würdigt die Universität St. Gallen seine Verdienste um die Verbindung von Technologiemanagement und Betriebswissenschaft mit der Verleihung der Ehrendoktorwürde. Die Huazhong-Universität, China, verleiht Eversheim 2000 die Ehrenprofessur, um sein Engagement in der Ausbildung chinesischer Führungskräfte zu würdigen und zu festigen. Im Februar 2003 erhält Eversheim die Ehrenplakette in Gold der IHK Aachen für seine außerordentlichen Verdienste um die Wirtschaft in der Region Aachen. 1997 übernimmt Eversheim das Amt des Sprechers des Karlspreis-Direktoriums zu Aachen und setzt auch hier in der für ihn typischen Art deutliche Akzente. Für Eversheim ist der 65. Geburtstag sicherlich eine Zäsur, doch wo andere endgültig „aussteigen“ und ihren wohlverdienten Ruhestand genießen, setzt Eversheim einen neuen Anfang. Der ambitionierte Wissenschaftler lehrt ab dem Wintersemester 2002 als Gastprofessor an der Universität in Stellenbosch, Südafrika. „Ich möchte noch etwas von meinem reichen Erfahrungsschatz weitergeben“, verrät er. So wechselt Eversheim von der Pflicht zur Kür.65

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Ehrendoktorwürden an Walter Eversheim 1992 Universität Trondheim, Norwegen 2000 Universität St. Gallen, Schweiz

Weitere Ehrungen 1988 1992 1996 1997 2000 2002 2003

Landesverdienstorden des Landes Nordrhein-Westfalen Honorarprofessor der Tianjin-Universität, China Paul-Harris-Medaille (Rotary) Herwart-Opitz-Ehrenmedaille Honorarprofessor der Universität Huazhong, China Lorenz-Werthmann-Medaille des Deutschen Caritas-Verbandes Ehrenplakette in Gold der IHK Aachen

5.3 „Mr. Machine Tool“ – Emeritierung von Manfred Weck (2003) Manfred Weck scheidet nach rund 31 Jahren aus der Institutsleitung des Werkzeugmaschinenlabors aus. Mit Wirkung vom 1. Januar 2004 übernimmt Christian Brecher – ein Schüler Wecks – die Leitung des Lehrstuhls für Werkzeugmaschinen am WZL. Weck hat mit seinen innovativen Ideen auf den Gebieten der Werkzeugmaschinenkonstruktion und -automation einen großen Anteil an der Weiterentwicklung der Fertigungstechnik und hat diese in Lehre und Forschung stark mitgeprägt. Sein Weitblick, seine Ideen und Impulse machen ihn zum gefragten Partner der produzierenden Industrie und bringen ihm den höchst ehrenvollen Nickname „Mr. Machine Tool“ ein. Der leidenschaftliche Hochschullehrer und Forscher Weck übernimmt Verantwortung weit über sein eigentliches Betätigungsfeld WZL hinaus. So leitet er z. B. in den Jahren 1991 und 1992 als Dekan die Geschicke der Fakultät für Maschinenwesen der RWTH Aachen. Seine Expertise ist in zahlreichen Gutachtergremien immer gefragt. So ist Weck seit 1973 Gutachter der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und übernimmt den Vorsitz der Fachgutachtergruppe „Konstruktion und Fertigungstechnik“ von 1984 bis 1989. Auch der Arbeitsgemeinschaft industrielle Forschungsvereinigung (AiF) steht Weck seit 1977 mit seinem gutachterlichen Rat zur Seite. Dort leitet er von 1990 bis 1996 die Gutachtergruppe (GAG IV) „Konstruktion und Fertigungstechnik“.

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Im Jahre 1998 gründet Weck zusammen mit seinem englischen Kollegen Pat McKeown die euspen (European Society for Precision Engineering and Nanotechnology), von der stets richtungsweisende Impulse für diese neue Schlüsseltechnologie ausgehen. In zahlreichen nationalen und internationalen Gremien der Forschung und Wissenschaft setzt man auf Wecks fundiertes Fachwissen und den reichen Erfahrungsschatz. Seine weltweite Wertschätzung findet ihren Niederschlag in zahlreichen Ehrungen und Auszeichnungen. Schon 1974 erhält Weck die Taylor-Medaille der Internationalen Forschungsvereinigung der Fertigungstechnik (CIRP). Weck wird im März 1982 Ordentliches Mitglied der Rheinisch-Westfälischen Akademie der Wissenschaften. Die Technische Universität Hannover verleiht ihm 1992 die Ehrendoktorwürde und 1995 erhält Weck den Jakob-Wallenberg-Preis der Königlich Schwedischen Akademie der Ingenieurwissenschaften. Der VDI verleiht ihm 1997 die Herwart-Opitz-Ehrenmedaille und im selben Jahr erhält Weck den Ernst-Blickle-Preis der SEW-Eurodrive-Stiftung für seine außergewöhnlichen Leistungen als Fachmann der Produktions- und Antriebstechnik. Im Jahr 2003 wird Weck mit dem Georg-Schlesinger-Preis der Senats der Stadt Berlin ausgezeichnet. Weck erhält die international hochrangig einzustufende Auszeichnung für seine umfangreichen Forschungsaktivitäten und Leistungen u. a. bei der Entwicklung hochdynamischer Werkzeugmaschinen, der Entwicklung aktiver und passiver Dämpfer und für seine Beiträge zur Leichtbaukonstruktion höchster Steifigkeit unter Einbezug neuer Materialien. Im Juli 2005 erhält Weck die Ehrendoktorwürde der Technischen Universität Dresden für seine überragenden wissenschaftlichen Leistungen. Hervorgehoben wird sein Engagement in der traditionellen Zusammenarbeit des WZL mit dem Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik in Dresden. Mit 66 Jahren wird es nun Zeit, den Jüngeren das Feld zu überlassen. Aber auch wenn Weck sich offiziell von seinen Instituten und Mitarbeitern verabschiedet hat, bedeutet das nicht den völligen Rückzug: „Mr. Machine Tool“ steht weiterhin den Mitarbeitern und seinem Nachfolger Brecher jederzeit mit Rat und Tat zur Verfügung.66 Ehrendoktorwürden an Manfred Weck 1992 Technische Universität Hannover 2005 Technische Universität Dresden

Weitere Ehrungen 1974 Taylor-Medaille der Internationalen Forschungsvereinigung für Fertigungstechnik CIRP 1995 Jakob-Wallenberg-Preis der Schwedischen Akademie der Wissenschaften

Die dritte Generation im WZL: Das Vierer-Direktorium (1973-2002/3/4)

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1997 Herwart-Opitz-Ehrenmedaille 1997 Ernst-Blickle-Preis der SEW-Stiftung 2003 Lifetime-Achievement Award der Europäischen Gesellschaft für Ultrapräzisionstechnik (euspen) 2003 Georg-Schlesinger-Preis des Senats der Stadt Berlin

5.4 „Ein Ingenieur von besonderer Qualität“ – Emeritierung von Tilo Pfeifer (2004) Mit der Vollendung seines 65. Lebensjahres scheidet Tilo Pfeifer aus dem Hochschuldienst aus. Mit Wirkung vom 1. September 2004 übernimmt Robert Schmitt die Nachfolge seines Doktorvaters Pfeifer. Pfeifer gilt – national und international – als einer der herausragendsten Wissenschaftler und Förderer der Messtechnik und des Qualitätsmanagements mit besonderem Bezug zur integrierten Produktionstechnologie. Seine mehr als 30-jährige und überaus erfolgreiche Tätigkeit in Forschung und Lehre ist immer von einer ausgewogenen Balance aus Grundlagenarbeit, industrieller Applikation und Transfer des erarbeiteten Wissens in die internationale Science Community geprägt. Neben seinen Arbeiten am WZL und Fraunhofer IPT trägt Pfeifer durch sein Engagement in Verbänden, Gremien und Ausschüssen kontinuierlich dazu bei, die Messtechnik und das Qualitätsmanagement voranzubringen.67 Schon 1985 wird Pfeifer als erster deutscher Wissenschaftler von der Internationalen Messtechnischen Konföderation (IMEKO) für seine Bemühungen um die internationale Kooperation auf dem Gebiet der Messtechnik mit dem Distinguished Service Award ausgezeichnet. In den Jahren 1979 bis 1982 steht er der Organisation als Präsident vor und richtet 1982 den 9. Weltkongress der Messtechnik in Berlin aus – den bis dahin ersten und einzigen in Deutschland. Vom 3. bis 6. Oktober 1986 übernimmt er die Leitung der Tagung des Generalrats der IMEKO, die in den Räumlichkeiten des Fraunhofer IPT in Aachen stattfindet. In der IMEKO sind etwa 30 Mitgliedsorganisationen vertreten. Für die Bundesrepublik ist dies die Gesellschaft für Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) unter Vorsitz von Pfeifer. Durch den Zusammenschluss von Wissenschaftlern aus Ost und West ist ein kontinuierlicher Wissensaustausch auf dem Gebiet möglich.68 Pfeifer erhält 1989 die Ehrendoktorwürde der Universität Santa Catarina (UFSC) in Florianopolis, Brasilien, für „seine hohen persönlichen Verdienste und sein Engagement um die UFSC“. Der Rektor der UFSC, Prof. Schlemper, würdigt in seiner Laudatio die Bedeutung Pfeifers fachlicher Arbeiten: „Mit seiner wissenschaftlichen Unterstützung gelang es, auch in Florianopolis einen Schwerpunkt auf dem von Prof. Pfeifer wesentlich bearbeiteten Gebiet der Fertigungstechnik und Qualitätssicherung zu entwickeln. Die Bedeutung dieser Disziplinen ist für die brasilianische Industrie von ebenso großer Bedeutung wie in der Bundesrepublik.“69 1995 verleiht ihm die Tsing-

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hua Universität in Peking den Titel eines Professors Ehren halber und im Jahre 2003 erhält Pfeifer die Ehrendoktor-Würde der Universität Zaragoza, Spanien, für seine kontinuierliche Bereitschaft zur Kooperation in verschiedenen gemeinsamen wissenschaftlichen und akademische Projekten. Pfeifer ist erst der fünfte Ingenieur in der fünfhundertjährigen Geschichte der Universität Zaragoza, dem diese Ehre zuteil wird. Am Tag seines Abschieds aus dem Hochschulleben, am 6. August 2004, erhält Pfeifer die Herwart-Opitz-Medaille, eine der höchsten Auszeichnungen, die der VDI zu vergeben hat. Aber dies ist nur eine Überraschung. Pfeifers letzte Vorlesung wird fast überfallartig von seinem Nachfolger Robert Schmitt und Mitarbeitern beendet: Auf den Generationenwechsel wird mit Sekt angestoßen. „Da war ich gerührt“, sagt Pfeifer zu der Aktion. „Die Vorlesungen waren mir immer wichtig. Ich habe mich gefreut, jungen Menschen Dinge zu vermitteln, die mir etwas bedeuten, nicht nur in fachlicher Hinsicht. Die Studierenden werden mir fehlen.“70 Aber auch nach seinem offiziellen Abschied in den Ruhestand hoffen alle am Institut weiterhin auf den Rat des „Ingenieurs von besonderer Qualität“. Ehrendoktorwürden an Tilo Pfeifer 1989 Universität Santa Catarina (UFSC) in Florianopolis, Brasilien 2003 Universität Zaragoza, Spanien

Weitere Ehrungen 1985 Distinguished Service Award der Internationalen Messtechnischen Konföderation (IMEKO) 1995 Ehrenprofessur an der Tsinghua-Universität, Peking, China 1997 Ernennung zum BLH-Beauftragten an der RWTH Aachen 1997 Verleihung des VDI-Ehrenzeichens 2004 Herwart-Opitz-Medaille

Abb. 32 Der VDMA verleiht 1986 dem WZL für seine den Maschinenbau fördernde Forschungsarbeit den Preis des Deutschen Maschinenbaus (Bronzeplastik von Gernot Rumpf )

Die dritte Generation im WZL: Das Vierer-Direktorium (1973-2002/3/4)

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WZL-Information, a.a.O., Nr. 1, 1974, S. 16-20. WZL-Information, a.a.O., Nr. 2, Juni 1975, S. 17. 3 WZL-Information, a.a.O., Nr. 7, Dezember 1977, S. 5-7. 4 WZL-Information, a.a.O., Nr. 8, Oktober 1978, S. 3-5. Zum Tode von Opitz vgl. HAAc Akte 13292 und Akte 4202. 5 Artikel „Späte Ehrung für Professor Opitz“. In: Aachener Volkszeitung vom 7. Juni 1979. 6 WZL-Information, a.a.O., Nr. 6, Juni 1977, S. 5-8. 7 Peter Rong: Medaillen und Plaketten der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen. Aachen 1997, S. 64-67. 8 Walter Eversheim: Veränderte Strukturen durch neue Fertigungstechnologien. In: Auf dem Weg in ein neues Zeitalter. Die deutsche Wirtschaft vor ihrer größten Herausforderung. Festschrift für Bodo Liebe. Düsseldorf/Wien 1985, S. 136-162, hier S. 137 f. 9 Wilfried König, Walter Eversheim, Manfred Weck, Tilo Pfeifer: Das Selbstporträt. Moderne Produktionstechnik durch praxisnahe Forschung. In: Werkstattstechnik. Zeitschrift für industrielle Fertigung 74, 1984, Nr. 11, S. 691. 10 Vgl. Kapitel 8 zum Thema NC-Technik und Programmiersysteme (ab 1965). 11 Vgl. Kapitel 13 zum Thema Fertigungsplanung und -steuerung (ab 1965). 12 Vgl. Kapitel 15 zum Thema Rechnereinsatz in Konstruktion (ab 1968). 13 Vgl. Kapitel 25 zum Thema Technische Investitionsplanung und Fabrikplanung (ab 1970) und Kapitel 26 zum Thema Produktstrukturierung im Einzel- und Kleinserienbereich (ab 1985). 14 Vgl. Kapitel 28 zum Thema Simultaneous Engineering (ab 1985). 15 Vgl. Kapitel 22 zum Thema Umweltfreundliche Technologien (ab 1986). 16 Vgl. Kapitel 27 zum Thema Ressourcenverfahren (ab 1988). 17 Vgl. Kapitel 2 zum Thema Zerspanforschung (ab 1906). 18 Vgl. Kapitel 10 zum Thema Schleiftechnik (ab 1930). 19 Vgl. Kapitel 9 zum Thema EDM / ECM (ab 1950). 20 Vgl. Kapitel 8 zum Thema NC-Technik und Programmiersysteme (ab 1965). 21 Vgl. Kapitel 16 zum Thema Prozessanalyse und -entwicklung im Bereich der Kaltumformung (ab 1984). 22 Vgl. Kapitel 20 zum Thema Lasertechnologie / Generative Fertigungsverfahren (ab 1985). 23 Vgl. Kapitel 6 zum Thema Zahnrad- und Getriebeuntersuchung (ab 1950). 24 Vgl. Kapitel 14 zum Thema Konstruktion und Berechnung von Werkzeugmaschinen (ab 1966). 25 Vgl. Kapitel 3 zum Thema Maschinenelemente und -komponenten (ab 1940). 26 Vgl. Kapitel 12 zum Thema Messtechnische Untersuchungen von Prozess und Maschine, Beurteilung und Abnahme von Werkzeugmaschinen (ab 1960). 27 Vgl. Kapitel 11 zum Thema Dynamisches Verhalten von Werkzeugmaschinen (ab 1954). 28 Vgl. Kapitel 4 zum Thema Antriebstechnik (ab 1946). 29 Vgl. Kapitel 18 zum Thema Maschinenentwicklung (ab 1982). 1 2

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Vgl. Kapitel 7 zum Thema Steuerungstechnik (ab 1962). Vgl. Kapitel 17 zum Thema Handhabungstechnik und Robotik (ab 1980). 32 Vgl. Kapitel 19 zum Thema Ultrapräzisionsmaschinen (ab 1988). 33 Vgl. Kapitel 19 zum Thema Ultrapräzisionsmaschinen (ab 1988). 34 Vgl. Kapitel 21 zum Thema Faserverbundwerkstoffe (ab 1990). 35 Vgl. Kapitel 20 zum Thema Lasertechnologie / Generative Fertigungsverfahren (ab 1985). 36 90 Jahre WZL. Innovation aus Tradition. Impulse für die Produktionstechnik, hrsg. v. Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen. Duisburg 1996, S. 15-19. 37 Vgl. Kapitel 23 zum Thema Messtechnik und Messsysteme für die Produktion (ab 1972). 38 Vgl. Kapitel 24 zum Thema Qualitätsmanagement (ab 1985). 39 WZL-Information, a.a.O., Nr. 12, Oktober 1981, S. 11 ff. 40 SEW-EURODRIVE-Stiftung (Hrsg.): Ernst-Blickle-Preis 1997. Festreden anlässlich der Verleihung an Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Manfred Weck, ohne Ort und Jahr, S. 11. 41 WGP 1987, a.a.O., S. 94. 42 WZL-Information, a.a.O., Nr. 3, 1975, S. 13. 43 Karl-Viktor von Schöning: Innovationspotential in der Fertigungstechnik. München/ Wien 1980, S. 189 f. 44 90 Jahre WZL 1996, a.a.O., S. 11-14. Vgl. WZL-Information, a.a.O., Nr. 11, Dezember 1980, S. 11-13. WZL-Information, a.a.O., Nr. 17, August 1985, S. 10-12. 45 WZL-Information, a.a.O., Nr. 19, Juli 1987, S. 90-92. 46 90 Jahre WZL 1996, a.a.O., S. 11-14. 47 Vgl. Zeitzeugeninterview mit Fritz Klocke am 10. Dezember 2003 und Imagebroschüre „Systemlösungen für die Produktion – WZL der RWTH Aachen und Fraunhofer IPT im Profil“. Aachen 2005. 48 WZL/IPT-Information, Nachrichten aus dem Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre der RWTH Aachen und dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie, hrsg. v. Walter Eversheim, Wilfried König, Manfred Weck, Tilo Pfeifer, Heft 1991, S. 83-84. Vgl. auch 90 Jahre WZL 1996, a.a.O., S. 21. 49 WZL/IPT-Information, a.a.O., 1/1990, S. 83-85. 50 90 Jahre WZL 1996, a.a.O., S. 22-24. 51 Zeitzeugeninterview mit Manfred Weck am 11. November 2003. 52 Ebd. 53 Zeitzeugeninterview mit Walter Eversheim am 22. Oktober 2003. 54 Manfred Weck: Abschlussworte. In: WZL (Hrsg.): 75 Jahre WZL, Festreden anlässlich der 75-Jahrfeier am 10. Juni 1981 im Krönungssaal des Rathauses zu Aachen. Aachen 1981, S. 40. 55 Gekürzte Version aus der WZL-Information, a.a.O., Nr. 12, Oktober 1981, S. 9-10. 56 Abdruck aus der WZL-Information, a.a.O., Nr. 18, Mai 1986, S. 1-7. 57 WZL-Information, a.a.O., Nr. 19, Juli 1987, S. 87. 58 Vgl. die ausführliche Biographie von Fritz Klocke im Kapitel: Die vierte Generation im WZL, S. 149 ff. 30 31

Die dritte Generation im WZL: Das Vierer-Direktorium (1973-2002/3/4)

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Professor Dr.-Ing. E. h. mult. G. Spur (geb. 1928 in Braunschweig) leitete von 1965 bis 1997 das Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb an der Technischen Universität Berlin. 60 Zeitzeugeninterview mit Fritz Klocke am 10. Dezember 2003. 61 Ebd. 62 In memoriam Wilfried König, hrsg. v. WZL der RWTH Aachen. Aachen 2001, S. 20. 63 Tools. Informationen der Aachener Produktionstechniker, hrsg. v. Walter Eversheim, Fritz Klocke, Manfred Weck, Tilo Pfeifer, 3/2001, S. 14. 64 In memoriam Wilfried König, a.a.O., S. 38. 65 Tools, a.a.O., 3/2002, S. 14-16. 66 Tools, a.a.O., 1/2004, S. 14-15. 67 Reinhard Freudenberg: Professor Tilo Pfeifer geht in Ruhestand. In: Technisches Messen 71 (2004) 7-8, S. 375-376. 68 WZL-Information, a.a.O., Nr. 19, Juli 1987, S. 51-52. 69 WZL/IPT-Information, a.a.O., 1/1990, S. 79-80. 70 Artikel „Ein Maschinenbauer von besonderer Qualität“. In: Aachener Nachrichten vom 6. August 2004. 59

wzl 100 Jahre

Die vierte Generation im WZL: Christian Brecher, Fritz Klocke, Robert Schmitt und Günther Schuh (ab 2004)

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Gliederung 1. Die vierte Führungsgeneration im WZL 2. Zwei Institute – eine Philosophie: Forschungsfelder im WZL und im Fraunhofer IPT 2.1 Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren / IPT Abteilung Produktionstechnologie 2.2 Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen / IPT Abteilung Produktionsmaschinen 2.3 Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement / IPT Abteilung Mess- und Qualitätstechnik 2.4 Lehrstuhl für Produktionssystematik / IPT Abteilung Technologiemanagement 2.5 Getriebetechnik – ein Beispiel für lehrstuhlübergreifende Kooperation 3. Technologie- und Wissenstransfer am WZL und Fraunhofer IPT 3.1 „Kooperationen für interdisziplinäre Projektarbeit“ 3.2 Die Wege des Know-how-Transfers 4. Das Leben am WZL 4.1 Der Neubau 2005 – 6000 m2 mehr für Forschung und Lehre 4.2 Innovation und Tradition

Die vierte Generation im WZL: Das neue Team (ab 2004)

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1. Die vierte Führungsgeneration im WZL Der Generationenwechsel am WZL ist im September 2004 vollzogen. Nach der Emeritierung von Wilfried König (Dezember 1994), Walter Eversheim (August 2002), Manfred Weck (Dezember 2003) und Tilo Pfeifer (August 2004) formiert sich die neue, junge Führungsriege am WZL. Der Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren wird seit Januar 1995 von Fritz Klocke geleitet.1 Am 1. September 2002 tritt Günther Schuh die Leitung des Lehrstuhls für Produktionssystematik an. Mit Wirkung vom 1. Januar 2004 übernimmt Christian Brecher den Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen und am 1. September 2004 beginnt Robert Schmitt mit der Leitung des Lehrstuhls für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement. Die vier Professoren des WZL-Direktoriums bilden gleichzeitig das Direktorium des Fraunhofer Institutes für Produktionstechnologie IPT, wobei Fritz Klocke seit 1995 als Institutsleiter des Fraunhofer IPT fungiert.

Abb. 1 Die vierte Generation im WZL (v.l.n.r.): Christian Brecher, Günther Schuh, Fritz Klocke und Robert Schmitt

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Fritz Klocke wird am 10. Oktober 1950 in Vlotho geboren. Er macht eine Lehre als Werkzeugmacher und arbeitet anschließend bei der Firma Albert Stübbe KG (1965-1969). Nach einem Fachhochschulstudium der Fachrichtung Fertigungstechnik in Lemgo (1970-1973) beginnt er 1973 mit dem Studium der Fertigungstechnik an der Technischen Universität Berlin. 1976 beendet er sein Studium und wird 1977 Wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Günter Spur am Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik an der Technischen Universität Berlin. 1981 wird er dort Oberingenieur für das

Fachgebiet Fertigungstechnik und promoviert 1982. Ab April 1984 arbeitet er als Assistent des Technischen Direktors und später als Leiter der Verfahrensüberwachung bei der Firma Ernst Winter & Sohn GmbH & Co. in Norderstedt. Im September 1985 wird er dort zum Technischen Leiter Mechanik. Nach seiner Berufung an die RWTH Aachen übernimmt er im Januar 1995 den Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren von Wilfried König und wird damit Direktoriumsmitglied des WZL. Gleichzeitig übernimmt er die Leitung des Fraunhofer IPT.

Günther Schuh wird am 19. November 1958 in Köln geboren. Er studiert von 1978 bis 1985 Maschinenbau und Wirtschaftswissenschaften an der RWTH Aachen. Schuh lernt das WZL schon 1982 als Studentische Hilfskraft kennen. Er beginnt 1985 als Wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Walter Eversheim und promoviert 1988 zum Thema „Gestaltung und Bewertung von Produktvarianten. Ein Beitrag zur systematischen Planung von Serienprodukten“. 1988 ernennt Eversheim ihn zum Oberingenieur. 1989 gründet Schuh das Softwarehaus GPS im Technologiepark in Herzogenrath, das heute mehrheitlich als Beratungsunternehmen mit Standorten in Würselen, München, St. Gallen und Atlanta, USA, tätig

ist. 1990 verlässt er das WZL und wird Dozent für Fertigungswirtschaft und Industriebetriebslehre an der Schweizer Universität St. Gallen (HSG). Nach seiner Habilitation wird er dort 1993 zum Professor für „Betriebswirtschaftliches Produktionsmanagement“ ernannt sowie Mitglied des Direktoriums des Instituts für Technologiemanagement (ITEM-HSG). Im Oktober 2002 tritt er die Nachfolge von Eversheim am WZL und Fraunhofer IPT an. Seit dem 1. Oktober 2004 ist Schuh ebenfalls Direktor des Forschungsinstituts für Rationalisierung (FIR) an der RWTH Aachen. Er ist Mitglied in verschiedenen Aufsichts- und Verwaltungsräten von Industrieunternehmen.

Die vierte Generation im WZL: Das neue Team (ab 2004)

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Christian Brecher wird am 25. August 1969 in Gummersbach geboren. 1990 beginnt er das Maschinenbaustudium an der RWTH Aachen, das er 1995 abschließt. Brecher arbeitet seit 1993 als Studentische Hilfskraft am WZL und beginnt 1995 als Wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Manfred Weck. Von 1999 bis 2001 ist er Oberingenieur der Abteilung Maschinentechnik und 2002 promoviert er zum Thema „Vergleichende Analyse von Vorschubantrieben für Werkzeugmaschinen“. Schon 2001 beginnt er als Wissenschaftlicher Berater bei der Firma

EADS Deutschland GmbH in Augsburg. Ab August 2001 übernimmt er bis 2003 zunächst die Leitung des Bereichs Entwicklung der Firma DS Technologie Werkzeugmaschinenbau GmbH, Mönchengladbach, wird dann dort verantwortlich für den Gesamtbereich Konstruktion und Entwicklung. Nach seiner Berufung an die RWTH Aachen übernimmt Brecher im Januar 2004 – als Nachfolger von Weck – die Professur für das Fach Werkzeugmaschinen am WZL und ist damit gleichzeitig Direktoriumsmitglied des WZL und des Fraunhofer IPT.

Robert Schmitt wird am 11. Januar 1961 in Lippstadt geboren. Schmitt studiert bis 1989 Elektrotechnik in der Fachrichtung Elektrische Nachrichtentechnik an der RWTH Aachen. Der erste Kontakt zum WZL entsteht während seiner Diplomarbeit. Von 1990 bis 1996 arbeitet Schmitt als Wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Tilo Pfeifer. 1997 steigt er bei MAN Nutzfahrzeuge AG in München im Bereich der Qualitätssicherung LKW für elektrische und elektronische Komponenten ein. 1999 promoviert er mit einer Dissertation über den „Aufbau flexibler Mess- und Prüfstationen für die automatisierte Montage“ bei Pfeifer. Ab 2000 leitet er die „Qualitätssicherung Produktion“ bei MAN. Anfang 2002 wechselt

er in München in die Fahrerhausproduktion, bevor er ab Herbst 2002 am Standort Steyr in Österreich, an dem alle leichten und mittleren LKW unter den Marken MAN, Steyr, ERF und STAR vom Band laufen, die Verantwortung für die Montage übernimmt. Im Juli 2004 wird er als Professor an die RWTH Aachen berufen und übernimmt im September die Leitung des Lehrstuhls Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement am WZL. Damit tritt er die Nachfolge von Pfeifer an. Schmitt ist Mitglied des Direktoriums des WZL und seit Januar 2005 Direktoriumsmitglied des Fraunhofer IPT.

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2. Zwei Institute – eine Philosophie: Forschungsfelder im WZL und im Fraunhofer IPT „Gemeinsam sind wir stark“ – dieses von den vier Professoren Eversheim, König, Pfeifer und Weck zunächst für das WZL geltende Motto, übernehmen die vier jungen Professoren sofort. Als Assistenten haben sie die lehrstuhlübergreifende Zusammenarbeit kennen und schätzen gelernt. Mit der Gründung des Fraunhofer IPT 1980 wird das Motto von Eversheim, König, Pfeifer und Weck ausgeweitet und nun institutsübergreifend den Mitarbeitern im WZL und im Fraunhofer IPT vorgelebt. Die engen Kooperationsvereinbarungen des Fraunhofer IPT mit der RWTH Aachen und das sich aus dem vierköpfigen WZL-Direktorium zusammengesetzte Führungsmodell haben die beiden Institute zusammenwachsen lassen. Nach rund 25 Jahren gemeinschaftlichen Forschens sehen sich die beiden Institute längst als eine Einheit. Die gemeinsame Institutskultur verknüpft die Erfahrungen, Visionen und Ziele der RWTH Aachen und der Fraunhofer-Gesellschaft und bringt sie miteinander in Einklang. Den jungen Professoren Brecher, Klocke, Schmitt und Schuh ist es wichtig, dass durch flache Hierarchien, Teamgeist und die Verantwortung des Einzelnen für das Ganze alle Mitarbeiter im WZL und Fraunhofer IPT unmittelbar an Forschungsergebnissen und Neuentwicklungen beteiligt sind. Auf diese Weise kann die leistungsfähige Mischung aus universitärer Lehre, grundlagenorientierter Forschung und praxisbezogener Entwicklung für die Industrie bestehen. Die Professoren Brecher, Klocke, Schmitt und Schuh verstehen es, das Wissen und die Erfahrung beider Institute in allen Bereichen der Produktionstechnik zu vereinen. Getreu dem Motto „Systemlösungen für die Produktion“ werden in disziplinübergreifender Zusammenarbeit aller Lehrstühle allgemeingültige und auch individuelle Lösungen erarbeitet, in denen zukunftsorientierte Unternehmens- und Technologiestrategien verwirklicht werden. In den Geschäftsfeldern und Arbeitskreisen wird dieser Systemgedanke besonders deutlich: Ausgerichtet an den Bedürfnissen ausgewählter Branchen und Produktbereiche bieten die beiden Institute gebündelte Kompetenz in nahezu allen Handlungsfeldern der Produktionstechnik.2 2.1 Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren / IPT Abteilung Produktionstechnologie Die Mitarbeiter des Lehrstuhls für Technologie der Fertigungsverfahren und der IPT Abteilung Produktionstechnologie von Fritz Klocke erforschen neue Technologien, verbessern und entwickeln bestehende Fertigungsverfahren weiter und tragen die erarbeiteten Innovationen in die betriebliche Praxis. Unter Berücksichtigung von Kriterien wie Prozesssicherheit und Robustheit sowie Produktivität behalten die Mitarbeiter von Klocke gleichzeitig auch die wirtschaftlichen Faktoren im Blick. Einen Schwerpunkt bilden die Forschung und Entwicklung innovativer Praxislösungen zur Feinbearbeitung durch Schleifen, Honen und Läppen. Diese Verfahren besitzen insbesondere im Werkzeugbau eine hohe Bedeutung. Die Bearbeitung von Hartmetallen und Keramiken ist in diesem Zusammenhang ein neuer Anwendungsbereich, in dem Pressformen aus diesen Materialien zum Herstellen komplexer Glasoptiken mit hoher Präzision gefertigt werden. Beim Drehen, Fräsen und Bohren stehen immer wieder Fragen im Vordergrund, die sich aus der Bearbeitung schwerzerspanbarer Werkstoffe

Die vierte Generation im WZL: Das neue Team (ab 2004)

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ableiten lassen. Besondere fertigungstechnische Forderungen ergeben sich auch, wenn Werkstücke mit hoher Komplexität und filigranen Bauteilgeometrien herzustellen sind. Das übergeordnete Ziel ist immer, Fertigungsverfahren an physikalische Leistungsgrenzen zu führen, um durch höhere Produktivität und neue Fertigungstechnologien neue Anwendungen zu ermöglichen.3

Die Anforderungen des Werkzeug- und Formenbaus prägen nicht nur die Fräs- und Schleiftechnologien, sondern auch die Funkenerosion. Neben dem funkenerosiven Senken und Drahtschneiden werden in der Funkenerosion durch neue Dielektrika und Mikroerosionsarbeiten neue Anwendungen erschlossen.4 Insbesondere das Herstellen von Mikrostrukturen und Mikrogeometrien in gehärteten Werkstoffen ist ein Arbeitsfeld, das zur Herstellung von Replikationsformen für die Verarbeitung von Kunststoffen und Gläsern dient. Im Fokus der Arbeiten zur Anwendung von Lasern in der Produktion stehen direkte Strahlstoffwechselwirkungen und kombinierte Prozesse. Bei kombinierten Prozessen, bei denen der Laser mit anderen Fertigungsverfahren simultan eingesetzt wird, ergeben sich durch das Zusammenführen unterschiedlicher Wirkprinzipien vollständig neue Anwendungsgebiete. Zusammen mit den Experten der IPT Abteilung für Produktionsmaschinen und für Messtechnik werden autonome Produktionszellen geschaffen, die Technologieplattformen darstellen, auf denen zukünftig verschiedene Fertigungsprozesse anwendungsorientiert schnell zusammengeführt werden können. Mit dem Schließen der kompletten Datenkette von der Repräsentation des Bauteils im CAD-System bis zur technologiegeprägten CAM-Lösung werden neue Wege zur „E-Production“ (durchgängige digitale Produktionskette) gezeigt.5

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Die Themen im Überblick • Grundlagen der Fertigungsprozesse • Zerspanen mit geometrisch bestimmten Schneiden • Zerspanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden • Abtragende Verfahren • Umformende Verfahren • Materialbearbeitung mit Laserstrahlung • Prozess- und Produktüberwachung • Zahnradfertigung • Präzisions- und Ultrapräzisionsbearbeitung • Prozessmodellierung, Methoden und Werkzeuge für die Technologieplanung und Produktionsgestaltung, Virtual Reality, Rapid Prototyping, Rapid Tooling

2.2 Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen / IPT Abteilung Produktionsmaschinen Das Ziel, profitabel zu produzieren, ist die Grundlage jeder unternehmerischen Entscheidung. Effizienz, Leistungsfähigkeit, Verfügbarkeit und Präzision – das sind nur einige der wichtigsten Anforderungen an die industrielle Produktionsumgebung. Und in deren Zentrum steht die Produktions- und Werkzeugmaschine. Leistungsfähige Produktionsmaschinen sind die Voraussetzung für eine wettbewerbsfähige Produktion. Christian Brecher und seine Mitarbeiter am WZL und Fraunhofer IPT untersuchen Produktions- und Werkzeugmaschinen, Handhabungssysteme und deren Komponenten und entwickeln sie weiter. Im Auftrag von Industrieunternehmen entwickeln und erproben sie Steuerungs-, Überwachungs- und Diagnosesysteme ebenso wie Komponenten zur Fertigungsautomatisierung. Die Mitarbeiter von Brecher berechnen und optimieren das statische, dynamische und thermische Verhalten von Werkzeugmaschinen und unterstützen Maschinenhersteller bei der Produktentwicklung. Anhand messtechnischer Untersuchungen beurteilen sie das statische, dynamische, thermische, geometrische und kinematische Verhalten von Maschinen und Handhabungssystemen.6 Gemeinsam mit Maschinenherstellern und Anwendern leiten Brecher und seine Mitarbeiter die erforderlichen Maßnahmen zur Verbesserung des Maschinenverhaltens ab. Darüber hinaus entwickeln sie für Kunden applikationsbezogene Programmier-, Bedien- und Steuerungssoftware. Die zerspanende und abtragende Präzisions- und Ultrapräzisionsbearbeitung erfordert besondere Maschinen. Die Qualität der produzierten Bauteile und Mikrostrukturen wird durch die Parameter des Bearbeitungsprozesses und besonders durch die Genauigkeit der verwendeten Bearbeitungsmaschine bestimmt. Achsen und Lagerungen, Antriebe und Messsysteme, Steuerungen und die Maschinenstruktur müssen höchsten Anforderungen genügen und aufeinander abgestimmt sein. Brecher und seine Mitarbeiter entwickeln Produktionsmaschinen im Bereich der Präzisions- und Ultrapräzisionstechnik für Bearbeitungsverfahren wie Drehen, Fast Tool Servo Drehen, (Mikro-)Fräsen, Flycutting, Hobeln und Erodieren. Das vorhandene Know-how in der Präzisions-

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bearbeitung nutzen sie auch im Sondermaschinenbau: Sie entwickeln hochgenaue Sondermaschinen und Komponenten nach den Wünschen der Kunden und Lizenznehmer. Entwicklungsschwerpunkte sind Schleif- und Poliermaschinen zur Verarbeitung sprödharter Materialien wie Keramik oder Silizium, hochdynamische Zusatzachsen zur Handhabung oder dynamischen Werkzeugführung sowie Anlagen und Komponenten für die Laserbearbeitung wie Trennen, Schweißen oder Beschichten. Für Sondermaschinen, die beispielsweise zur Hart- oder Siliziumbearbeitung dienen,

werden hydrostatische und aerostatische Linearführungen und Spindellagerungen konzipiert, ausgelegt und gefertigt.7 Im Arbeitsgebiet Faserverbundtechnik bedienen sie sowohl die Nachfrage nach faserverstärkten Komponenten als auch nach den dazugehörigen Produktionsmaschinen. Sie entwickeln und fertigen Leichtbaukomponenten im industriellen Auftrag. Der WZL-Maschinenpark verfügt über verschiedene Arten von Fertigungsanlagen und Hilfsmitteln, anhand derer die Mitarbeiter von Brecher duro- und thermoplastische Faserverbundkunststoffe (FVK) teil- oder vollautomatisiert verarbeiten. Charakteristische Merkmale für Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen sind ihr ausgesprochenes Leichtbaupotenzial, hohe mechanische Kennwerte, chemische Inertheit sowie thermische Nulldehnung.8

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Die Themen im Überblick • Konstruktion und Berechnung von Produktionsanlagen • Maschinenelemente • Maschinenuntersuchung • Steuerungstechnik für Produktionsanlagen • Ultrapräzisionstechnik und Sondermaschinen • Sondermaschinenbau • Faserverbundtechnik

2.3 Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement / IPT Abteilung Mess- und Qualitätstechnik Qualität ist für Unternehmen jeder Branche ein wichtiges Differenzierungsmerkmal, um Wettbewerbsfähigkeit zu steigern und zu erhalten. Die Qualität von Prozessen, Produkten und Dienstleistungen ist fast immer entscheidend für den Erfolg des Unternehmens am Markt. Daher erweist sich Qualitätsmanagement (QM) zunehmend nicht mehr nur als Imagefaktor, sondern wird schlicht zu einer Überlebensfrage, die in alle Entscheidungen des Managements entsprechend einfließen muss. Die Anwendung der richtigen Methoden und Strategien steigert die Effizienz und Effektivität sämtlicher Prozesse und somit die Wettbewerbs- und Innovationskraft der Unternehmen. Um die eigenen Qualitätsziele zu erhalten und zu steigern, setzen daher immer mehr Unternehmen auf das Qualitätsmanagement als Querschnittsfunktion, die einen nachhaltigen Einfluss auf den Unternehmenserfolg hat. Dieser Erfolg setzt aber unbedingt auch das Beherrschen der Produktionsprozesse und ein effizientes Management aller Aufgaben zur Qualitätsprüfung voraus. Die heutigen kurzen Produkt- und Innovationszyklen bewirken, dass produzierende Unternehmen immer anspruchsvollere Prozesse in immer kürzerer Zeit beherrschen müssen. Zur erfolgreichen Umsetzung werden Methoden herangezogen, die die Fähigkeit von Prozessen erfassen und verbessern. Prozessorientierte Messtechnik liefert die geforderten Eingangsdaten, während statistische Methoden und organisatorische Konzepte dazu beitragen, diese effektiv zu nutzen. Vor diesem Hintergrund arbeiten Robert Schmitt und seine Mitarbeiter des Lehrstuhls für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement und der IPT Abteilung Messund Qualitätstechnik an praxisorientierten Konzepten und Lösungen für unterschiedliche Branchen. Die Arbeitsfelder umfassen einerseits die Gestaltung und Einführung moderner QM-Systeme sowie die Anwendung und Weiterentwicklung von QM-Methoden. Ziel ist es hier, alle Phasen des Produktlebenszyklusses ganzheitlich strategisch, methodisch und organisatorisch zu unterstützen – von der Entwicklung über die Produktentstehung bis hin zur After Sales-Phase.9 Auf der anderen Seite arbeiten Schmitt und seine Mitarbeiter aber auch an messtechnischen Verfahren, die auf Basis verschiedener physikalischer Prinzipien entwickelt und für die Praxisanwendung optimiert werden, und an entsprechenden Konzepten

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für eine vollständig fertigungsintegrierte Messtechnik. Dazu bieten sie nicht nur gemeinsame Forschung mit den Industriepartnern an, sondern auch messtechnische Beratungsdienstleistungen.10

Die Themen im Überblick • Managementkonzepte und Strategien • Produkt- und Prozessoptimierung • Produktionsoptimierung • Messtechnik und Prüfmanagement

2.4 Lehrstuhl für Produktionssystematik / IPT Abteilung Technologiemanagement Ziel ist es, die produzierende Industrie zu langfristigem und dauerhaftem Erfolg zu führen. Günther Schuh und seine Mitarbeiter am Lehrstuhl für Produktionssystematik und der IPT Abteilung Technologiemanagement betrachten produzierende Unter-

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nehmen als soziale Systeme, die strategisch positioniert und ganzheitlich geführt werden müssen. Dazu gehören Technologie- und Innovationsmanagement ebenso wie die verschiedenen Methoden des Produktionsmanagements von der Fabrikplanung bis zur Produktionssteuerung. Die eigentliche Stärke ziehen sie dabei aus der intensiven Verbindung von ingenieurwissenschaftlicher und betriebswirtschaftlicher Expertise sowie verschiedenen Beratungsaktivitäten.11

Im Bereich der Unternehmensentwicklung unterstützen Schuh und seine Mitarbeiter Unternehmen, indem sie nachhaltige Wettbewerbsvorteile identifizieren und besetzen helfen. Wichtigste Bausteine sind dabei die Strategieanalyse, die Bewertung von Verbesserungspotenzialen sowie die Gestaltung von Change-Management-Prozessen, Kooperationen in Netzwerken. Im Bereich Technologiemanagement arbeiten Schuh und seine Mitarbeiter mit Unternehmen an der Früherkennung, Entwicklung, Planung, Auswahl und Optimierung ihrer Technologien. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Produktions-, Produkt- und Materialtechnologien. Gerade hier gilt es, die vielfältigen Abhängigkeiten zwischen Technologien und Rahmenbedingungen im Unternehmen zu verstehen. Darüber hinaus unterstützen sie Unternehmen, um Potenziale im strategischen Einkauf zu erschließen. Hier heißt es interne und externe Transparenz zu schaffen. Die Mitarbeiter von Schuh entwickeln Methoden zur Prozessoptimierung, Struktur- und IT-Verbesserung und zur verursachungsgerechten Kostenrechnung.

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Immer bedeutsamer für unternehmerische Aktivitäten werden innovative Produkte, welche die steigenden und sich schnell verändernden Kundenanforderungen exakt erfüllen. Solche Produkte zeichnen sich durch eine erfolgreiche Position im Markt aus und leisten dadurch einen wesentlichen Beitrag zum Unternehmenserfolg. Um den Kunden den Sprung von einer Idee zur Innovation zu erleichtern, arbeiten Schuh und seine Mitarbeiter an Modellen und Methoden zur Verbesserung von Innovations-, Entwicklungs- und Markteinführungsprozessen. Die Dienstleistungen reichen von der Erstellung verschiedenster F&E-Portfolios bis zur Einführung eines ganzheitlichen Komplexitätsmanagements. Erfolgreiche Unternehmen arbeiten mit einer nachhaltigen Produktionsstrategie, die sie konsequent umsetzen. Ziel ist dabei ein hoher Deckungsgrad zwischen den Kompetenzen der Produktion und dem tatsächlichen Marktbedarf. Schuh und seine Mitarbeiter hinterfragen und bewerten die Produktion und die Logistikabläufe eines Unternehmens. Gemeinsam mit den Unternehmen gestalten sie effiziente Wertschöpfungsstrukturen und -netzwerke, die das Zusammenspiel aus Eigen- und Fremdfertigung am richtigen Standort nutzen und ein optimal abgestimmtes Produktionsnetz entstehen lassen. Ausgehend vom Wertstrom werden der Materialfluss und die Flexibilität in der Produktion ausgestaltet. Dies geschieht durchgängig von Produktionsstrategien bis hin zur operativen Arbeitsplatzgestaltung. Beim Anlauf einer Produktion spielt die Planung und Umsetzung von Logistik und Produktionsabläufen eine zentrale Rolle. Hier nutzen die Mitarbeiter von Schuh neue Planungsansätze und digitale Hilfsmittel, um eine robuste Produktion zu erzielen.

Die Themen im Überblick • Unternehmensentwicklung • Technologiemanagement und Einkauf • Innovationsmanagement • Produktionsmanagement

2.5 Getriebetechnik – ein Beispiel für lehrstuhlübergreifende Kooperation In der Getriebeabteilung des WZL, die aus dem 1956 gegründeten Arbeitskreis „Zahnrad- und Getriebeuntersuchungen“ hervorgegangen ist, forschen die Lehrstühle für Werkzeugmaschinen und für Technologie der Fertigungsverfahren an vielfältigen Themen der Zahnrad- und Getriebetechnik. Hier lösen sie zusammen mit mehr als 80 Industriepartnern praxisrelevante Aufgaben der Getriebetechnik. Durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit der Experten zweier Lehrstühle fördern Christian Brecher und Fritz Klocke nicht nur die ganzheitliche Betrachtung getriebebezogener Aufgaben, sondern erforschen und verbessern auch die dazugehörigen Produkt- und Produktionstechnologien. Die Mitarbeiter von Brecher und Klocke unterstützen produzierende Unternehmen bei der Gestaltung von Prozessketten und der Optimierung von Einzelprozessen rund um die Zahnradherstellung. Hierzu gehen sie auf die speziellen Anforderungen der

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Kunden ein und berücksichtigen stets Ergebnisse aktueller Forschungsarbeiten und Entwicklungstrends. Das Ziel ist es, Verzahnverfahren grundlegend zu untersuchen und zu verbessern – sowohl für die Vorverzahnung als auch für die Hartfeinbearbeitung

von Stirn- und Kegelrädern. Eigens erstellte Simulationsprogramme unterstützen die Interpretation technologischer Phänomene. Auf dieser Grundlage erarbeiten die Mitarbeiter von Brecher und Klocke fundiert und zielgerichtet verzahnungsbezogene Grundlagen und Lösungen für eine individuelle Optimierung der Prozesse der Kunden. Darüber hinaus arbeiten sie an der Berechnung, Auslegung und Untersuchung einzelner Verzahnungen über Radpaarungen bis hin zum gesamten Antriebsstrang. Außerdem werden die Kunden mit eigens entwickelten Berechnungsprogrammen, die in enger Zusammenarbeit mit den Industriepartnern erarbeitet und kontinuierlich weiterentwickelt werden, unterstützt. Besonderer Schwerpunkt dieser Programme ist die Zahnkontaktanalyse von Stirn-, Kegel- und Sonderverzahnungen. Durch die Ent-

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wicklung leistungsfähiger, innovativer Simulationsmodelle, bieten sie den Industriepartnern Werkzeuge, mit denen sich nicht nur die Zahnflankentopografien, sondern auch spezielle Radkörpergeometrien bei der Zahnradauslegung berücksichtigen lassen. Ein wichtiges Ziel von derzeitigen Arbeiten ist es, das Know-how rund um die Getriebedynamik zielgerichtet zu erweitern. Für wissenschaftliche und anwendungsorientierte Untersuchungen nutzt die Getriebeabteilung des WZL ein großes Prüffeld mit modernen Prüfständen. Hier analysieren die Mitarbeiter von Brecher und Klocke nicht nur das Geräusch- und Festigkeitsverhalten einzelner Zahnradstufen, sondern untersuchen auch vollständige Zahnradgetriebe bis zum gesamten Antriebsstrang. In dieser europaweit einzigartigen Kombination aus Berechnung, Technologie und Untersuchung des Funktionsverhaltens erforscht die WZL-Getriebeabteilung in enger Kooperation mit Unternehmen grundlagen- und anwendungsorientierte Fragen der Getriebetechnik. Diese durchgängige Arbeit an verschiedensten Aufgaben der gesamten Entwicklungs- und Verfahrenskette ist der Schlüssel für die Einführung aktueller Erkenntnisse in die betriebliche Praxis. So berücksichtigen Brecher und Klocke alle relevanten Aufgaben der Getriebetechnik, um Synergieeffekte zu nutzen und den Kunden ganzheitliche Lösungen anzubieten, die sie genau an die Bedürfnisse von Unternehmen mit dem Schwerpunkt der modernen Antriebstechnik anpassen.12

Die Themen im Überblick • Zahnradauslegung und -berechnung • Simulation der Zahnflankenbearbeitung • Untersuchung der Fertigungstechnologie • Tragfähigkeit von Zahnrädern • Untersuchungen des Lauf- und Geräuschverhaltens • Verzahnungsqualität und Materialeigenschaften

3. Technologie- und Wissenstransfer am WZL und Fraunhofer IPT 3.1 „Kooperationen für interdisziplinäre Projektarbeit“ Wer in der Produktionstechnik erfolgreich sein will, muss immer wieder über die eigenen Grenzen blicken und Veränderungen schnell und flexibel mitgestalten. Dem Beispiel ihrer Vorgänger folgend, legen auch Brecher, Klocke, Schmitt und Schuh besonderen Wert auf Kooperation. Diese Zusammenarbeit erfolgt auf mehreren Ebenen. Wie schon angedeutet arbeiten nicht nur die Mitarbeiter der vier WZL-Lehrstühle eng miteinander, sondern sie kooperieren auch mit den Mitarbeitern der Abteilungen des Fraunhofer IPT. Des weiteren erfolgt eine Kooperation mit Kompetenznetzen, Verbänden und Forschungsvereinigungen. Denn nur die Mitgliedschaften in Netzwerken und Kooperationen versetzt das WZL und das Fraunhofer IPT in die Lage, interdisziplinäre Aufgaben auch über die Grenzen der beiden Institute hinaus lösen zu können.

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Kompetenznetze, Verbände und Forschungsvereinigungen, mit denen das WZL und das Fraunhofer IPT zusammenarbeiten: • Aachener Kompetenzzentrum Medizintechnik (AKM) • Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) • Collège International pour la Recherche en Productique (CIRP) • Competenz Centrum Ultrapräzise Oberflächenbearbeitung (CCUPOB) • Deutsche Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG) • Deutsche Gesellschaft für Qualität e.V. (DGQ) • European Society for Precision and Nanotechnology (euspen) • Forschungsgemeinschaft Ultrapräzisionstechnik e.V. (UPT) • Gesellschaft für Qualitätswissenschaft e.V. (GQW) • PhotonAix e.V., Netzwerk für optische Technologien • ProTECA, Kompetenznetz für Produktionstechnik in Aachen • Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken e.V. (VDW) • Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. (VDMA) • Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik (WGP)

Jeder in seinem Fachgebiet, aber gemeinsam als Vertreter des WZL und Fraunhofer IPT engagieren sich die Professoren in vielen Gremien. Alle vier Professoren kooperieren mit dem Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken e.V. (VDW), dem Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. (VDMA) oder dem Verein Deutscher Ingenieure (VDI). Fritz Klocke ist seit 2003 Mitglied im Vorstand des Wissenschaftlichen Rates der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF). Klocke ist Präsidiumsmitglied sowie Gutachter der AiF. Außerdem ist er Gutachter der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und Vorsitzender des Fachkollegiums Produktionstechnik der DFG. Auch Günther Schuh ist seit 2002 Mitglied eines Gutachterausschusses der AiF und seit 2005 Mitglied des Bewilligungsausschusses der DFG für die Graduiertenkollegs. Die Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik (WGP) spielt für das WZL eine besondere Rolle. Im Jahr 1937 von Wallichs als „Hochschulgruppe Fertigungstechnik“ mitbegründet und von Opitz stark geprägt, übernehmen auch seine Nachfolger König (1978-1979), Weck (1986-1987) und Eversheim (1988-1989) verantwortungsvolle Posten. Unter dem Vorsitz von Eversheim wird die „Hochschulgruppe Fertigungstechnik“ in ihren heutigen Namen „Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik“ (WGP) umbenannt. Die WGP vereint heute 33 aktive und 20 emeritierte Professoren von wichtigen deutschen Hochschulinstituten und Fraunhofer-Einrichtungen der Produktionstechnik. Die regelmäßige Abstimmung der Forschungsthemen ermöglicht die Bildung strategischer Schwerpunkte, so dass institutsübergreifende Aktivitäten mit öffentlichen Fördergebern und der Industrie durchgeführt werden können. Heute

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vertreten die Professoren Brecher, Klocke und Schuh das WZL und Fraunhofer IPT in der traditionsreichen Institution. Auch mit dem Collège International pour la Recherche en Productique (CIRP) ist das WZL in besonderer Weise verbunden. Klocke ist seit 1998 aktives Mitglied. Günther Schuh (seit 2005) und Christian Brecher (seit 2006) sind korrespondierende Mitglieder von CIRP. Die 1951 gegründete CIRP versteht sich als eine internationale Akademie der Produktionswissenschaften. Sie vereint hochkarätige Produktionswissenschaftler aus der ganzen Welt. Brecher, Klocke und Schuh führen mit ihren Mitgliedschaften eine lange WZL-Tradition weiter, die schon mit Herwart Opitz in den 1960er Jahren begann.

Abb. 2 Fritz Klocke (r.) und der Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft Hans-Jörg Bullinger (sitz.) besuchen ihren Kollegen Andre Sharon (2.v.l.) im Fraunhofer CMI in Boston (2003)

Klocke und Schuh sind außerdem Mitglieder des Konvents für Technikwissenschaften der Union der deutschen Akademien der Wissenschaften e.V. (acatech) und setzen sich damit für die Förderung der Forschung und des technikwissenschaftlichen Nachwuchses, die Intensivierung internationaler Kooperationen sowie den Dialog mit Natur- und Geisteswissenschaften, Politik, Wirtschaft und Gesellschaft über die Rolle zukunftsweisender Technologien ein. Auch hier setzen Klocke und Schuh eine Tradition fort, die mit dem Engagement von Walter Eversheim und Manfred Weck begonnen hat.

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Robert Schmitt engagiert sich in besonderer Weise in Verbänden seines Fachgebiets. Durch Mitgliedschaften beim Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), bei der Deutschen Gesellschaft für Qualität e.V. (DGQ) oder auch in der Gesellschaft für Qualitätswissenschaft e.V. (GQW) begleitet er die Institutionen mit seinem Fachwissen. In der von Manfred Weck 1998 mitbegründeten European Society for Precision and Nanotechnology (euspen) sowie in der Forschungsgemeinschaft Ultrapräzisionstechnik e.V. (UPT) ist Christian Brecher als Experte vertreten. 3.2 Die Wege des Know-how-Transfers Technologietransfer erfolgt am WZL und Fraunhofer IPT auf mehreren Wegen.13 Dies kann über den „Know-how-Transfer durch Köpfe“ gelingen. Die Studierenden, die

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jährlich die Hochschule verlassen, tragen die innovativen Ideen und Methoden direkt in die Industrieunternehmen. Durch Studien- und Diplomarbeiten oder als Studentische Hilfskräfte lernen sie nicht nur die Institute kennen, sondern auch viele Kooperationspartner aus der Industrie. In den Maschinenhallen des WZL und Fraunhofer IPT können die Studierenden ihr Fachwissen praktisch anwenden. Heute arbeiten etwa 400 Studierende am WZL und Fraunhofer IPT. Auch über die Assistenten findet ein wirkungsvoller „Know-how-Transfer“ statt. Während ihrer Zeit am Institut profitieren sie von den Kooperationen mit der Industrie und lernen viele Firmen näher kennen, die später vielleicht zu einem zukünftigen Arbeitgeber werden. Sie profitieren aber nicht nur von den bestehenden Netzwerken, sondern sind aktiv – beispielsweise durch Aquise, Exkursionen oder Teilnahme an Kongressen – an der Erweiterung und Festigung der Netzwerke beteiligt. Wenn die WZL- und IPT-Assistenten nach etwa vier Jahren ihre Promotion abgeschlossen haben und in die Industrie gehen, nehmen sie ihre Erfahrungen und Forschungsergebnisse mit, aber auch die Arbeitsweisen der Institute. Ein weiterer Weg des Know-how-Transfers läuft über gemeinsame Projekte mit der Industrie. Das WZL und das Fraunhofer IPT „leben“ u. a. von Forschungsaufträgen, die direkt aus den Unternehmen kommen. Der effektivste Weg ist eine bilaterale Forschungsaufgabe, da die Ergebnisse direkt in das Unternehmen zurückkehren und eine schnelle, praxisorientierte Umsetzung erfolgt. Die Zusammenarbeit mit der Industrie zeigt sich besonders in den WZL- und IPTArbeitskreisen. Denn hier setzen sich die Professoren und ihre Mitarbeiter mit Firmen zusammen, um vorwettbewerbliche Fragen gemeinsam zu bearbeiten. Die Arbeitskreise haben eine lange Tradition am WZL – der erste Arbeitskreis für Zahnrad- und Getriebeuntersuchung, der sogenannte WZL-Getriebekreis, wurde von Opitz schon 1956 gegründet.

Arbeitskreise und Geschäftsfelder • Arbeitskreis für Zahnrad- und Getriebeuntersuchung (WZL-Getriebekreis), seit 1956 • Arbeitskreis Elektroerosive Bearbeitung, seit Anfang der 1970er Jahre • Technologiearbeitskreis, seit 1978 • Arbeitskreis für Spindellagerentwicklung (FWF-Arbeitskreis), seit 1985 • Arbeitskreis MaxLine: Einsatzpotenziale, Organisatorische Einbindung, Schulung, seit 1995 • aachener werkzeug- und formenbau (awf), seit 1995 • Zentrum für Präzisions- und Mikrotechnik (ZPM), seit 2000 • Geschäftsfeld „Optik und optische Systeme“, seit 2001 • Forschungsbereich Schnittstelle Werkzeug / Maschine, bis 2002 • Arbeitskreis Schleiftechnik (AKS), seit 2003 • Arbeitskreis Aufstellschwingungen, seit 2004

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Ein ebenso effektiver Know-how-Transfer ist der klassische Weg über Seminare und Konferenzen. Aus dem 1992 gegründeten Aachener Demonstrationslabor für integrierte Produktionstechnik (ADITEC) wird 2003 die WZLforum gGmbH. Das WZLforum an der RWTH Aachen ist die Weiterbildungseinrichtung des WZL und des Fraunhofer IPT. Mit Seminaren, Vorträgen und Tagungen, deren Themen aus den vier Lehrstühlen und Abteilungen von WZL und Fraunhofer IPT hervorgehen, sichert das WZLforum den Transfer neuester praxisrelevanter Erkenntnisse und Erfahrungen aus der Forschung in die Industrie. Die Teilnehmer der Weiterbildungsmaßnahmen kommen einerseits aus der produzierenden Industrie und andererseits aus dem wissenschaftlichen Umfeld der RWTH Aachen. Die Teilnehmer profitieren von der Praxiserfahrung ausgewählter Referenten aus Industrie und Wissenschaft und lernen Themen kennen, die wichtig für die Entwicklungsprozesse im Unternehmen sind. Oberstes Ziel ist es, schnell effektive Netzwerke zwischen Forschung, Wissenschaft und Industrie zu knüpfen und damit anderen Unternehmen im Wettbewerb einen entscheidenden Schritt voraus zu sein.

Abb. 3 Strahlende Dozenten beim EMBA-Lehrgang (v.l.n.r.): Franz Jäger aus St. Gallen, Thomas Borer-Fielding und Günther Schuh

Neben dem Veranstaltungsmanagement und der internen Weiterbildung bietet das WZLforum seit April 2004 auch den hochkarätigen Manager-Lehrgang „Executive MBA für Technologiemanager“ an. Gemeinsam mit der Universität St. Gallen (HSG) geht die RWTH Aachen neue Wege zur Weiterqualifikation von Ingenieuren und Naturwissenschaftlern für Positionen im Top-Management. Das bereits in 2005 unter den Top Ten bewertete EMBA-Programm wird von Günther Schuh geleitet.14

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Das Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium (AWK) ist nach wie vor einer der bestfunktionierendsten Wege für einen Technologie- und Wissenstransfer. Als Herwart Opitz 1948 das erste AWK in der Aula des Hauptgebäudes der RWTH Aachen veranstaltete, konnte er sich sicherlich nicht vorstellen, eines der wichtigsten Branchentreffen der Produktionstechnik geschaffen zu haben. Das alle drei Jahre stattfindende AWK ist längst zu einer Institution geworden, die in Fachkreisen quasi eine Pflichtveranstaltung darstellt. Beim 25. AWK, das am 2. und 3. Juni 2005 im Aachener Eurogress stattfindet, präsentiert sich die komplette vierte Führungsriege dem AWKPublikum. Fast 1000 Teilnehmer sind nach Aachen gekommen, um die Fachvorträge der rund 120 Experten aus den verschiedenen Bereichen der Industrie und Wissenschaften des WZL und Fraunhofer IPT zu hören. Es geht um den Produktionsstandort Deutschland, der auf dem Prüfstand steht. Steigender Kosten- und Innovationsdruck sowie eine zunehmende Globalisierung prägen das Bild der Wirtschaft. Der Kampf um die Wett-

Abb. 4 Die vierte Führungsriege des WZL (v.l.n.r.): Die Professoren Klocke, Brecher, Schmitt und Schuh begrüßen die Teilnehmer des AWK 2005

bewerbsfähigkeit ist für viele Unternehmen zu einem Existenzkampf geworden. Wer zukünftig an den internationalen Märkten bestehen will, muss dabei alle Aspekte der Wertschöpfungskette in Betracht ziehen. Nur dann sind eine wettbewerbsfähige Produktentwicklung und wirtschaftliche Produktion auch weiterhin am Standort Deutschland möglich. Die Vortragenden stellen praxisorientierte Lösungen und Ansätze für eine wettbewerbsfähige Produktionstechnik der Zukunft vor.15

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Abb. 5 Informationsbörse der Produktionstechnik: das 25. AWK im Aachener Eurogress

Abb. 6 Tabelle mit AWK-Teilnehmern 1948 bis 2005

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Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium 1948 1949 1950 1951 1952 1953

1. Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium 2. AWK „Die Entwicklung des Werkzeugmaschinenbaus im Ausland“ 3. AWK „Die Entwicklung des Werkzeugmaschinenbaus im Inland“ 4. AWK „Die Werkzeugmaschine in der neuzeitlichen Fertigung“ 5. AWK „Zerspanung und Werkzeugmaschine“ 6. AWK „Aufwand, Leistung und Wirtschaftlichkeit neuzeitlicher Werkzeugmaschinen“ 1954 7. AWK „Fortschrittliche Fertigung und moderne Werkzeugmaschinen“ 1956 8. AWK „Entwicklung im Werkzeugmaschinenbau“ 1958 9. AWK „Fragen der Fertigungstechnik, des Maschinenbaus und der Wirtschaftlichkeit“ 1960 10. AWK „Werkzeugmaschinen und Genauigkeit“ 1962 11. AWK „Technologische Entwicklung der Werkzeugmaschine“ 1965 12. AWK „Datenverarbeitung in Konstruktion, Arbeitsvorbereitung und Fertigung“ 1968 13. AWK „Besser, billiger, schneller produzieren“ 1971 14. AWK „Wirtschaftlich Planen, Konstruieren, Fertigen“ 1974 15. AWK „Fortschrittliche Produktionstechnik – Ziele – Wege – Erfahrungen“ 1978 16. AWK „Fortschrittliche Produktionstechnik – Ziele – Wege – Erfahrungen“ 1981 17. AWK „Fortschrittliche Produktionstechnik – Ziele – Wege – Erfahrungen“ 1984 18. AWK „Fortschrittliche Produktionstechnik – Ziele – Wege – Erfahrungen“ 1987 19. AWK „Produktionstechnik auf dem Weg zu integrierten Systemen“ 1990 20. AWK „Wettbewerbsfaktor Produktionstechnik“ 1993 21. AWK „Wettbewerbsfaktor Produktionstechnik – Aachener Perspektiven“ 1996 22. AWK „Wettbewerbsfaktor Produktionstechnik – Aachener Perspektiven“ 1999 23. AWK „Wettbewerbsfaktor Produktionstechnik – Aachener Perspektiven“ 2002 24. AWK „Wettbewerbsfaktor Produktionstechnik – Aachener Perspektiven“ 2005 25. AWK „Wettbewerbsfaktor Produktionstechnik – Aachener Perspektiven“

4. Das Leben am WZL 4.1 Der Neubau 2005 – 6000 m2 mehr für Forschung und Lehre Am 3. Juni 2005 wird der Neubau bei der abschließenden Abendveranstaltung des 25. AWK mit einem großen Fest eingeweiht. Die Mitarbeiter des WZL und Fraunhofer IPT und die vielen Ehemaligen, die zum AWK gekommen sind, bewundern den neuen Bau. Das große, offene Glasgebäude fasziniert und begeistert jeden Besucher. Die Motivation für eine Erweiterung des WZL ist klar. Die Räumlichkeiten im WZL reichen nicht mehr aus; neue Büroflächen und Prüfräume sind dringend erforderlich. Außerdem darf der Bunker in der Rütscherstraße, in dem die WZL-Getriebeabteilung seit Anfang der 1960er Jahre Tragfähigkeits- und Geräuschuntersuchungen an Zahn-

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radgetrieben durchführt, aus Sicherheitsgründen nicht mehr genutzt werden. So kommt Manfred Weck die Idee, eine neues Gebäude im Umfeld des WZL zu bauen. Geplant ist zunächst, eine Ersatzfläche für das Prüffeld der Getriebeabteilung zu schaffen. Aber der Neubau soll auch Büroräume, einen großen Tagungssaal und neue Besprechungsräume enthalten. „Als der Architekt uns 2001 die ersten Entwürfe zeigte, waren wir sofort begeistert. Das Konzept – die Maschinenhalle in der Mitte und darum angelegt die Büros – erinnerte uns an das alte WZL-Gebäude in der Wüllnerstraße“, erzählt Manfred Weck.

Abb. 7 Der WZL-Neubau fasziniert die Besucher

Am 28. Mai 2003 kann der erste Spatenstich ausgehoben werden. Gemeinsam mit den Architekten und Vertretern der Landesregierung greifen die Professoren Manfred Weck, Fritz Klocke, Tilo Pfeifer und Günther Schuh zu einem überdimensionierten Spaten und geben somit den Startschuss für den Baubeginn des rund 9000 m2 (Bruttofläche) großen Gebäudes. Das Richtfest findet am 13. September 2004 statt. In dem schallisolierten Keller unter der neuen Maschinenhalle sind die Getriebeprüfstände aus dem Bunker in der Rütscherstraße untergebracht. Das gesamte Gebäude besitzt eine Nutzfläche von 6000 m2. Neben der Maschinenhalle und den Büro- und Laborräumen sind nun sieben Besprechungsräume und ein Hörsaal für etwa 200 Personen vorhanden. Die Büros der Professoren, der drei Emeriti und der Oberingenieure sind in zwei

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Obergeschossen untergebracht. Alle fühlen sich sehr wohl in ihrer neuen Umgebung und genießen das Leben und Arbeiten im Neubau. 4.2 Innovation und Tradition Innovation braucht Tradition. Historischer Überblick, Erfahrung, Kenntnis über zahlreiche Fehlentwicklungen sowie die intensive Zusammenarbeit mit führenden Industriefirmen führen traditionell im WZL und Fraunhofer IPT zu überdurchschnittlicher Relevanz der behandelten Forschungsthemen und damit auch zu signifikanten Innovationsbeiträgen aus beiden Instituten. Traditionen werden am WZL und Fraunhofer IPT gepflegt. Das Miteinader, das Gemeinschaftsgefühl und die freundschaftliche Kollegialität werden groß geschrieben. Von Wallichs und Opitz initiiert, von dem Vierer-Direktorium Eversheim, König, Pfeifer und Weck vorgelebt, werden diese Traditionen auch bei den jungen Professoren bestehen bleiben. Der sogenannte Laborgeist schweißt alle Mitarbeiter der Institute zusammen, sie sind längst eine Einheit geworden. Bei Hallenfesten oder Weihnachtsfeiern wird diese Einheit besonders deutlich. Jedes Jahr kurz vor Weihnachten laden die Professoren alle Mitarbeiter – es sind nun fast 800, bedenkt man die Anfänge von Wallichs, der knapp 20 Mitarbeiter hatte – zur großen Weihnachtsfeier in das Saaltheater Geulen nach Aachen-Eilendorf ein. Dort wird gemeinsam eine Rückschau auf das vergangene Jahr gehalten. Zunächst werden alle neuen Mitarbeiter auf die Bühne geholt, um gemeinsam Weihnachtslieder zu singen. In alter Tradition kommt der Nikolaus und holt zur „ Jahresabrechnung“ jeden Professor auf die Bühne. Unterstützt von seinen Müffen und Engeln wird in fairer Weise Rückschau

Abb. 8 Bauimpressionen: Ausheben der Baugrube im Oktober 2003, Blick in den Rohbau im Juli 2004 und Manfred Weck beim Richtfest am 13. September 2004

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Abb. 9 Die „neuen“ Mitarbeiter müssen jedes Jahr gemeinsam singen – auch Robert Schmitt bleibt dies nicht erspart

Abb. 10 In den Sketchen werden die Professoren gerne auf die Schippe genommen

Abb. 11 Die Sirenen singen „Die Welt schaut nach Melaten“ (v.l.n.r.): Sascha Driessen, Bastian Engelmann, Jan Vinke und Robert Münnich begeistern das Publikum Weihnachten 2004

CORNELIA KOMPE gehalten. Die Mitarbeiter haben viel zu lachen und die Professoren lassen sich ihre „Fehltritte“, die mit viel Witz und ohne Boshaftigkeit vorgetragen werden, gefallen. Wahrscheinlich wundern sie sich insgeheim über das gute Gedächtnis ihre Mitarbeiter. Es werden Sketche aufgeführt und selbstgedichtete Lieder vorgetragen. „Die Welt schaut nach Melaten“, vorgetragen von vier „Sirenen“ und gedichtet auf das Lied „We didn’t start the fire“ von Billy Joel, begeistert Weihnachten 2004 das Publikum. Hierin beschreiben die Mitarbeiter einen täglichen Arbeitstag am Institut, wie zum Beispiel „Schleifen, bohren, fräsen, dreh’n – nachts an der Maschine steh’n“. In selbstironischer Weise werden alle „Klischees“ besungen und jeder Assistent kann sich darin wiederfinden: Vom „Abends-im-Büro-Rumhänger“ bis zum Professor, der durch die Hallen fegt und die Maschinen checkt. Es ist eine aus langer Tradition erwachsene Gemeinschaft, die es sich erlauben kann, auf humorvolle und selbstironische Weise ihr Schaffen und Wirken zu betrachten. Diesen Gemeinschaftssinn, oder auch Laborgeist genannt, pflegen die Professoren und die Mitarbeiter – wie nicht nur das große Engagement auf den Weihnachtsfeiern beweist. Es ist eine Unternehmenskultur der besonderen Art, die am WZL und Fraunhofer IPT nach wie vor gelebt wird.

Die vierte Generation im WZL: Das neue Team (ab 2004)

Abb. 12 Das WZL und Fraunhofer IPT im Jahr 2006

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Zu Fritz Klocke vgl. auch Kapitel: Die dritte Generation im WZL, S. 133 ff. Vgl. zum Folgendem auch die Imagebroschüre „Systemlösungen für die Produktion – WZL der RWTH Aachen und Fraunhofer IPT im Profil“. Aachen 2005. 3 Vgl. Kapitel 2 zum Thema Zerspanforschung (ab 1906) und Kapitel 10 zum Thema Schleiftechnik (ab 1930). 4 Vgl. Kapitel 9 zum Thema EDM / ECM (ab 1950). 5 Vgl. Kapitel 20 zum Thema Lasertechnologie / Generative Fertigungsverfahren (ab 1985) und Kapitel 29 zum Thema Autonome Produktionszelle (ab 1994). 6 Vgl. Kapitel 12 zum Thema Messtechnische Untersuchungen von Prozess und Maschine, Beurteilung und Abnahme von Werkzeugmaschinen (ab 1960), Kapitel 14 zum Thema Konstruktion und Berechnung von Werkzeugmaschinen (ab 1966) und Kapitel 17 zum Thema Handhabungstechnik und Robotik (ab 1980). 7 Vgl. Kapitel 18 zum Thema Maschinenentwicklung (ab 1982) und Kapitel 19 zum Thema Ultrapräzisionsmaschinen (ab 1988). 8 Vgl. Kapitel 21 zum Thema Faserverbundwerkstoffe (ab 1990). 9 Vgl. Kapitel 24 zum Thema Qualitätsmanagement (ab 1985). 10 Vgl. Kapitel 23 zum Thema Messtechnik und Messsysteme für die Produktion (ab 1972). 11 Vgl. Kapitel 30 zum Thema Planung und Entwicklung neuer Produkte, Innovationsmanagement (ab 1968) und Kapitel 32 zum Thema Technologiemanagement (ab 1986). 12 Vgl. Kapitel 6 zum Thema Zahnrad- und Getriebeuntersuchung (ab 1950). 13 Vgl. dazu Interview mit Fritz Klocke „Technologieführerschaft zählt“. In: JournalMittelstand vom 7. Juni 2004. 14 Vgl. Zeitungsartikel der Aachener Nachrichten vom 23. April 2004. 15 AWK Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium (Hrsg.): Wettbewerbsfaktor Produktionstechnik – Aachener Perspektiven. Aachen 2005, S.1. 1 2

wzl 100 Jahre

Teil 2 Forschungsschwerpunkte am WZL

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Betriebswissenschaft, Fabrikbetrieb, wissenschaftliche Betriebsführung (ab 1906) WALTER EVERSHEIM

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Gliederung 1.1 Entwicklung einer wissenschaftlichen Disziplin 1.2 Die Aufnahme von Taylor in Deutschland 1.3 Taylors Ideen am WZL

WALTER EVERSHEIM

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1. Betriebswissenschaft (ab 1906)

1.1 Entwicklung einer wissenschaftlichen Disziplin Auf dem Gebiet der Betriebslehre greift Adolf Wallichs gleich nach seiner Berufung die Ideen und Thesen von Frederic Winslow Taylor auf, die in seinen Schriften „Shop Management“ (1903) und „The Principles of Scientific Management“ (1911) beschrieben sind. 1909 bringt Wallichs erstmals die autorisierte deutsche Übersetzung von Taylors „Shop Management“ unter dem Titel „Die Betriebsleitung insbesondere der Werkstätten“ beim Springer-Verlag heraus.

Abb. 1.1 Die deutsche Übersetzung von Taylors Werk „Shop management“ (1909)

Neben Wallichs sind es vor allem seine Kollegen Georg Schlesinger (Berlin), Friedrich Schwerd (Hannover), Ewald Sachsenberg (Dresden), Karl Gottwein (Breslau) und Alfred Widmaier (Stuttgart), die den Fabrikbetrieb als wissenschaftliche Disziplin entwickeln und über ergänzende Lehrstühle oder Arbeitsgebiete an den bestehenden Instituten für „mechanische Technologien“ in der Universitätsausbildung etablieren und vertreten. 1 1.2 Die Aufnahme von Taylor in Deutschland Während die „Lehren“ von F. W. Taylor in der deutschen Großindustrie zu Beginn des 20. Jahrhunderts aufgegriffen und insbesondere wegen der deutlich wirtschaftlicheren Produktion (geringere Stückkosten) umgesetzt werden, gibt es bei den Gewerkschaften und auch bei vielen Klein- und mittelständischen Unternehmen (KMU) sowie bei Wissenschaftlern erhebliche Vorbehalte. Die Vorbehalte sind auch heute in der Rückschau und bei genauer Analyse durchaus zu erklären und nachzuvollziehen. F. W. Taylor entwickelte seine Thesen und 1

WGP 1987, a.a.O., S. 11.

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WALTER EVERSHEIM

Methoden zur sogenannten „Wissenschaftlichen Betriebsführung“ für die amerikanische Industrie und vor allem für die Arbeitskräfte, die Ende des 19. Jahrhunderts in Amerika Arbeit suchten. Amerika hatte aber damals im Gegensatz zu Deutschland keine Ausbildungssysteme für Facharbeiter. Daran hat sich bis heute nichts geändert. Taylor, später auch Frank Bunker Gilbreth und seine Frau Lilian sowie Henry Lawrence Gantt versuchen, für tausende ungelernte Arbeitsuchende Produktionsprozesse zu gestalten und zu organisieren.2 Dabei verfolgen sie das Grundprinzip der Rationalisierung, nämlich Arbeitsinhalte oder Lösungen möglichst häufig repetitiv auszuführen. Dieser Kernansatz basiert auf den Voraussetzungen oder Rahmenbedingungen standardisierter Produkte und großer Arbeitsteiligkeit. Diese amerikanischen Wissenschaftler treiben am Anfang des 20. Jahrhunderts die Standardisierung der Produkte voran und zerlegen lange und komplizierte Arbeitsprozesse in kleinste Einheiten. Dies schafft die Voraussetzung, eine ungelernte Arbeitskraft schnell anzulernen, die danach mit hoher Effizienz diese limitierte Arbeit verrichten kann. In Amerika gründet 1903 Henry Ford I. die Ford-Motor Company in Detroit. In dieser Fabrik setzt er Taylors Methoden des Scientific Management konsequent um. Für das erste T-Modell, auch „Tin Lizzi“ genannt, wird die Produktion nach dem Fließbandprinzip organisiert. Das erste Exemplar dieses vollständig standardisierten Einheitsmodells verlässt 1908 das Werk.

Abb. 1.2 Das erste T-Modell, auch „Tin Lizzi“ genannt

Die einfache Konstruktion, die hohe Arbeitsteiligkeit und die dadurch mögliche Beschäftigung von billigen, ungelernten Arbeitskräften machen es möglich, diesen ersten Roadster für Kosten in Höhe von 850 Dollar herzustellen. Bis zum Jahr 1927 verlassen 15 Millionen Autos die Montagehallen von Ford in Detroit.3

2

Spur 1979, a.a.O., S. 180 ff.

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1. Betriebswissenschaft (ab 1906) Jahr 1908 1909 1916

Preis (in $) 850 950 360

Produktion des T-Modell 6.000 12.300 577.000

Abb. 1.3 Vergleich von Herstellungskosten und Produktionszahlen von Fords T-Modell (nach König)

Die Rationalisierungseffekte einer nach F. W. Taylor organisierten Automobilproduktion führen zu einer niedrigen Preisstellung und somit zu steigenden Verkaufszahlen. 1.3 Taylors Ideen am WZL Im Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) greift Adolf Wallichs diese erfolgreichen Fertigungs- und Fabrikkonzepte aus Amerika auf und überträgt sie auf die Fertigung und Montage von Serien- und Massenprodukten deutscher Firmen. Vom WZL werden mittels Felduntersuchungen die Produktionsabläufe studiert und analysiert, um zu prüfen, inwieweit durch Anwendung von Taylors „Principles of Scientific Management“ Produktivitätssteigerungen und Kostenreduzierungen zu erreichen sind. Dies ist schon früh in einigen Dissertationen dokumentiert, so zum Beispiel von Erich Moldenhauer [Mold1911], von Heinrich Hempelmann [Hemp1913], Carl Bender [Bend1913] oder Artur Winkel [Wink1916].

Abb. 1.3 Die Produktion des Ford T-Modell in Detroit, USA (1913)

3

Wolfgang König (Hrsg): Netzwerke, Stahl und Strom 1840-1914 (= Propyläen Technikgeschichte, Band 4). Berlin 1997, S. 469 ff. 4 Wallichs 1954, a.a.O., S. 13.

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WALTER EVERSHEIM

Nach dem Ersten Weltkrieg (1914-1918) gewinnen die Arbeits- und Bewegungsstudien von Frank Bunker Gilbreth auch in der deutschen Wirtschaft an Bedeutung.4 Die arbeitenden Menschen rücken in den Mittelpunkt der Produktionskonzepte und -systeme. Darüber hinaus greift man die Frage einer angemessenen und „gerechten“ Leistungsentlohnung nach Gantt auf.5 Diese wichtige neue Forschungsrichtung zu Beginn der 1920er Jahre wird zunächst mit Psychotechnik und später mit Arbeitswissenschaft bezeichnet.6 Rückblickend schreibt Gotthold Pahlitzsch 1954: „Die beste Organisation, die besten Maschinen und die beste Arbeitsplatzgestaltung führen nicht zu dem gewünschten Erfolg, wenn nicht gleichzeitig sichergestellt ist, dass der Mensch auch seine innere Befriedigung bei der Arbeit findet.“ 7 Genau dieses Leitmotiv zieht sich wie in roter Faden durch die Projekte und Arbeiten am WZL in den 1920er und 1930er Jahren. Immer wieder ist festzustellen, dass ein „Scientific Management“ nach F. W. Taylor bei Massen- und Reihenfertigung sinnvoll ist und auch die geplanten Produktivitätssteigerungen bzw. Kostenreduzierungen zu erzielen sind, wie die Untersuchungen und Arbeiten von Wolfgang Schmidt [Schm1926], Franz Mücher [Müch1927], von Carl Bücken [Bück1927] oder von Hans Rüter [Rüte1930] bestätigen. Dagegen zeigen Untersuchungen in Betrieben mit Einzel- und Kleinserienfertigung, wo die Begrenzungen von Taylors „Principles“ liegen [Schn1928, Baum1929, Ahlb1929, Stru1929]. Bei Einzel- und Kleinserienproduktion stehen qualifizierte und motivierte Mitarbeiter im Vordergrund, die fall oder ereignisorientiert selbst die Initative ergreifen können und dies auch tun [Stru1929, Popp1931]. Zusammenfassend ist festzustellen, dass in Deutschland das „Scientific Management“ nach F. W. Taylor bei standardisierten Produkten und Prozessen ähnliche wirtschaftliche Effekte erzielt wie in den USA. Andererseits gewinnen die Aspekte der psychologischen Betriebsführung (Psychotechnik) sowie der Arbeitswissenschaft bereits Anfang des 19. Jahrhunderts in Deutschland große Bedeutung [Math1930, Ecke1931, Mitt1932].

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Spur 1979, a.a.O., S. 180 f. Vgl. dazu Joseph Mathieu: Möglichkeiten einer betrieblichen Eignungsuntersuchung. Habilitationsschrift, Aachen 1939/1940. Pahlitzsch 1954, a.a.O., S. 18.

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Zerspanforschung (ab 1906) KLAUS ESSEL, REINHARD FLECK, FRITZ KLOCKE, RAINER FRITSCH, DIETER LUNG, HENNING SIEBEL

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KLAUS ESSEL, REINHARD FLECK, FRITZ KLOCKE, RAINER FRITSCH, DIETER LUNG, HENNING SIEBEL

Gliederung 2.1 Werkstoffeigenschaften und Zerspanbarkeit 2.1.1 Werkstoffkenngrößen und Zerspanbarkeit 2.1.2 Automatenlegierungen 2.1.3 Zerspankraft 2.1.4 Spanbruch und Gratvermeidung 2.1.5 Feinbearbeitung 2.2 Schneidhaltigkeit 2.2.1 Zerspanungswerkzeuge 2.2.2 Werkzeugbelastung 2.2.3 Schneidstoffe 2.3 Schwer zerspanbare Werkstoffe 2.4 Leichtmetalle 2.5 Hartzerspanung 2.6 Präzisions- und Ultrapräzisionszerspanung 2.6.1 Ultrapräzisionsbearbeitung von Nichteisenmetallen 2.6.2 Ultraschallunterstütztes Präzisionsdrehen 2.7 Schaftfräsen im Werkzeug- und Formenbau 2.8 Zerspanen nicht metallischer Werkstoffe 2.8.1 Faserverstärkte Kunststoffe 2.8.2 Graphit 2.9 Trockenbearbeitung 2.10 Prozessüberwachung

2. Zerspanforschung (ab 1906)

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2.1 Werkstoffeigenschaften und Zerspanbarkeit Mit Beginn der industriellen Fertigung gewinnen die spanenden Bearbeitungsprozesse für metallische Werkstoffe eine immer größere Bedeutung. Erfolgte bis dahin die Formgebung von Rohteilen durch Gießen oder Schmieden, werden jetzt auch Rohteile zunehmend durch spanende Formgebung hergestellt. Adolf Wallichs greift schon kurz nach der Gründung des Instituts die Gedanken von Frederic Winslow Taylor aus den USA auf und überträgt sie auf die deutschen Verhältnisse.1 Beide Pioniere der Produktionstechnik erkennen im Zusammenhang mit ihren Arbeitsstudien die Notwendigkeit, die Zerspanprozesse intensiv wissenschaftlich zu untersuchen. Die Bedeutung, die der Zerspantechnik in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit zukommt, formuliert Georg Schlesinger 1911 in einem Vortrag in Düsseldorf in der Aussage: „Auf der Schneide des Stahls sitzen die Dividenden...“.2 Nach der Einrichtung einer kleinen Versuchswerkstatt im Keller des heutigen Hauptgebäudes der Hochschule Aachen im Jahre 1908, beginnen systematische Untersuchungen mit dem Ziel, Richtwerte für das Verhalten der Werkzeuge bei unterschiedlichen Schnittbedingungen und den verschiedenen zu bearbeitenden Materialien zu ermitteln. Zunächst erfolgen rein empirische Untersuchungen, in denen in verschiedenen Bearbeitungsverfahren und mit unterschiedlichen Werkzeugen die Werkstoffe bearbeitet und die Ergebnisse systematisch ausgewertet werden. In sogenannten v60 Tabellen – das ist die Schnittgeschwindigkeit, bei der die zu erwartende Standzeit des Werkzeuges 60 min beträgt – werden diese Ergebnisse als Richtwerttabellen herausgegeben (teilweise werden auch v240- und v480-Richtwerte verwendet). Diese Richtwerte finden Eingang in die Arbeitsstudien nach REFA zur planmäßigen Kalkulation von Arbeitszeitwerten. Heute existieren umfangreiche Datenbanken, auf die die betrieblichen Planer zurückgreifen können. Je stärker die Entwicklung voranschreitet, umso vielfältiger werden die Materialien und die Werkzeugstoffe. Hier ist vor allem die mit dem wachsenden Automobilbau aufkommende Serienfertigung maßgebend. Die überwiegenden Arbeiten erfolgen auf dem Gebiet des Drehens, wobei sich die gewonnenen Erkenntnisse auf die anderen Zerspanprozesse mit geometrisch bestimmten Schneiden analog übertragen lassen. Aber schon frühzeitig erfolgen auch Untersuchungen anderer Zerspanverfahren wie Bohren, Fräsen, Sägen und Räumen. Den Untersuchungen der Prozesse mit geometrisch bestimmten Schneiden folgen dann in gleicher Weise auch Untersuchungen der Prozesse mit geometrisch unbestimmten Schneiden (Schleifverfahren). So werden Zusammenhänge zwischen dem Verschleiß und den technologischen Eigenschaften wie Streckgrenze, Härte, chemischer Zusammensetzung und Gefügeausbildung der verschiedensten Werkstoffe untersucht [Krek1928, Opit1930, Beut1931, Lang1932, Mend1932, Seul1933, Fran1933, Depi1933, Herw1934, Hung1936, Jans1937,

1 2

Wallichs 1908, a.a.O. Georg Schlesinger: Die Stellung der Werkzeugmaschine auf dem Weltmarkte. Z.VDI Heft 55 Nr. 49, 1911, S. 2038-2045.

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Zimm1938, Prin1939, Zipp1939, Moll1939, Homb1939, Vits1939, Hems1941, Lowi1941, Orth1943, Kob1951, Münn1952]. 2.1.1 Werkstoffkenngrößen und Zerspanbarkeit Mit der Entwicklung der Werkstoffe werden aber immer wieder trotz scheinbar gleicher technologischer Werte größere Abweichungen zwischen den Werkstofflieferungen beobachtet, und so erfährt auch die Grundlagenforschung zur Ermittlung der Verschleißursachen der Werkzeuge größere Beachtung. Die Untersuchungen zielen darauf ab, die Wechselwirkung zwischen Werkzeug und Werkstück in den Kontaktzonen zu beschreiben und zu verstehen. Helmut Hucks wendet in einer grundlegenden Arbeit die plastizitätsmechanische Theorie von Mohr auf den Zerspanvorgang an [Huck1951]. Die Spanbildung hängt nur von wenigen Stoffkennwerten ab. Diese Werte gehen in Form der Normal- und Tangentialspannungen auf der Spanfläche in den Reibwert ein und bestimmen so die Gleitrichtung, den Scherwinkel, die Spanstauchung und die Oberflächengüte. Mit Hilfe dieser Erkenntnisse entwickelt Hucks Formeln für die Zerspankraftkomponenten im Orthogonalschnitt, deren Gültigkeit er experimentell nachweist. Günter Weber [Webe1954] untersucht die Beziehungen zwischen Spanentstehung, Verschleißformen und Zerspanbarkeit beim Drehen von Stahl. Er ermittelt einen Zusammenhang zwischen der Spanstauchung und dem Kolkverschleiß auf der Spanfläche. Je größer die Spanstauchung, umso kleiner ist die Ablaufgeschwindigkeit des Spans und umso kleiner ist das Kolkverhältnis K (Kolktiefe/Kolkmittenabstand). Beim Schruppdrehen wird die Standzeit im Wesentlichen durch den Kolkverschleiß begrenzt, während beim Schlichten der Freiflächenverschleiß standzeitbestimmend ist. Er untersucht verschiedene Wärmebehandlungszustände und ihre Auswirkung auf Kolk- und Freiflächenverschleiß. Geringe Dehnung und Kerbschlagzähigkeit wirken sich beim Schlichtdrehen positiv auf den Freiflächenverschleiß aus, während beim Schruppdrehen große Dehnung und Kerbschlagzähigkeit günstigere Bedingungen für den Kolkverschleiß ergeben.

Abb. 2.1 Freiflächen- und Kolkverschleiß an einer Schneidplatte aus Hartmetall

2. Zerspanforschung (ab 1906)

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Gegenstand der Dissertation von Karl Heinrich Fröhlich ist das Thema „Zerspanung und Gefüge“ [Fröh1955]. Dieser Titel wird Programm für weltweit beachtete Grundlagenforschungen zur Aufklärung der Verschleißursachen beim Zerspanen. Parallel führen diese Untersuchungen zu weitreichenden Investitionen in Gesenkschmieden und Walzwerken, um durch gezielte und gesteuerte Abkühlung aus der Schmiedeoder Walzhitze eine höhere Gleichmäßigkeit sicherzustellen, was eine unbedingte Notwendigkeit darstellt, je mehr Transferstraßen zum Einsatz kommen. Henning Siebel [Sieb1958] untersucht in gleicher Weise die Unterschiede verschiedener Stahlqualitäten mit unterschiedlichen Wärmebehandlungen beim Stirnfräsen mit Hartmetallwerkzeugen in Analogie zum Drehversuch. Necmettin Ongar [Onga1955] untersucht den Kolkverschleiß als Bewertungsgröße für Standzeit und Wirtschaftlichkeit beim Stirnfräsen von Stahl. Schon früh versucht man am WZL, aufwendige Langzeituntersuchungen durch Kurzprüfverfahren zu ersetzen [Schü1933, Voy1935, Tils1951, Hake1957, Klau1965]. Reinhard Fleck [Flec1961] vergleicht die Ergebnisse der verschiedenen Kurzprüfverfahren mit Langzeituntersuchungen und grenzt die Aussagefähigkeit der einzelnen Verfahren gegeneinander ab. Anhand einer dimensionsanalytischen Betrachtung sind für den Kolkverschleiß das Reibungsverhalten auf der Spanfläche und die Verformungseigenschaften der Werkstoffe maßgebend. Diese Werte können durch Spanstauchung und Schnittkraft ermittelt werden. Für seine Dissertation „Beitrag zur Ermittlung der Ursachen für ein unterschiedliches Kolkstandzeitverhalten bei der Zerspanung von Werkstoffen gleicher Normbezeichnung mit Hartmetalldrehwerkzeugen“ untersucht Wilfried König [Köni1962] eingehend die Einflüsse von Gefügeausbildung und Erschmelzungsart von 20 Varianten des unlegierten Kohlenstoffstahls C45 beziehungsweise Ck45 auf die Verschleißformen und die Verschleißursachen. Dabei fallen König einige Chargen auf, die weitaus weniger Werkzeugverschleiß verursachen als die Mehrzahl der untersuchten Chargen. Die Ursache dafür findet er bei der Untersuchung der Kontaktzonen der Hartmetallschneiden. Sind dort Beläge vorhanden, dann ist der Verschleiß stark reduziert. Die Belagbildung lässt sich auf die Legierungen, die man zur Desoxidation der Stähle verwendet, zurückführen. Beläge beim Zerspanen entstehen auf der Spanfläche und auf der Freifläche von Hartmetallwerkzeugen, wenn die Desoxidation mit einer CalciumSilizium-Legierung oder mit einer Ferro-Silizium-Legierung erfolgt. Sie bestehen aus einem Gemisch von Calcium-Aluminium- und Eisenoxyden. Zu Beginn des Jahres 1959 lädt Opitz zur Internationalen Zerspanungstagung (22.23. Januar 1959) ein, wo man erste Untersuchungsergebnisse erörtert. Namhafte Vertreter aus Wissenschaft und Forschung der deutschen und europäischen Hochschulen, der UdSSR und den USA und Vertreter des VDI, VDEh und des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung beteiligen sich an dieser Veranstaltung.3 Wilfried König arbeitet nach seiner Promotion an dieser Thematik weiter und fasst

3

Internationale Zerspanungstagung 1959 in Aachen, 13. Forschungsbericht des Laboratoriums für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre der RWTH Aachen. Essen 1960.

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die Ergebnisse 1965 in seiner Habilitationsschrift „Über den Einfluss nichtmetallischer Einschlüsse auf die Zerspanbarkeit von unlegierten Baustählen“ zusammen.4 Diese Thematik vertieft Nikolaus Diederich [Died1968]. Seine Untersuchungen an Stahlvarianten C45, die Diederich mit Ferro-Silizium, Calcium-Silizium und Mischlegierungen desoxidiert, befassen sich mit der Bildung sulfidischer und oxidischer Schutzschichten auf Hartmetall-Drehwerkzeugen. Er stellt fest, dass die Schutzschichten die Gleiteigenschaften in der Kontaktzone verbessern, zu einer Verkürzung der Kontaktlängen auf Span- und Freifläche führen, die Schnittkraft und die Passivkraft reduzieren und die Kontaktzonentemperatur senken. Bei der Nasszerspanung Al-desoxidierter Stähle mit TiC-haltigen Hartmetallen entstehen Schutzschichten durch die Reaktion von metallisch gelösten Elementen mit Bestandteilen des Kühlschmierstoffs. Als externer Mitarbeiter promoviert Hans Vöge [Vöge1976] mit einer Arbeit über „Einfluss der oxidischen Einschlüsse in Edelbaustählen auf deren Zerspanbarkeit mit Schnellarbeitsstahlwerkzeugen“. Beim Zerspanen des Vergütungsstahls 34Cr4 in unterschiedlichen Wärmebehandlungszuständen stellt Vöge fest, dass Oxideinschlüsse bei weichgeglühten Varianten größere Standzeitunterschiede verursachen als bei Varianten mit höherer Festigkeit. Je reiner die Stahlvarianten sind, umso geringer ist der Werkzeugverschleiß. Unverzichtbare und für das WZL unerschwingliche Geräte zur Untersuchung von Belägen und anderen Phänomenen in der Bearbeitungstechnik sind seinerzeit die Elektronen-Mikrosonde und das Transmissions-Elektronenmikroskop. Es ist der Weitsicht und dem entschlossenen Handeln von Opitz zu verdanken, der sofort die Bedeutung dieser Geräte für die anstehenden und zukünftigen Aufgabenstellungen in der Bearbeitungstechnik erkennt, dass man dem WZL diese wertvolle und wichtige Ausstattung rechtzeitig zur Verfügung stellt. Ihm dauern die damals geführten Diskussionen um die Einrichtung und Ausstattung einer Zentralstelle mit derartigen Geräten zu lange. Er stellt erfolgreich Forschungsanträge und erhält die Elektronen-Mikrosonde 1957 und das Transmissions-Elektronenmikroskop 1962 für Forschungszwecke als Leihgaben der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Damit gelingt eine entscheidende Verbesserung der Ausstattung des Instituts und macht es auf einem wichtigen Forschungsfeld zukunftsfähig. Beide Geräte werden 1982 dem Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren übereignet, wo sie bis ins Jahr 1988 in vielen Forschungsvorhaben und bilateralen F&E-Projekten genutzt werden. 2.1.2 Automatenlegierungen Automatenstähle sind legierungstechnisch durch Bleizusätze auf gute Zerspanbarkeit ausgelegt. Bernhard Bersch [Bers1971] stellt fest, dass zunehmender Bleigehalt bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten die Aufbauschneidenbildung unterbindet, so die Verminderung des Freiflächenverschleißes bewirkt und zu längeren Werkzeug-

4

Wilfried König: Über den Einfluss nichtmetallischer Einschlüsse auf die Zerspanbarkeit von unlegierten Baustählen. Habilitationsschrift, Aachen 1965.

2. Zerspanforschung (ab 1906)

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standzeiten führt. Allerdings ist dieser Effekt geschwindigkeitsabhängig und geht bei höheren Schnittgeschwindigkeiten verloren. Bei sehr hohen Schnittgeschwindigkeiten kann sogar eine Verschleißerhöhung durch Bleizusatz eintreten. Heute ist Blei als Legierungselement im Stahl und in Kupferlegierungen aus Umweltschutzgründen in die Kritik geraten. An der Entwicklung bleifreier Automatenstähle, Messing- und Bronzelegierungen wird seitens der Werkstoffhersteller gearbeitet. Parallel dazu erfolgt die Erforschung von angepassten Bearbeitungstechnologien. 2.1.3 Zerspankraft Die Zerspankraft als Beurteilungsgröße der Zerspanbarkeit ist von vielen Einflussgrößen abhängig. Dazu gehören der Werkstoff, der Schneidstoff, die Schneidenform, die Schnittparameter und das Zerspanverfahren. Die Zusammenhänge der Schnittkräfte beliebig geformter Werkzeuge zum Einstechdrehen untersucht Wolfgang Opitz [Opit1958]. Er nutzt die experimentell ermittelten Kraftwerte zur Berechnung der Schnittkraft für beliebig geformte Drehwerkzeuge und erhält als Ergebnis die vollständige Übereinstimmung zwischen den berechneten und den gemessenen Werten. Bei der Untersuchung der Vorschub- und Rückkräfte beim Drehen von Eisenwerkstoffen weist Karl-Friedrich Meyer [Meye1963] nach, dass die Maxima von Vorschub- und Rückkraft bei den Schnittbedingungen auftreten, bei denen die Aufbauschneide maximal ist. In seinen Untersuchungen zeigt sich, dass zwischen den Festigkeits- und Verformbarkeitseigenschaften der Werkstoffe und den Vorschub- und Rückkräften eine Abhängigkeit besteht. Das Ergebnis von Untersuchungen des Zerspanungsverhaltens thermoplastischer Kunststoffe wie PVC, Polyamid (PA-B), Polyacetalharz (POM) und Polyäthylen (PE) fasst Bernhard Frerichmann [Frer1966] dahingehend zusammen, dass sich aus den Schnittkräften und der Oberflächengüte die günstigsten Werkzeugabmessungen und Arbeitsbedingungen ableiten lassen. Die Kraftmessung während des Prozesses ist durch die von Bernd Blankenstein [Blan1968] abgeschlossenen Arbeiten zur Entwicklung und Erprobung eines auf dem piezoelektrischen Prinzip basierenden Schnittkraftmessers wesentlich beeinflusst. Heute sind Kraftmessplattformen und Messzellen, die dieses Prinzip nutzen, Standardgeräte. Die neuen Möglichkeiten zur Zerspankraftmessung werden 1970 von König und Essel genutzt, um einen gesicherten Datenbestand an Schnittkraftwerten für das Drehen aufzubauen. Dieser umfasst in der ersten Stufe etwa 50 häufig verwendete Stähle, z. T. in unterschiedlichen Wärmebehandlungszuständen. Später setzt Lothar Witte [Witt1980] diese Arbeiten fort und erweitert sie um das Bohren. Die Datenbestände nutzt auch EXAPT für seine Zwecke. 2.1.4 Spanbruch und Gratvermeidung Spanform und Spanbruch als Zerspanbarkeitskriterien sind unter Aspekten wie Sicherheit für Mensch und Maschine, störungsfreie Produktion sowie Vermeiden von Beschädigungen am Werkstück und am Werkzeug aktuelle Kriterien für die Werkzeug- und Prozessauslegung. Eine neue Methode zum Erzeugen von Spanbruch beim Drehen untersucht Hans Dohmen [Dohm1964]. Die Methode besteht darin, dass nicht, wie bis

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dahin üblich, die Schnittbedingungen und die Werkzeuggeometrie variiert werden, um kurzbrüchige Späne zu erzeugen, sondern das Werkzeug periodisch bewegt wird. Dohmen entwickelt dazu einen niederfrequent arbeitenden hydraulischen Support für Drehmaschinen und stellt in Drehversuchen fest, dass günstige Bedingungen für den Spanbruch die Oberflächengüte beeinträchtigen. Der Kolkverschleiß nimmt ab, der Freiflächenverschleiß steigt an. Eine hochfrequente Anregung des Drehwerkzeugs mittels Ultraschallschwingungen führt zu erheblichen Oberflächenverbesserungen und zum Vermeiden von Aufbauschneidenbildung. Ähnlich unerwünscht und ebenfalls verbunden mit hoher Zähigkeit von Werkstoffen ist die Gratbildung. Deshalb zieht Rainer Link [Link1992] die Plastizität des zu bearbeitenden Werkstoffs und die Analyse des Gratbildungsmechanismus zur Definition der Einflussgrößen auf die Gratbildung heran und leitet daraus Schnittstrategien und Werkzeuggeometrien zur Gratreduzierung ab. Diese Arbeiten führt Wilhelm Severt [Seve1997] fort und bedient sich dabei der rechnergestützten Datenauswertung und der FEM-Prozesssimulation. 2.1.5 Feinbearbeitung Die Produktion von Präzisionsteilen ist schon allein aufgrund enger Toleranzen mit der Herstellung sehr glatter und gleichmäßiger Oberflächen verknüpft. Die letztendlich erzeugte Oberflächengüte entsteht damals, als die Verfahren zur Rohteil- und Halbzeugherstellung noch nicht mit der heute üblichen Near-Net-Shape-Qualität möglich ist, durch Schruppen, Schlichten und Feinschlichten oder Schleifen. Eine Untersuchung zur Herstellung hochwertiger Drehflächen schließt Hans Moll [Moll1939] im Jahre 1939 ab. Die Wirtschaftlichkeit der Bearbeitungsverfahren Feindrehen, Feinschleifen, Feinhonen und Glattwalzen grenzt Hermann Schuler [Schu1957] gegeneinander ab. Die Verfahrensfolge Feindrehen und Feinschleifen ist besonders kostengünstig, wenn an die Qualität der Werkstücke höchste Anforderungen gestellt werden. Als entscheidende Einflussgröße auf die Oberflächengüte beim Feinbohren ermittelt Tschol-Hi Kang [Kang1964] den Verschleißzustand der Nebenschneide. Der Eckenradius und die Schnitttiefe sind demgegenüber von untergeordneter Bedeutung. Gefaste Schneiden stabilisieren den Prozessablauf. Untersuchungen von Wolf-Dieter Neumann [Neum1966] zum Feinfräsen von Grauguss bei Verwendung von Breitschlichtschneiden in Messerköpfen umfassen das „Schlichtfräsen mit großen Vorschüben“ und das „kombinierte Schlicht-Breitschlichtfräsen“. Sie zeigen, dass Hartmetalle der Gruppen HW-P10 und HW-K10 zum Feinfräsen mit einem Einzahn-Messerkopf geeignet sind und die Wirtschaftlichkeit von Schneidkeramikwerkzeugen nicht gegeben ist. Beim Einzahn-Breitschlichtfräsen von Grauguss wird das Verhältnis von Schneidenlänge zu Vorschub als entscheidendes Kriterium für die Standzeit der Werkzeuge, die Oberflächengüte und Maßabweichungen an der gefrästen Fläche identifiziert. Beim Vielzahn-Breitschlichtfräsen empfiehlt es sich, bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten hohe Vorschubgeschwindigkeiten anzuwenden, während beim kombinierten Schlicht-Breitschlichtfräsen möglichst hohe Schnittgeschwindigkeiten vorteilhaft sind. Als Präzisionsverfahren ist das Räumen zu nennen. Die translatorische Werkzeug-

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bewegung lässt jedoch im Vergleich zum Drehen, Fräsen, Bohren und Reiben nur niedrige Schnittgeschwindigkeiten zu. Bei der Stahlbearbeitung ist damit die Gefahr schlechter Oberflächengüten in Folge von Aufbauschneidenbildung gegeben. Helmut Rohde [Rohd1960] stellt diese Abhängigkeit als Standkriterium beim Räumen von Baustählen fest. Das Räumen mit erhöhter Schnittgeschwindigkeit bis vc= 50 m/min untersucht Manfred Schütte [Schü1965] in mehreren Versuchsreihen an unterschiedlich wärmebehandeltem Stahl C45 mit HSS- und mit Hartmetallwerkzeugen. Beim Räumen des Stahls im normalisierten Zustand des Stahls verbessert sich die Oberflächengüte infolge der erhöhten Schnittgeschwindigkeit. Liegen dagegen heterogene Gefügezustände vor, so ist dieser Effekt nicht zu beobachten. Er lässt sich auch nicht durch den Einsatz von Kühlschmierstoffen erzielen. Die Kühlung steigert lediglich die Werkzeugstandzeit. 2.2 Schneidhaltigkeit Die Schneidhaltigkeit steht in Wechselwirkung mit der Zerspanbarkeit und bildet mit ihr zusammen das Standvermögen. Die Schneidhaltigkeit beschreibt das Verhalten des Schneidstoffes durch die Belastung während der Zerspanung. In verschiedenen Forschungsphasen wird sowohl an wirkungsbeschreibenden als auch an wirkungserklärenden Methoden gearbeitet, die die Unvollkommenheiten der Zerspanungswerkzeuge offen legen sollen, um ihnen anschließend wirkungsvoll begegnen zu können. Beide Methoden stehen in ständiger Wechselwirkung zueinander, da die Anforderungen an die tolerierbaren Unvollkommenheiten stetig wachsen. Das Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre ist seit seiner Gründung an vorderster Front der Forschungen beteiligt. 2.2.1 Zerspanungswerkzeuge Seit jeher sind Forscher bestrebt, Zerspanungswerkzeuge zu optimieren, um deren Standvermögen zu steigern. Am WZL werden wissenschaftliche Forschungen in dieser Hinsicht seit den 1930er Jahren betrieben. Hans Hemscheidt [Hems1941] führt eine Arbeit über Spanleitstufen durch, in der er eine neue Spanformergeometrie entwickelt und Richtwerttabellen erstellt, durch die sich günstige Spanformen erreichen lassen. Außerdem wird auf die Wichtigkeit der Stufenlänge gegenüber der Stufenhöhe hingewiesen. Diese Spanformergeometrie wird jahrzehntelang beim Einsatz gelöteter Hartmetallwerkzeuge in den Betrieben verwendet. Das seit langem bekannte Verfahrensprinzip der Zerspanung mit umlaufender, kreisförmig ausgebildeter Schneidkante wird von Klaus Töllner [Töll1971] grundsätzlich untersucht, um dessen sinnvollen Einsatz gegenüber Standardwerkzeugen abzugrenzen. Vor allem das gesteigerte Zeitspanungsvolumen und reduzierte Grenzflächentemperaturen von Span und Werkzeug zeichnen diese Verfahrensvariante gegenüber konventionellen Verfahren aus. In den 1980er Jahren rücken die Genauigkeitsanforderungen stärker in den Vordergrund. Es werden Arbeiten über werkzeugseitige und kinematische Maßnahmen zur Reduzierung von Profilabweichungen am Verfahren Schaftfräsen durchgeführt. Volker Hann [Hann1983] gibt zum Erreichen dieser Ziele den Einsatz geringer Neigungswin-

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Abb. 2.2 Neue Spanformergeometrie für Drehwerkzeuge [Hems1941]

kel und die Forderung an, dass nur ein Zahn im Eingriff befindlich ist. Kinematische Einflüsse auf makrogeometrische Formabweichungen werden von Horst Wedeniwski [Wede1984] beim sogenannten Stirndrehfräsen untersucht. Seine Arbeit verschafft einen Überblick über die schwierigen Zusammenhänge zwischen Werkzeug, Schnittwerten und Bearbeitungsergebnis. Eine Verfahrenskombination aus Drehen und Fräsen, das sogenannten Drehfräsen, wird von Thomas Wand [Wand1992] im Hinblick auf die Schneidhaltigkeit der Werkzeuge und das Arbeitsergebnis untersucht. Diese Arbeit führt zu einem grundlegenden theoretischen Verfahrensverständnis dieser komplizierten Verfahrenskinematik. 2.2.2 Werkzeugbelastung Seit Beginn der Zerspanungsforschung entwickelt man Ersatzmodelle, um die mechanische Belastung des Werkzeuges beschreiben zu können. Ende der 1950er Jahre initiiert das WZL weltweit neue Forschungsimpulse dadurch, dass erstmals von Ersatzmodellen Abstand genommen und der tatsächlichen mechanischen Belastung auf den Grund gegangen wird. Willy Kattwinkel [Katt1957] wendet die Methode der Spannungsoptik an, durch die die Spannungsverteilungen aufgrund verschiedenartiger Lichtbrechung in mechanisch belasteten Festkörpern sichtbar gemacht werden kann. Metallische und keramische Schneidstoffe lassen sich dafür nicht verwenden, sondern es muss ein spannungsoptisch wirksamer Kunststoff benutzt werden. Mit diesen Arbeiten können erstmals die bislang angestellten Vermutungen über die Spannungsverteilungen im Scheidkeil qualitativ erklärt werden. Dieser spannungsoptische Ansatz wird zu einem späteren Zeitpunkt von Illo-Frank Primus [Prim1969] unter dem Gesichtspunkt einer veränderten Spannungsverteilung im Schneidkeil aufgrund von Freiflächenverschleiß nochmals aufgenommen und präzisiert.

2. Zerspanforschung (ab 1906)

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Abb. 2.3 Isochromaten im Schneidkeil [Katt1957]

Eberhard Schaller [Scha1964] betrachtet die Gleitverhältnisse an der spanflächenseitigen Kontaktzone mit strömungsmechanischem Hintergrund und führt das dynamische Übertragungsprinzip ein. Eine viskose Fließschicht an der Spanunterseite überträgt danach eine Schubspannung, die proportional zur Viskosität und zur Formänderungsgeschwindigkeit ist. Als Ursache des Gleitvorganges bei der Scherspanbildung vermutet man ein Ruckgleiten (Stick-slip-Effekt). Die Kontaktbedingungen beim Ein- und Austritt von Stirnfräsern betrachtet Josef Kob [Kob1951], der die Verfahrenskinematik variiert, so dass ein Spanwinkel vorgeschlagen werden kann, der ein hohes Zeitspanungsvolumen bei gleichzeitiger Erzielung geringer thermischer und mechanischer Belastungen ermöglicht. Horst Beckhaus [Beck1969] entwickelt ein Rechenprogramm mit dem Ziel, die Schneidkantenbelastung beim Stirnfräsen zu minimieren. Später befasst sich Ludwig Dammer [Damm1982] erneut mit dieser Thematik. Dabei untersucht er bei unterschiedlichen Schnittgeschwindigkeiten, Vorschüben und Schnitttiefen die Wechselwirkungen von Fräseranstellung, Arbeitseingriff, Werkzeugdurchmesser und Überdeckungsgrad auf die Standzeit. Die Abhängigkeiten der Stellgrößen werden funktional beschrieben und für die Vorgabe von Schnittwerten beim Messerkopfstirnfräsen nutzbar gemacht. Die Kontaktsituation von Span und Werkzeug bei einem weiteren Fertigungsverfahren, der Innengewindefertigung, untersucht Markus Fieber [Fieb1995] an PVD-beschichteten Werkzeugen aus Schnellarbeitsstahl. Neben Arbeiten zur mechanischen Belastung werden am WZL durch Karl Küsters [Küst1956] Anstrengungen unternommen, auch die wirkliche thermische Belastung des Werkzeuges zu erforschen. Mit Hilfe eines Thermoelementes werden im Werkzeug an verschiedenen Stellen Punkte des Temperaturfeldes bestimmt, durch die anschließend eine Konstruktion der Isothermen möglich wird. Weitere Forschungen durch Holger Lowack [Lowa1967] zielen darauf ab, durch Messung der mittleren Spanflächentemperatur die maximale Spanflächentemperatur zu berechnen.

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Theodor Münnig [Münn1952] führt, ausgehend von theoretisch-kinematischen Betrachtungen, Kraft-, Temperatur- und Verschleißmessungen beim Stirnfräsen mit Messerköpfen durch, die mit unbeschichtetem Hartmetall bestückt sind, und macht abschließend Vorschläge zur Konstruktion von Werkzeugen. 2.2.3 Schneidstoffe Schneidstoffe untersucht man am WZL seit dessen Gründung auf ihr Verschleißverhalten hin. Im Laufe der Zeit haben sich die Schneidstoffe und ihr Verschleißverhalten grundlegend verändert, so dass man immer wieder weiterführende Forschungen zu diesem sehr komplexen Gebiet anstellt. Karl-August Krekeler [Krek1957] untersucht erstmals gegossenen und geschmiedeten Schnellarbeitsstahl und arbeitet deren Unterschiede heraus. Er zeigt, dass unter bestimmten Umständen, vor allem bei geringen Schnittgeschwindigkeiten, der gegossene Schnellarbeitsstahl dem geschmiedeten überlegen ist. Die verschiedenen Verschleißmechanismen sind Gegenstand detaillierter Forschungen. Oxydation wird grundlegend von Heinrich Axer untersucht [Axer1956], wobei auch der Einfluss der Thermospannung auf den Freiflächenverschleiß Gegenstand der Betrachtungen ist. Grundlegende Erkenntnisse über Diffusionsverschleiß erarbeitet Günter Ostermann [Oste1960], der eine α-γ-Umwandlung während des Abgleitens des Spans über die Spanfläche nachweist. Als Verschleißminimum identifiziert Ostermann den Beginn der Phasenumwandlung. Während die erwähnten Arbeiten an unbeschichtetem Hartmetall

Abb. 2.4 Spanbildung und Aufbauschneidenbildung

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erfolgen, werden Untersuchungen zur Adhäsion durch Wolfgang Schilling [Schi1966] an Schnellarbeitsstahl durchgeführt. Die Adhäsion, die zur sogenannten Aufbauschneidenbildung führt, verursacht eine unterschiedlich beschleunigte Freiflächenverschleißentwicklung, da der Werkstoff nicht immer mit dem Schneidstoff in Kontakt tritt. Hans-Bert Bong [Bong1990] untersucht das Abrasionsverhalten von Schnellarbeitsstählen und kommt zu einem Anforderungsprofil, bei dem hinsichtlich der Schneidhaltigkeit möglichst große Karbide anzustreben sind. Gegenläufig erfolgt jedoch eine Reduzierung der Zähigkeit, so dass sich als optimale Karbidgröße ein Bereich von 35 µm angeben lässt. Das vom WZL untersuchte Schneidstoffspektrum hat sich ausgehend von Schnellarbeitsstahl im Laufe der Zeit sukzessive erweitert. Ludwig Lowis [Lowi1942] beginnt mit der Untersuchung herstellungsbedingter Einflüsse auf die Karbidverteilung von Werkzeugen aus Schnellarbeitsstahl. Durch verschiedenartig ausgeführte Blockschmiedungen ist kein Einfluss auf die Standzeit feststellbar. Theo Grüneisen [Grün1943] prüft Umfangs- und Gewindefräser aus Schnellarbeitsstahl, die unterschiedlich hergestellt werden. Die Herstellverfahren sind Urformen, Umformen, Stoffeigenschaftsändern und thermisches Fügen. Die thermisch gefügten Werkzeuge zeigen eine geringe Standzeiterhöhung gegenüber den geschmiedeten Werkzeugen. Das Nitrieren der Gewindewerkzeuge führt zu einer deutlichen Steigerung der Standzeit.

Abb. 2.5 Zeitliche Abfolge der Schneidstoffentwicklung

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Mit der Verfügbarkeit von Hartmetall eröffnen sich völlig neue Dimensionen in der Zerspantechnik. Bei gleichem Spanungsquerschnitt sind zwei- bis dreifach höhere Schnittgeschwindigkeiten möglich als mit Schnellarbeitsstahl. Ferdinand Altenwerth [Alte1958] charakterisiert die Schneidstoffgruppe der unbeschichteten Hartmetalle durch die innere Bindefestigkeit (WC-Co), die Abstützung der harten Gefügebestandteile gegeneinander (Feinkornhartmetall bei ausreichendem Co-Anteil) und als abgeleitete Größe die Kantenfestigkeit. Wilfried Lehwald [Lehw1962] untersucht verschiedene Kurzprüfverfahren zur Kennzeichnung unbeschichteter Hartmetalle für den unterbrochenen Schnitt und zeigt deren Eignung auf. Er führt Thermoschockversuche durch, deren Ergebnisse sehr gut mit den Kammrissen beim Zerspanen im unterbrochenen Schnitt korrelieren. Im glatten Schnitt verursachen die harten Wolframkarbide, so das Forschungsergebnis von Hans-Jürgen Ehmer [Ehme1970], die im Zuge des Verschleißes an der Freifläche freigelegt werden, ausbrechen und über diese Fläche abgleiten, eine Art „Selbstverschleiß“. Zu Beginn der 1980er Jahre führt die Entwicklung unbeschichteter und beschichteter Hartmetalle zu einer kaum noch übersehbaren Vielzahl von Schneidstoffen. Insgesamt wächst dieser Markt zwar, aber die Sortenvielfalt wird von den Schneidstoffherstellern und von den Anwendern als zunehmend weniger überschaubar empfunden. Der VDI-Ausschuss „Hartmetallklassifizierung“ befasst sich unter Mitarbeit des WZL mit dieser Thematik. In umfangreichen Drehversuchen untersucht Joachim Fabry [Fabr1984] die Schneidhaltigkeit unbeschichteter und beschichteter Hartmetalle. Ziel ist es, Sorten gleichen Leistungsverhaltens zu ermitteln. Damit leistet er einen wesentlichen Beitrag zu den Arbeiten dieses Ausschusses. Die Beschichtung von Hartmetallen ist längst Stand der Technik, als 1980 die ersten HSS-Bohrer mit Titannitrid beschichtet werden. Voraussetzung dafür ist die Verfügbarkeit einer Beschichtungstechnik, die unterhalb von 650°C, der Anlasstemperatur von HSS, arbeitet. Heute sind verschiedene physikalische Beschichtungsverfahren (PVD-Verfahren) für HSS und auch für Hartmetall Stand der Technik, die diese Forderung erfüllen. Mit der Verfügbarkeit der ersten PVD-TiN beschichteten HSS-Bohrer beginnt Joachim Droese [Droe1987] mit Untersuchungen des Leistungsverhaltens und der Versagensursachen. Er zeigt, dass durch die Beschichtung die Standzeit mehr als verdoppelt werden kann und gleichzeitig im Vergleich zu unbeschichteten Bohrern aus Schnellarbeitsstahl doppelte Schnittwerte erreicht werden. Die Entwicklung der physikalischen Beschichtungstechnik von HSS schreitet rasch fort. Es werden neue Beschichtungsverfahren, z. B. der Arc-Prozess, das Magnetron-Sputtern, entwickelt und damit neue titanbasierte ternäre Schichtsysteme, wie z. B. Ti(C,N) und TiAlN, auf HSS-Werkzeugen abgeschieden. Damit ist neben dem Vergleich unbeschichtet/beschichtet auch der Vergleich zwischen der Leistungsfähigkeit und den Versagensursachen verschiedener Schichtsysteme möglich und notwendig. Mit dieser Fragestellung befasst sich Dirk Kammermeier [Kamm1992]. Er stellt fest, dass sich die Lage der Kontaktzone auf der Spanfläche, die Spankrümmung und die Spanstauchung sowie der Wärmehaushalt in der Kontaktzone durch die Hartstoffschichten deutlich gegenüber unbeschichteten Werkzeugen verändern. Diese Erkennt-

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nisse werden zur Auslegung und zur Definition der Einsatzbedingungen beschichteter Werkzeuge genutzt. Zu Beginn der 1990er Jahre kommen zusätzlich zu den WC-Co-Hartmetallen neue Cermets auf den Markt. Diese Schneidstoffe sind weitgehend frei von Kobalt als Bindephase. Ihre Hartstoffphasen sind überwiegend titanbasiert. Die Zielrichtung beim Einsatz der Cermets ist vorwiegend das Schlichten von Stahl unter Anwendung hoher Schnittgeschwindigkeiten beim Drehen und Fräsen. Infolge ihres Aufbaus tritt, wie Klaus Gerschwiler [Gers1997] in umfangreichen Untersuchungen zur Charakterisierung der Verschleißmechanismen auf Span- und Freifläche ermittelt, primär Abrasionsverschleiß als Versagensursache auf. Unter bestimmten Bedingungen werden Diffusionsvorgänge sowohl an der Freifläche als auch an der Spanfläche nachgewiesen. 2.3 Schwer zerspanbare Werkstoffe Metallische Werkstoffe mit herausragenden Gebrauchseigenschaften sind durchweg schwer zerspanbar. Zu den klassischen Vertretern dieser Werkstoffgruppe zählen neben vielen austenitischen Stahlwerkstoffen vor allem die Titan-, Nickel- und Cobaltbasis-Legierungen. Bei der spanenden Formgebung verursachen diese Werkstoffe extreme mechanische und thermische Werkzeugbelastungen. Trotzdem muss die Bearbeitung sicher und reproduzierbar ablaufen, um neben den geforderten Maß- und Oberflächeneigenschaften auch gleichbleibende Randzoneneigenschaften zu gewährleisten. Die Summe dieser Anforderungen schränkt das Spektrum der anwendbaren Schneidstoffe und Schnittparameter stark ein. In Grundlagenuntersuchungen zur Zerspanung von Nickellegierungen, Cobaltlegierungen und austenitischen Stählen befasst sich Herbert Mütze [Mütz1967] mit dieser Thematik. Er untersucht Spanbildungs- und Verschleißvorgänge und erarbeitet Schnittwertempfehlungen für HSS- und Hartmetallwerkzeuge. Für die Bearbeitung von Nickelwerkstoffen haben diese bis heute Bestand. Erst mit whiskerverstärkter Oxidkeramik

Abb. 2.6 Turbinenscheibe aus einer Nickelbasislegierung [Quelle: MTU]

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und mit cBN ist es mit der Zeit gelungen, die Schnittgeschwindigkeiten bei der Nickelbearbeitung auf etwa 400 m/min zu steigern. Das entspricht dem 10- bis 15-fachen der Werte für Hartmetall. Unter Laborbedingungen ist gegenwärtig das trockene Stirnfräsen von Nickelwerkstoffen mit Keramik bei 1000 m/min Schnittgeschwindigkeit in der Erprobung. Parallel dazu werden neue Frässtrategien wie das Tauchfräsen und das trochoide Fräsen untersucht. Zur Zerspanbarkeit von Titanwerkstoffen verfasst Willibald Kreis [Krei1973] eine grundlegende Arbeit. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit dieser Werkstoffe bewirkt eine extreme thermische Belastung der Werkzeuge und schränkt dadurch die anwendbare Schnittgeschwindigkeit stark ein. Aus dem hexagonalen Gitteraufbau des Titans resultiert eine ausgeprägte periodische Lamellenspanbildung, die zu hochfrequenten Schnittkraftschwankungen und zur Ermüdung des Schneidstoffs in der Kontaktzone führt. Diese physikalischen Gesetzmäßigkeiten lassen sich nicht ausschalten und erklären die noch heute bestehenden Einschränkungen der Bearbeitungsparameter. Einzig im unterbrochenen Schnitt sind unter besonderen Einsatzbedingungen beim Schafträsen mit Feinstkorn-Hartmetallen unter Schlichtbedingungen Schnittgeschwindigkeiten bis 350 m/min erreichbar. Bei der Herstellung von Integralbauteilen, wie sie unter anderem im Flugzeugbau Verwendung finden, werden bis zu 85 % des Ausgangsvolumens durch Schaftfräsen zerspant. Für die genaue und wirtschaftliche Bearbeitung dieser Teile kommt der Kenntnis von den Ursachen und Auswirkungen der bei der Bearbeitung auftretenden Formund Maßfehler größte Bedeutung zu. Vor diesem Hintergrund untersucht Karl-Heinz Schröder [Schr1974] die an Bauteilen aus Titan beim Schaftfräsen von Funktionsflächen auftretenden Ungenauigkeiten sowie deren Ursachen und leitet werkzeug- und maschinenbezogene Maßnahmen zur Verbesserung der Fertigungsgenauigkeit ab. Er entwickelt ein theoretisch-experimentell hergeleitetes Biegemodell, mit dem sich die gemessenen Kräfte und Werkzeugbiegungen in Abhängigkeit von der Zähnezahl, vom Vorschub sowie von der radialen und axialen Schnitttiefe berechnen lassen. Die Probleme bei der spanabhebenden Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe führen zum einen zur Entwicklung verschleißfesterer Schneidstoffe, zum anderen aber auch zu speziell auf eine spezifische Problematik ausgelegten Fertigungsverfahren. Hierzu zählt die Zerspanung schwer zerspanbarer Werkstoffe mit externer Energiezuführung. Bei der Drehbearbeitung von hochlegiertem Manganhartstahl, martensitischem Chromstahl, naturhartem Guss und einem vergüteten niedriglegierten Chromstahl setzt Walter Weingaertner [Wein1983] einen Plasmalichtbogen als Wärmequelle zur Unterstützung des Zerspanprozesses ein. Mit einem mathematischen Modell berechnet er neben der lokalen Temperaturerhöhung und der Wärmeverteilung in Span und Werkstück die erforderliche Leistung des Plasmalichtbogens. In experimentellen Untersuchungen ermittelt er die Auswirkungen der Erwärmung auf die Zerspankraftkomponenten, den Werkzeugverschleiß und die Bauteilrandzone. Er zeigt auf, dass mit dem Einsatz der plasmaunterstützten Warmzerspanung die Produktionszeiten und die Fertigungskosten bei der Bearbeitung derartiger Werkstoffe aufgrund vergleichsweise geringer Investitionen erheblich reduziert werden können.

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Die Verbindung zwischen Schaufel und Scheibe in Gasturbinen erfolgt üblicherweise formschlüssig über sogenannte Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzprofile. Zur Herstellung dieser Profile in der Turbinenscheibe dient in der Regel das Räumen. Dabei kommen heute noch fast ausschließlich HSS-Werkzeuge bei sehr niedrigen Schnittgeschwindigkeiten zum Einsatz. 1999 stellt Michael Pöhls [Pöhl1999] Untersuchungen über die Eignung verschleißfesterer Schneidstoffe aus Feinkornhartmetallen beim Räumen von Formelementen in die Nickelbasislegierungen Inconel 718 und Udimet 720 vor. Zum Einsatz kommen mit Wendeschneidplatten bestückte Räumwerkzeuge. Die Analysen zum Räumen von Udimet 720 zeigen, dass das günstigste Verschleiß- und Standverhalten bei Schnittgeschwindigkeiten zwischen 5 und 10 m/min erreicht wird, wobei der Einsatz einer Minimalmengenschmierung anstelle einer Vollstrahlkühlung möglich ist. Durch den Einsatz beschichteter Werkzeuge ist eine erhebliche Verbesserung des Verschleiß- und Standverhaltens zu erreichen. 2.4 Leichtmetalle Ähnlich kontinuierlicher Forschungsbedarf für verbesserte Technologien und Werkzeuge wie für Stahl, Guss und schwer zerspanbare NE-Metalle ist für Leichtmetalle nicht zu beobachten. Anstöße zur Weiterentwicklung erfolgen eher in größeren Zeitabständen. Der Zwang zur Kostensenkung über höhere Produktivität und die Verfügbarkeit verbesserter Schneidstoffe sind die Treiber für Forschungsarbeiten zur Leistungssteigerung bei der Leichtmetallbearbeitung. Die erste Arbeit zur Leichtmetallzerspanung am WZL verfasst Fritz Hunger [Hung1936]. Hauptanwendungsgebiet von Leichtmetallen ist damals der Flugzeugbau. Die Zerspanuntersuchungen erstrecken sich auf 14 Aluminium-Knetlegierungen, 19 Aluminium-Gusslegierungen und Magnesium-Knetlegierungen. Für die Zerspanversuche steht eine Drehbank mit maximaler Spindeldrehzahl von n = 8.000 min-1 zur Verfügung. Die Drehmeißel sind stets gleich und bestehen aus HSS. Als wesentlicher Unterschied zur Stahlzerspanung wird der langsamere Verschleiß bei der Leichtmetallbearbeitung genannt. Nach Hans Bech [Bech1963] zu Beginn der 1960er Jahre arbeitet Dobri Erinski [Erin1990] gegen Ende der 1980er Jahre wieder an der Thematik Aluminiumzerspanung. In grundlegenden Untersuchungen zum Drehen, Fräsen und Bohren untereutektischer, eutektischer und übereutektischer Druckguss- und Kokillengusslegierungen befasst er sich mit dem Einfluss unterschiedlicher Erstarrungsgeschwindigkeiten in Rand- und Kernzone von gegossenen Aluminiumteilen auf die Zerspanbarkeit. Diese Arbeiten erfolgen in Zusammenarbeit mit dem Verein Deutscher Gießereifachleute (VDG) und seinen Mitgliedsfirmen. Aus den Ergebnissen entstehen allgemein gültige Richtwerte für die Aluminiumbearbeitung. Ein weiteres wichtiges Ergebnis ist der Nachweis, dass Poren und Einschlüsse ihre standzeitmindernde Wirkung mit steigendem Siliziumgehalt der Legierungen verlieren. Bei der Umstellung von Nass- auf Trockenbearbeitung muss die niedrige thermische Belastbarkeit von Aluminiumwerkstoffen bei der Werkzeug- und Prozessauslegung besonders beachtet werden. Thermische Überlastung beim Zerspanen bewirkt schlechte Oberflächengüte. Beim Bearbeiten von Knetlegierungen und untereutekti-

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schen Gusslegierungen treten Spanbruchprobleme im glatten Schnitt auf. Das erfordert beim Bohren, Reiben und Gewinden den Einsatz der Minimalmengenschmierung. Dennoch gelingt es Gerrit Eisenblätter und Klaus Gerschwiler in Kooperation mit Endanwendern, viele Aluminiumwerkstücke auf Trockenbearbeitung umzustellen. Mitte der 1990er Jahre erlebt Magnesium als Leichtbauwerkstoff eine Renaissance. Der Anstoß hierzu kommt von der Fahrzeugindustrie, die über Gewichtseinsparung die Reduzierung von Treibstoffverbrauch und Emissionen anstrebt. Innerhalb des vom BMBF geförderten Verbundprojektes MADICA erfolgen am WZL umfangreiche Zerspanuntersuchungen zur Nass- und Trockenbearbeitung von Magnesiumdruckgusslegierungen. Beim Schaft- und Stirnfräsen liegen die Bearbeitungsbedingungen im Bereich der Hochgeschwindigkeitszerspanung. Weitere Verfahren sind das Gewindebohren und das Gewindefurchen. Bei der Bearbeitung von Magnesium und beim Umgang mit den Spänen sind Sicherheitsregeln einzuhalten, die nicht nur die Technologie, sondern auch die Werkzeugmaschine betreffen. An den Lehrstühlen Technologie der Fertigungsverfahren und

Abb. 2.7 Leichtbau mit PKW-Getriebeteilen aus der Magnesiumlegierung AZ91hp

Werkzeugmaschinen arbeiten die Mitarbeiter Rainer Fritsch und Marc Marpert an diesem Projekt. In Kooperation beider Lehrstühle gelingt nach Projektabschluss die Entwicklung der Bearbeitungstechnologie eines PKW-Getriebegehäuses aus Magnesium für die Firma Ford in Köln. Dabei erreicht man neben den zeichnungsgerechten Bauteilmerkmalen auch die heute geforderten Kennwerte für die Prozessfähigkeit.

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In dem EU-Projekt SEPMAC, das man im Jahre 2004 abschließt, werden gemeinsam mit Partnern Technologien, Werkzeuge und Maschinenelemente entwickelt, die es ermöglichen, beim Trockenfräsen von Magnesium die Späne direkt aufzunehmen und durch Werkzeug, Spannfutter und Spindel sicher aus der Maschine zu entfernen. Aufgabe des WZL sind grundlegende Untersuchungen zur Prozessauslegung und zur Spanbildung. Bei Projektende existiert ein Pilotsystem, das beim trockenen Zirkularfräsen bis zu 99 % der Späne direkt aus dem Arbeitsraum der Maschine entfernt. 2.5 Hartzerspanung Ausgehend von der Entwicklung hochharter Schneidstoffe wie polykristallinem kubischem Bornitrid (PcBN) und Mischkeramik haben sich Hartbearbeitungsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide seit Beginn der 1980er Jahre für die Vor- und Endbearbeitung gehärteter Stahlwerkstoffe etabliert. Als „Hartdrehen“ wird im Allgemeinen das Drehen gehärteter Stähle mit einer Härte größer als 50 HRC bezeichnet. Gerd Ackerschott zeigt 1989 anhand grundlegender Untersuchungen bei der Schlichtbearbeitung gehärteter Stähle mit geometrisch bestimmter Schneide die Eignung der PcBN-Schneidstoffe im Hinblick auf den Spanbildungsmechanismus, die auftretenden Zerspankräfte und die im Prozess vorliegende Energieverteilung. Durch geeignete Untersuchungsmethoden gelingt es dabei, insbesondere die in der Werkstückrandzone auftretenden Temperaturen abzuschätzen [Acke1989]. Die prinzipbedingten Vorteile des Hartdrehens mit PcBN-Schneidstoffen gegenüber klassischen Hartbearbeitungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden bestehen in der hohen Flexibilität des Verfahrens, was insbesondere eine vereinfachte Bearbeitung komplexer rotationssymmetrischer Konturen und Mehrseiten-Bearbeitungen ermöglicht. Weiterhin ist so die Möglichkeit zur Trockenbearbeitung gegeben. Darüber hinaus können je nach Bauteilgeometrie Bearbeitungszeitvorteile durch die Anwendung höherer Zeitspanvolumina als beim Schleifen realisiert werden. Die Wirtschaftlichkeit von Hartdrehprozessen, insbesondere für die Serien- und Massenfertigung, ist oft durch die niedrigen bauteilbezogenen Werkzeugkosten und durch die kurze Bearbeitungszeit gegeben. Bereits 1989 untersucht Alexis Bömcke [Bömc1989] systematisch die Verschleißvorgänge an PcBN- und an PKD-Werkzeugen. Er entwickelt Versuche, um die Verschleißursachen derartiger hochharter Schneidstoffe zu ermitteln. Andreas Neises führt die Untersuchungen der Verschleißmechanismen 1994 fort. Er beschäftigt sich mit dem Zusammenhang zwischen dem kristallinen Aufbau und den physikalisch-mechanischen Eigenschaften hochharter nichtmetallischer Schneidstoffe wie dem polykristallinen kubischen Bornitrid (PcBN) und stellt das Verschleißverhalten im Zerspanprozess mit geometrisch bestimmter Schneide dar. Neises weist nach, dass bei der Hartbearbeitung von Wälzlagerstahl von einem durch die Kristallumwandlung des PcBN in die weiche, hexagonale Form initiierten Verschleiß ausgegangen werden muss [Neis1994]. Das ist ein Erklärungsansatz dafür, weshalb TiN-beschichtete PcBN-Schneidstoffe höheren Verschleißwiderstand zeigen als unbeschichtete. Die Kenntnis von Verschleißursachen und Einsatzbedingungen von PcBN-Schneidstoffen ermöglicht zusammen mit Near-Net-Shape-Technologien in der Kaltmassiv-

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umformung die Verkürzung von Prozessketten bei der Herstellung gehärteter Bauteile. Dies weist Manfred Goldstein [Gold1991] am Beispiel von Getriebewellen nach. Die hohe Präzision nach dem Fließpressen solcher Wellen erlaubt das Einsatzhärten direkt nach der Umformung und die Fertigbearbeitung durch Hartdrehen. Die Weichbearbeitung kann eliminiert und so die Prozesskette verkürzt werden. Am Beispiel warm gewalzter Kugellagerringe, die unter Nutzung der Umformwärme direkt gehärtet werden, weist Norbert Winands [Wina1996] die Anwendbarkeit des Hartdrehens anstelle des Schleifens auch für durchgehärtete Werkstücke nach. Mit dem Einsatz der Hartzerspanung beim Räumen, einem Präzisionsverfahren mit Schnittunterbrechung, befasst sich Michael Klinger [Klin1993]. Er untersucht PVD-TiN beschichtete Werkzeuge aus Feinstkornhartmetall und deren Einsatzbedingungen beim Innenräumen von Verzahnungen an PKW-Getriebeteilen. Dieses Verfahren wird heute in der Automobil- und Getriebeindustrie vielfach genutzt. Die Substitution des Schleifens durch Hartdrehen erfordert neben den technologischen auch die maschinenseitigen Voraussetzungen. Mit dieser Fragestellung befasst sich Karl-Friedrich Koch [Koch1996c]. Er untersucht die Grundlagen für das Hochpräzisionshartdrehen auf Präzisionsdrehmaschinen mit der Zielsetzung, das Feinschleifen durch Hartdrehen zu ersetzen. Auf diesem interessanten Gebiet arbeitet Sven Jochmann [Joch2001] weiter und kann aus dem Zusammenwirken von Maschine sowie Makro- und Mikrogeometrie des Werkzeugs Prozessstellgrößen herausarbeiten, die für die Bauteilqualität relevant sind. Beim Hartdrehen mit Vorschüben unter f = 0,05 mm bestimmen überwiegend die Maschineneigenschaften die Oberflächenausbildung am Bauteil. Bei größeren Vorschüben nimmt dieser Einfluss ab, und es dominiert die Mikrogeometrie der Schneidkante. Oberhalb von f = 0,2 mm ist die Makrogeometrie der Werkzeuge das für die Oberflächenausbildung bestimmende Merkmal. Diese Abhängigkeiten gelten für den glatten und für den unterbrochenen Schnitt. Gehärtete Bauteile unterliegen während ihres Gebrauchs hohen Beanspruchungen. Hinsichtlich des Funktionsverhaltens spielt auch die Oberflächenstruktur, die nach dem Schleifen anders ist als nach dem Hartdrehen, eine wichtige Rolle. Jürgen Liermann entwickelt 1997 die Technologie des Hartdrehens für Bauteiloberflächen unter Wälzbelastung. Die Bauteilqualität wird insbesondere hinsichtlich Oberflächenrauheit, Randzonengefüge sowie Maß- und Formgenauigkeit ermittelt und optimiert. Zur Steigerung der Oberflächenqualität wird das Hartglattwalzen als spanloses Finishverfahren nach dem Hartdrehen untersucht. An so hergestellten Bauteilen kann kein negativer Einfluss dieser Verfahrensfolge auf das Funktionsverhalten der Bauteile festgestellt werden [Lier1997]. Karsten Röttger führt diese Untersuchungen weiter und zeigt, dass durch den Folgeprozess Hartglattwalzen hartgedrehte Oberflächen geglättet und Druckeigenspannungen in die Werkstückrandzone induziert werden. Gleichzeitig wird die Randzone durch die plastische Verformung kaltverfestigt. Oberflächenqualität, Härte und Eigenspannungen innerhalb der Randzone fließen in ein analytisches Modell ein, welches die plasto-mechanischen Vorgänge innerhalb der Randzone beschreibt. Wälzfestigkeitsversuche decken Zusammenhänge zwischen Bearbeitungsparametern und der Bauteillebensdauer auf [Rött2002].

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2.6 Präzisions- und Ultrapräzisionszerspanung Die Ultrapräzisionsbearbeitung von Nichteisenmetallen, kristallinen Werkstoffen und von Kunststoffen unter Verwendung monokristalliner Diamantwerkzeuge ist ein leistungsfähiges Fertigungsverfahren zur Herstellung optischer Oberflächen. Unter den optischen Feinbearbeitungstechnologien nimmt es eine Schlüsselposition ein, da neben der Produktion von planen und sphärischen Flächen ebenfalls komplexe Konturen und Strukturen wie Asphären bzw. Fresnellinsen erzeugt werden können. Eine Verfahrensentwicklung unter prozesstechnologischen Aspekten sowie einer besonderen Berücksichtigung des zu bearbeitenden Werkstoffes erfolgt zunächst nicht. Vielmehr werden häufig in aufwändigen Zerspanungsuntersuchungen Schnittparameter für das zu bearbeitende Bauteil ermittelt. Die Fertigungsgrenzen werden dabei oft vom Werkstoffgefüge sowie seinem kristallinen Aufbau bestimmt, ohne dass genaue Ursachen bekannt sind oder nach ihnen gesucht wird. 2.6.1 Ultrapräzisionsbearbeitung von Nichteisenmetallen Norbert Spenrath [Spen1991] macht es sich Anfang der 1990er Jahre zur Aufgabe, die prozesstechnologischen Wirkzusammenhänge unter einer besonderen Berücksichtigung des Werkstoffes aufzuzeigen. Das Ziel besteht darin, Funktionalzusammenhänge darzulegen und sie für ein verbessertes Prozessverständnis aufzubereiten. Der Zielsetzung entsprechend, werden durch systematische Untersuchungen umfassende technologische Erkenntnisse bezüglich der Ultrapräzisionszerspanung von poly- und monokristallinem Kupfer erarbeitet und somit ein grundlegendes Verständnis für die vorherrschenden Abtragmechanismen unter Berücksichtigung der elastischen und plastischen Werkstoffeigenschaften, der Schneidteilgeometrie und Prozessparameter geschaffen. 2.6.2 Ultraschallunterstütztes Präzisionsdrehen Etablierte Prozessketten zur Herstellung optischer Glaskomponenten, wie das Schleifen und Polieren, sind durch ihre eingeschränkte kinematische Flexibilität nur bedingt geeignet, komplexe optische Konturen und Strukturen zu fertigen. Verfahren mit definierter Schneide haben hier das Potenzial, diese Lücke zu schließen. Das einzige bekannte Werkzeugmaterial mit definierter Schneidteilgeometrie, das in der Lage ist, optische Oberflächen zu erzeugen, ist der monokristalline Diamant (MKD). Bislang ist es aufgrund des hohen Werkzeugverschleißes jedoch nicht möglich, optische Gläser mittels MKD wirtschaftlich zu bearbeiten. Eine viel versprechende Alternative, den Verschleiß drastisch zu reduzieren, ist die Beaufschlagung des Werkzeugs mit Ultraschall. Aufgabe der Arbeit von Olaf Rübenach [Rübe2001] ist das Design eines ultraschallunterstützten Werkzeugsystems für die Anbindung in eine Ultrapräzisionsdrehmaschine, die analytische Ermittlung der kinematischen Zusammenhänge bei der Drehbearbeitung sowie die prozesstechnologische Untersuchung der Wirkzusammenhänge bei der Bearbeitung optischer Gläser. Ziel ist es, die technologischen als auch materialspezifischen Einflussgrößen im Prozess zu ermitteln und letztlich die gewonnenen Erkenntnisse in anwendungsorientierte Richtlinien zur Prozess- und Systemgestaltung zu überführen.

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Hierzu erarbeitet er umfassende technologische Erkenntnisse der schwingungsunterstützten Zerspanung von Glaswerkstoffen mit MKD und schafft somit ein grundlegendes Verständnis für die vorherrschenden Abtragmechanismen. 2.7 Schaftfräsen im Werkzeug- und Formenbau Eine der schwierigsten Aufgaben im Werkzeug- und Formenbau ist das Herstellen von tiefen und gleichzeitig schmalen Kavitäten. Soll dies durch Fräsen erfolgen, dann ist die Kenntnis der werkzeug- und prozessspezifischen Einflussgrößen auf die am Fräser angreifenden Kräfte und auf die Schnittleistung unerlässlich, um Maß- und Formgenauigkeit sowie Wirtschaftlichkeit zu erreichen. Daraus müssen dann optimale Schnittstrategien abgeleitet werden. Wissenschaftliche Arbeiten zu dieser Thematik haben die Beanspruchung und die Auslegung der Fräswerkzeuge sowie die Prozessauslegung mit Hilfe von CAM-Systemen zum Inhalt. Zunächst werden die Zusammenhänge, die zwischen der Schnittkraft, der Schnittleistung und dem Zeitspanungsvolumen einerseits sowie dem Werkzeugdurchmesser, der radialen Zustellung, der axialen Schnitttiefe und dem Vorschub andererseits bestehen, einer eingehenden Analyse unterzogen. Man stellt fest, dass sich der Drallwinkel eines Schaftfräsers auf die Spanbildung, die Spanabfuhr und die Qualität der erzeugten Funktionsfläche sowie auf die Zerspankräfte und auf den Leistungsbedarf auswirkt. Die Vergrößerung des Drallwinkels am Schaftfräser verursacht einen Schnittkraftanstieg. Aus diesen Erkenntnissen werden Empfehlungen hinsichtlich für die leistungs- bzw. zeitoptimale Schnittwertwahl und Schnittaufteilung abgeleitet [Köll1986]. Danach entwickelt Axel Werner [Wern1992] ein Modell der beim Einsatz schlanker Schaftfräser ablaufenden mechanischen Vorgänge, die die Prozessleistung wesentlich bestimmen. Mit Hilfe dieses Modells, das durch praktische Versuche verifiziert wird, können Fräsprozesse mit schlanken, lang auskragenden Werkzeugen nach den Zielgrößen Leistungsfähigkeit und Prozesssicherheit ausgelegt werden. Dabei ist es für die Anwendung von besonderem Wert, dass die engen Bereiche stabiler Schnittbedingungen ermittelt und genutzt werden können. In den Folgejahren beschäftigt sich Ralf Löffler [Löff1996] ausgedehnt mit dem Einsatz von Torusfräsern. Deren Makrogeometrie weist spezifische Vorteile auf, die gerade für Anwendungen des Werkzeug- und Formenbaus große Bedeutung haben. So können bei der Schruppbearbeitung große Zerspanvolumina erzielt werden, da eine günstige Schneidenbelastung auftritt. Beim simultan fünfachsigen Schlichten erlauben große Zeilenbreiten bei gleich bleibender Oberflächengüte deutlich verkürzte Bearbeitungszeiten. Die Prozessauslegung bei der Bearbeitung von Formen aus Werkzeugstahl erfolgt auch nach Einführung der ersten CAM-Systeme noch weitgehend nach den Regeln der Kopierfrästechnologie, ohne die aus der NC-Technik resultierenden Freiheitsgrade zu nutzen. Die Anpassung der Frässtrategien an die technologischen Erfordernisse der Fräsbearbeitung ist damit kaum möglich. Folglich sind Frässtrategien zu entwickeln, mit deren Hilfe sich die als technologisch optimal erkannten Schnittwerte und Eingriffsbedingungen auf die Herstellung unterschiedlicher Formelemente übertragen lassen. Mit dieser Zielsetzung erarbeitet

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Rafael Bieker [Biek1991] CAM-Module, die die geometrisch basierten Funktionalitäten um Technologiemodule zur Unterstützung der Prozessauslegung erweitern. Er weist deutliche Einsparungs- und Qualitätspotenziale im Vergleich zur Kopierfrästechnologie nach. Freiformflächengeometrien stellen einen wesentlichen Bestandteil der im Werkzeug- und Formenbau zu bearbeitenden Bauteile dar. Mit der simultanen Fünfachsbearbeitung könnten derartige Bearbeitungsaufgaben gelöst werden. Dennoch kommt Anfang der 1990er Jahre noch vorwiegend das dreiachsige Fräsen mit Kugelkopffräsern zum Einsatz. Die simultane Fünfachsbearbeitung wird in der industriellen Praxis vor allem aufgrund des deutlich erhöhten Programmieraufwands und der größeren Fehleranfälligkeit kaum angewandt, obwohl sie durch den Einsatz torischer Werkzeuggeometrien deutliche Einsparungspotenziale verspricht. Es liegen bis dahin allerdings auch noch keine Arbeiten vor, die die technologischen Grundlagen und das wirtschaftliche Potenzial dieser Technologie quantitativ beschreiben. Deshalb setzt sich Markus Zander [Zand1995] das Ziel, sowohl die zerspantechnischen Grundlagen zum Einsatz von Toruswerkzeugen als auch die verfahrensspezifischen Parameter für eine simultane Fünfachsbearbeitung im Werkzeug- und Formenbau zu ermitteln. Später untersucht Stefan Altmüller [Altm2000] das simultane fünfachsige Fräsen mit Torusfräsern zur Fertigung von Freiformflächen aus schwer zerspanbaren Werkstoffen. Mit dem Ziel, die Prozessauslegung des simultanen fünfachsigen Fräsens hinsichtlich Bearbeitungsergebnis und Bearbeitungszeit am Beispiel der Herstellung einer Triebwerksverdichterschaufel aus TiAl6V4 zu optimieren, werden zunächst ausgehend von der Modellierung und Simulation des Zerspanvorgangs die Auswirkungen der Schneidengeometrie, der Prozessparameter und der Schneidstoffeigenschaften auf den Vorgang der Werkstofftrennung und Oberflächenentstehung in der Zerspanzone abgeschätzt. Die Qualität dieser Modellierung wird anschließend anhand von Grundlagenuntersuchungen am Werkstoff TiAl6V4 validiert. 2.8 Zerspanen nicht metallischer Werkstoffe Im Fraunhofer IPT widmet man sich seit den 1980er Jahren der Zerspanung nichtmetallischer Werkstoffe mit geometrisch bestimmter Schneide. Hierzu zählen neben den faserverstärkten Kunststoffen, Graphit und Grünkeramik. In dieser Zeit werden die Potenziale von Verbundwerkstoffen entdeckt und eine Vielzahl von Anwendungsbereichen – nicht nur in der Luft- und Raumfahrt, sondern auch des Kraft- und Schienenfahrzeugbaus – der Maschinen- und Anlagentechnik, der Sicherheits- sowie der Textiltechnik erschlossen. Produkte aus glas-, kohle- oder aramidfaserverstärkten Kunststoffen weisen eine hohe Leistungsfähigkeit in Bezug auf ihr Gewicht und ihre werkstofflichen Eigenschaften auf. Trotz endformnaher Verarbeitung ist jedoch im Allgemeinen eine weitere Bearbeitung zur Erzielung der geforderten Maß- und Formgenauigkeit sowie der Oberflächengüte erforderlich. 2.8.1 Faserverstärkte Kunststoffe Am Beispiel von faserverstärkten Duromeren untersucht Peter Graß [Graß1988] für die Faserarten E-Glasfaser, HT-Kohlenstofffaser sowie HM-Aramidfaser die Bohrbearbeitung

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und legt die optimalen prozessspezifischen Parameter sowie die Werkzeugstrategien fest. Hinsichtlich der Prozessparameter ermittelt er, dass mit hohen Schnittgeschwindigkeiten und niedrigen Vorschubwerten die besten Bearbeitungsqualitäten am Werkstück erzielt werden können. Zu den qualitätsbestimmenden Merkmalen zählen hierbei insbesondere bearbeitungsbedingte Schäden wie Delaminationen oder Abplatzungen, die vornehmlich an der Austrittsstelle des Werkzeugs auftreten. Bezüglich des

Abb. 2.8 Spezialfräser zum Besäumen faserverstärkter Kunststoffe

Schneidstoffeinsatzes zeigen sich Werkzeuge mit Schneiden aus polykristallinem Diamant solchen aus Hartmetall hinsichtlich der erzielbaren Bearbeitungsqualität überlegen. Als Ursache hierfür kann in einer Analyse der Prozesskräfte die Lastverteilung nach Betrag und Richtung ermittelt werden. Fortgesetzt werden die Arbeiten von Stefan Rummenhöller [Rumm1996], der sich mit der Prozessauslegung für das Fräsen kohlefaserverstärkter Kunststoffe auseinandersetzt. Seine Analyse des Umrissfräsens führt zur werkstofforientierten Prozessführung. Schwerpunkt ist die Analyse der Zerspanungsmechanismen, da die herkömmlichen Gesetze der Bruchmechanik nicht auf Verbundwerkstoffe anwendbar sind. Dabei zeigt sich, dass das Zerspanungsverhalten im Wesentlichen durch die Eigenschaften der Fasern und deren Ausrichtung im Verbund bestimmt wird. Mehr als alle anderen Einflussgrößen bestimmen diese die Werkstückqualität und die auf Bauteil und Werkzeug wirkenden Beanspruchungen. Rummenhöller untersucht ferner die Eignung verschiedener Werkzeuggeometrien und -schneidstoffe, wobei sich polykristalliner Diamant (PKD) aufgrund des hohen abrasiven Verschleißangriffs der Fasern als dominierender Schneidstoff erweist. Mit den bei der Fräs- und Schleifbearbeitung kohlefaserverstärkter Kunststoffe anfallenden Staubemissionen setzt sich Christoph Würtz [Würz1999] auseinander. Er analysiert die anfallenden Staubemissionen, beschreibt deren Entstehung und leitet prozessspezifische Maßnahmen zur Reduzierung der Konzentrationswerte ab. Aus

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den Untersuchungen heraus leitet er Aussagen zur Prozesstechnologie, Werkzeugauswahl sowie zum Einfluss der werkstofflichen Parameter ab. Abgerundet wird die Arbeit durch die Beschreibung anlagentechnischer Sicherheitsmaßnahmen. 2.8.2 Graphit In den 1990er Jahren gewinnt die Verwendung von Graphit als Elektrodenwerkstoff für die Senkerosion im Werkzeug- und Formenbau zunehmend an Bedeutung. Der hieraus folgernde Bedarf einer werkstoffgerechten, wirtschaftlich optimierten Bearbeitungstechnologie für Feinkorngraphite motiviert Michael König, sich mit der Fräs-

Abb. 2.9 Grafitelektroden

bearbeitung von Graphitelektroden auseinanderzusetzen [Köni1997]. Die Arbeit greift die bestehenden Defizite in der Graphitbearbeitung auf und entwickelt Empfehlungen hinsichtlich Werkzeuggestaltung, Prozessauslegung, Programmierstrategien und Maschinenauswahl für die Fräsbearbeitung. Aufgrund des überwiegend abrasiv bedingten Werkzeugverschleißes empfehlen sich für die Graphitbearbeitung vor allem diamantbeschichtete Hartmetallwerkzeuge mit stark positiven Schneidgeometrien. Die Anwendung technologieorientierter Bearbeitungsstrategien verbessert das Standwegergebnis, die Bauteilqualität und die Prozesssicherheit. Zum Schruppen ist die Umrissbearbeitung auf Ebenen mit zylindrischen Schaftfräsern vorteilhaft. Das Zeitspan- und Standvolumen kann durch den Einsatz der Hüllkörperbearbeitung maximiert werden. Als Schlichtstrategie ist das flächenübergreifende Höhenlinienfräsen im Gegenlauf als technologiegerechte Alternative anzuwenden. Kantenausbrüche bei der Fertigung prismatischer Elektroden lassen sich durch das Vermeiden ungünstiger Bedingungen beim Schneidenaustritt reduzieren. 2.9 Trockenbearbeitung Zu Beginn der 1990er Jahre erreicht die Diskussion über Umweltfragen auch die Produktionsbetriebe. Themen wie Belastung der Mitarbeiter, Emissionen und Kosten für die Entsorgung von Produktionsabfällen rücken in den Mittelpunkt dieser Diskussionen. Besonders die seinerzeit prognostizierten Kosten für die Entsorgung von Kühlschmierstoffen bewirken, dass man sich in Industrie und Forschung mit der Problematik befasst.

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KLAUS ESSEL, REINHARD FLECK, FRITZ KLOCKE, RAINER FRITSCH, DIETER LUNG, HENNING SIEBEL

Kostenanalysen werden durchgeführt und haben zum Ergebnis, dass die Kosten für Kühlschmierstofftechnik im Bereich des 2- bis 4-fachen der anteiligen Werkzeugkosten liegen. Dieses Ergebnis überrascht und beschleunigt die Entwicklung der Trockenbearbeitung erheblich. König befasst sich am WZL von Beginn an intensiv mit der Thematik. Seitens der Mitarbeiter sind Gerrit Eisenblätter [Eise1999] und Klaus Gerschwiler in die Arbeiten eingebunden. Am WZL wird Pionierarbeit zur Trockenbearbeitung geleistet. Es stellt sich schnell heraus, dass vor allem beim Bohren, Reiben und Gewindebohren vielfach nicht auf eine Schmierung verzichtet werden kann. Diese ist jedoch in Form einer Minimalmengenschmierung ausreichend. Das heißt, es wird ein Aerosol erzeugt und an die Zerspanstelle geführt. Das erfolgt zunächst von außen. Heute sind

Abb. 2.10 Umstellung von Nass- auf Trockenbearbeitung in der Serienfertigung

Werkzeuge mit innen liegenden Kühlkanälen für viele Zerspanprozesse verfügbar, so dass das Aerosol unmittelbar an die Wirkstelle gebracht werden kann. Der Verbrauch an Fluid zur Erzeugung des Aerosols liegt im Bereich von 20 bis 50 ml je Produktionsstunde. Vor allem Bohrwerkzeuge für Minimalmengenschmierung müssen anders gestaltet sein als für die konventionelle Nassbearbeitung. Dies betrifft die Schneidteilgeometrie, die Gestaltung des Spankanals, den Schneidstoff und die Oberflächenbehandlung. Heute sind Bohrer und Reibwerkzeuge mit inneren Kühlkanälen für Minimalmengenschmieranwendungen von vielen Werkzeugherstellern verfügbar. Da die Wärme nicht mehr über Kühlschmierstoffströme abgeführt werden kann, ist vor allem bei Bohr- und Reibwerkzeugen der Übergang von HSS auf Hartmetall als Schneidstoff erforderlich. Die meisten dieser Werkzeuge sind beschichtet, um die Reibung in den Kontaktzonen zu mindern, dadurch wird die thermische Belastung reduziert, die Spanabfuhr erleichtert und die Standzeit verbessert. Trockenbearbeitung bzw. Minimalmengenschmierung wird in der Industrie nur akzeptiert, wenn die Wirtschaftlichkeit mindestens so hoch wie bei der Nassbearbeitung ist.

2. Zerspanforschung (ab 1906)

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Basierend auf den Ergebnissen von Grundlagenforschungen arbeitet das WZL bis heute in anwendungsorientierten Forschungsprojekten mit. Die Arbeiten zur Trockenbearbeitung sind stets stark praxisbezogen. Das kommt auch in der Kooperation mit Unternehmen im „Technologienetz Trockenbearbeitung“ zum Ausdruck, dessen Hauptaufgabe die Übertragung der Forschungsergebnisse in die Praxis ist. Diese Arbeiten werden momentan im Rahmen der Kooperative „TroiA“ (Trockenbearbeitung für industrielle Anwendungen) fortgesetzt. 2.10 Prozessüberwachung Mit der Vision, die Produktion sicherer und effizienter zu gestalten, identifiziert man gegen Ende der 1960er Jahre das Überwachen von Prozessen als Schlüssel zur Prozessoptimierung. Aus dieser Diskussion heraus etabliert sich erstmals der Begriff der „Prozessüberwachung“ am Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren. Von diesem Zeitpunkt an werden im WZL Messeinrichtungen und Apparaturen zur Aufnahme von Zerspankräften, Temperaturen, Dehnungen und weiteren physikalischen Prozessgrößen nicht mehr ausschließlich zur Dokumentation von Zerspanbarkeitsuntersuchungen genutzt. Es stellt sich die Frage, wie Prozessäußerungen messtechnisch erfasst und gezielt zur Überwachung der Prozessparameter weiterverarbeitet werden können [Dege1968]. Fast zeitgleich wird die erste wissenschaftliche Arbeit über die Prozessüberwachung des Abricht- und Schleifprozesses beim Außenrund-Einstechschleifen angefertigt. Die folgenden Forschungsarbeiten der 1970er Jahre konzentrieren sich auf die Überwachung der Dreh-, Bohr- und Fräsbearbeitung unterschiedlicher Stahlwerkstoffe. Besonderes Interesse gilt der Optimierung der Schnittgeschwindigkeit anhand betriebsspezifischer Standzeiterwartungen. Als Überwachungsgröße wird hier der Werkzeugverschleiß herangezogen und bei eingespanntem Werkzeug optoelektronisch erfasst; hierzu arbeiten Klaus Essel [Esse1972], Egon Gieseke [Gies1973] und Wolfgang Hänsel [Häns1974]. Parallel dazu wird von Friedhelm Otto [Otto1976] eine adaptive Regelung (adaptive control) entwickelt, welche die systemspezifischen Vorteile der Grenzregelung (ACC) und der Optimierregelung (ACO) vereint. Im Zuge dieser Arbeiten wird sichtbar, dass für die Implementierung derartiger Regelsysteme aktuelle und gesicherte Daten, angepasst an die betrieblichen Gegebenheiten, verfügbar sein müssen. Klaus Spira [Spir1978] greift diese Thematik auf und erarbeitet Vorschläge zur automatisierten Erstellung und Prüfung von Zerspaninformationen für den Aufbau innerbetrieblicher Informationssysteme (INFOS Datenbank). Zur weiteren Erschließung des technologischen Leistungspotenzials hinsichtlich Fertigungszeit und Kosten entwickeln sich ehrgeizige Bestrebungen, die Grenzbereiche der Prozesse beherrschbar zu gestalten. Den dabei auftretenden statischen und dynamischen Instabilitäten gilt von nun an ein besonderes Interesse bei der Überwachung. Neben Kraft-, Dehnungs- und Beschleunigungssensoren, als klassische Vertreter von Sensorik zur Erfassung von Schnittkräften, Verformungen und Schwingungen, werden Annäherungssensoren in die Maschinen integriert. Sie ermöglichen erstmals das Überfahren von Leerwegen im Eilgang, um Nebenzeiten zu verringern [Müll1976].

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Im Laufe der 1980er Jahre werden die Aktivitäten auf dem Gebiet der Werkzeugüberwachung weiter verstärkt. Gegenstand der Untersuchungen von Klaus Christoffel [Chri1984] sind Werkzeugbruch und -verschleiß, insbesondere bei Bohr- und Fräsverfahren. Rechnerunterstützte Systeme stehen in dieser Zeit erstmals zur Verfügung und eröffnen völlig neue Möglichkeiten. Die Abhängigkeiten zwischen den Prozesseingangsgrößen und dem Arbeitsergebnis werden nun rechnerinterpretierbar formuliert und für eine effiziente Auswertung genutzt. Es entstehen erste EDV-Modelle zum Bohrerverlauf und zur Gratbildung [Hoff1986, Sche1991]. Innovationen auf dem Gebiet der Sensorik, wie CCD-Kameras und pyroelektrische Sensoren erweitern den Betrachtungsbereich der Überwachung um die Aufnahme von Wärmestrahlung. Neben einer automatischen Spanformerkennung in der Werkzeugmaschine ist es nun möglich, die Vorgänge bei der Spanbildung wissenschaftlich zu untersuchen, wie Klaus Kutzner in seiner Arbeit verdeutlicht [Kutz1991]. Im Zuge dieser Entwicklung auf dem Gebiet der Prozessüberwachung wird die Firma „Prometec“ von Werner Kluft [Kluf1983], einem Mitarbeiter des WZL, gegründet. Ferner erschließt die Prozessüberwachung neue Technologien, wie das Feinschneiden und Laserhärten [Herr1991]. Die 1990er Jahre stehen in der Prozessüberwachung ganz im Zeichen des Sonderforschungsbereiches 368 „Autonome Produktionszellen“ und der Entwicklung eines intelligenten Werkzeugs. Die grundlegenden Arbeiten der 1970er und 1980er Jahre werden genutzt, um Überwachungssysteme als intelligente Einheiten in eine flexible Fertigung zu integrieren. Erste Bestrebungen haben zum Ziel, das Potenzial interner Steuerungssignale auszuschöpfen, wie Georg Ketteler [Kett1996] und Michael Rehse [Rehs1998] aufzeigen. Auf der anderen Seite wird im Bereich der Sensorentwicklung zu einer Integration der messenden Sensorik in die Schichtsysteme von Hochleistungswerkzeugen übergegangen. Diese Arbeiten gipfeln in der Entwicklung einer intelligenten Schneide, welche Kräfte und Temperaturen bei der Drehbearbeitung direkt in der Spanbildungszone misst. Unabhängig von den unterschiedlichen Möglichkeiten der Signalgewinnung werden nun Datenbanken in immer leistungsfähigeren Computern aufgebaut und an die Steuerungseinheiten von Werkzeugmaschinen transferiert. Der Schritt von der reinen Prozessüberwachung hin zur Prozessregelung wird in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen in dieser Zeit vollzogen. Zu Beginn des neuen Jahrtausends rückt die werkstückorientierte Prozessüberwachung in den Mittelpunkt der Forschungsarbeiten. Signale verschiedenster Sensorsysteme werden genutzt, um eine Aussage über die Qualität der gefertigten Bauteile treffen zu können. Es entstehen wissenschaftliche Arbeiten auf dem Gebiet der Schleifbranderkennung und der Randzonenbeeinflussung beim Drehen schwer zerspanbarer Werkstoffe. Im Fokus dieser Betrachtungen steht das Acoustic Emission-Signal (AE-Signal) von Körperschallaufnehmern, welches Volker Zinkann [Zink1999] untersucht. Die Signalverarbeitung, -analyse und -interpretation werden von nun an fast ausschließlich mit Computersystemen durchgeführt. Hieraus ergibt sich der Bedarf, auch im Bereich der Signalverarbeitung neue und eigene Wege zu gehen. Dies führt dazu, dass die Entwicklung und Nutzung verschiedenster mathematischer Algorithmen

2. Zerspanforschung (ab 1906)

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Abb. 2.11 Schichtintegrierte Sensorik

Gegenstand der täglichen Arbeit im Bereich der Prozessüberwachung wird. Neben unterschiedlichsten Transformationsalgorithmen kommen auch Neuronale Netze zum Einsatz, um die Flut an generierten Daten logisch und selbstlernend zu verarbeiten. Abschätzungen der Verschleißentwicklung für variierende Bearbeitungsbedingungen erlauben dabei sogar Wahrscheinlichkeitsaussagen für ein zukünftiges Schneidenversagen und helfen so, das Risiko von Werkzeugbrüchen kalkulierbar zu machen. Leistungsfähige Simulationen ergänzen fortwährend diesen Trend, wie die Forschungsarbeit von Martin Reuber [Reub2000] beweist. Neueste Entwicklungen gehen über zur Nutzung leistungsfähiger Telemetriesysteme, sensorintegrierter Werkzeuge und Prozessanalysen mit Hilfe von Signalen aus direktangetriebenen Werkzeugmaschinenkomponenten. Die Überwachung komplexer 5-Achs-Fräsbearbeitungen in der Turbinenfertigung, die Programmierung modellbasierter Überwachungssysteme und die Kopplung der Prozesssimulation an die Überwachung sind Ansätze, die vorausschauend auf die nächsten Jahre mit Hilfe des Prozessverständnisses zu einer Produkt- und Qualitätsüberwachung in der spanabhebenden Fertigung führen werden.

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Maschinenelemente und -komponenten (ab 1940) FELIX BUTZ, ARNO GROTH, FALCO PAEPENMÜLLER, GUIDO SPACHTHOLZ, MANFRED WECK

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Gliederung 3.1 Einleitung 3.2 Wälzlager 3.2.1 Steifigkeit und Dämpfung 3.2.2 Lagerreibmomente und Verlustleistung 3.2.3 Höchstdrehzahlen von Wälzlagern, extreme Betriebsbedingungen 3.2.4 Berechnungsprogramme für Hauptspindeln und Spindellager 3.2.5 Aktuelle konstruktive Lösungen für Hochgeschwindigkeits-Spindellager 3.3 Hydrodynamische, hydrostatische und aerostatische Lager 3.4 Linearführungen und Führungssysteme 3.5 Werkzeugschnittstellen 3.6 Vorschubgetriebe und Zahnriemengetriebe

3. Maschinenelemente und -komponenten (ab 1940)

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3.1 Einleitung Zu den wichtigsten Maschinenelementen und -komponenten in Werkzeugmaschinen zählen seit jeher die Hauptspindellager sowie die kompletten Spindellagersysteme. Auf diesem nach wie vor aktuellen Gebiet wird am WZL intensiv geforscht. In den folgenden Abschnitten werden die hydrodynamischen, hydrostatischen und aerostatischen Lagerungen und Führungen sowie Wälz- und Magnetführungen behandelt. Ein weiteres wichtiges Maschinenelement stellt die Schnittstelle zwischen Frässpindeln und den Werkzeugen dar. Hier trägt das WZL entscheidend dazu bei, dass der genauere und steifere Hohlschaftkegel (HSK) in weiten Anwendungsbereichen den Steilkegel (SK) ablöst und zum Weltstandard wird. 3.2 Wälzlager 3.2.1 Steifigkeit und Dämpfung Die ersten Arbeiten auf dem Gebiet der Steifigkeitsbestimmung entstehen Ende der 1950er und Anfang der 1960er Jahre am WZL. Dietrich Günther [Günt1964] geht der Federung von Hauptspindellagerungen in Werkzeugmaschinen nach. Auf Basis dieser experimentellen Untersuchungen am WZL lassen sich erstmals Nomogramme zur Bestimmung von Federung und Steifigkeit von Lagern der Reihen NN30.. und NNU49.. aufstellen, die den Konstrukteuren in der Praxis wertvolle Hilfe geben. Über ein ähnliches Thema promoviert Kurt Honrath [Honr1960]. Seine Forschungsarbeiten über die Starrheit von Werkzeugmaschinenspindeln und deren Lagerung ist für die Werkzeugmaschinenindustrie in der damaligen Zeit von großer Bedeutung. Honrath erarbeitet handhabbare Auslegungskriterien, mit denen der optimale Lagerabstand in Abhängigkeit von der Spindelauskraglänge, von den Spindelabmessungen und von der Lagersteifigkeit mit dem Ziel einer minimalen Gesamtnachgiebigkeit des Spindellagersystems theoretisch ermittelt werden kann. Die Forschungen über das statische und dynamische Verhalten von Spindellagersystemen in Werkzeugmaschinen werden am WZL weiter verfolgt. Dabei gelingt Heinrich Kunkel [Kunk1966] der erste Schritt zu den heutigen Spindelsystem-Analyseprogrammen. Neben den bis zu diesem Zeitpunkt hauptsächlich betrachteten 2-Lager-Systemen bezieht er 4-Lager-Systeme in die Untersuchungen ein. Kunkel erforscht u. a. Möglichkeiten, das dynamische Verhalten von Spindeln zu optimieren. Ein Ansatz hierzu ist die Integration einer Dämpfungsbuchse bzw. eines Dämpfungslagers, wodurch sich die Resonanzamplitude verringert und eine höhere Zerspanungsleistung ermöglicht wird (Abb. 3.1). Am WZL findet in den folgenden Jahren neben der Untersuchung der Steifigkeitseigenschaften auch die systematische Erforschung der Dämpfungseigenschaften verschiedener Wälzlager, insbesondere Zylinderrollenlager und Rillenkugellager statt. Die Lagerdämpfung bestimmt in hohem Maße die Höhe der Resonanzamplitude der Spindelschwingungen. Für die rechnerische Auslegung des dynamischen Verhaltens von Spindellagersystemen liegen bis dato weltweit keine brauchbaren Dämpfungswerte vor. Die theoretischen Berechnungen von Klaus Josef Klumpers [Klum1980] beruhen auf

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Abb. 3.1 Schwingungsform einer Spindel ohne und mit Zusatz eines Dämpfungsgliedes [Kunk1966]

den Theorien der EHD-Schmierung sowie der Squeeze-Filmdämpfung. Auf der Basis umfangreicher Prüfstandsuntersuchungen werden die prüfstandsunabhängigen Systemeigenschaften der Wälzlager erfasst. Die von Klumpers experimentell ermittelten Dämpfungswerte finden bis heute in den Spindellager-Berechnungsprogrammen Anwendung. Lothar Ophey [Ophe1985] ist der Erste, der sich der Ermittlung der Dämpfungs- und Steifigkeitseigenschaften vorgespannter Schrägkugellager auf rein theoretischem Wege nähert. Seine Forschungen dienen der Beschreibung der Dämpfungs- und Steifigkeitseigenschaften von beliebig belasteten Schrägkugellagern unter Berücksichtigung der Viskosität des Schmierstoffs, der Temperatur sowie von Drehzahl und Belastung des Lagers (Abb. 3.2). Er entwickelt ein Modell zur Bestimmung des dynamischen Verhaltens der Lager unter besonderer Berücksichtigung der Eigenschaften ölgefüllter Spalte. Auf seinen Forschungen am WZL, dem Modell und dem Berechnungsprogramm zur Bestimmung der Belastungssituation im Lagerinneren, bauen alle folgenden Arbeiten bis heute auf. Für seine theoretisch ermittelten Lagersteifigkeiten wird eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen erzielt. Verständlicherweise entzieht sich die theoretische Beschreibung des Dämpfungsverhaltens der Lager bislang einer exakten Formulierung, so dass die von Ophey berechneten Werte auch nur eingeschränkt nachgebildet werden können. Unter seiner Leitung als Oberingenieur der Abteilung Maschinentechnik wird der Industriearbeitskreis „Spindel-Wälzlager“ eingerichtet, der bis heute besteht und wertvolle Entwicklungsarbeiten vorantreibt. Ihm gehören eine große Zahl von Mitglie-

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3. Maschinenelemente und -komponenten (ab 1940)

Abb. 3.2 Dämpfungs- und Steifigkeitswerte für Spindellager [Ophe1985]

dern des VDW sowie Schmiermittelproduzenten und vor allem alle europäischen Wälzlagerhersteller an (Abb. 3.3).

Abb. 3.3 Arbeitskreis „Entwicklung schnelllaufender wälzgelagerter Hauptspindeln für Werkzeugmaschinen“

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3.2.2 Lagerreibmomente und Verlustleistung Neben den Steifigkeitswerten ist die Kenntnis der Verlustleistung und der Reibmomente der Hauptspindeln, d. h. der Wälzlager, von großem Interesse. Die hier erzeugte Wärme erhitzt die Maschinenstruktur und führt meist zu unerwünscht großen thermischen Verformungen. Darüber hinaus ist der Temperaturhaushalt eines Lagers mitbestimmend für seine inneren Kräfte und seine Betriebssicherheit. Erste Arbeiten am WZL zu diesem Thema entstehen Ende der 1960er Jahre. Manfred Weyand [Weya1969] untersucht als Erster das Reibungs- und Temperaturverhalten der Wälzlager und leitet Berechnungsmöglichkeiten der Reibung von Wälzlagern unterschiedlichen Typs in Hauptspindeln ab. Er weist nach, dass das Reibmoment als Summe aus Leerlauf- und Belastungsreibmoment aufgefasst werden kann.

Abb. 3.4 Reibmoment über der Drehzahl in Abhängigkeit des Lagertyps [Stei1995]

In den 1990er Jahren entwickelt Thomas Steinert [Stei1995] ein Berechnungsverfahren zur Ermittlung des Reibmomentes von schnelllaufenden Spindellagern. In seinem Modell berücksichtigt er für den Fall der ÖI-Luft-Schmierung und der Fettschmierung die irreversible Verformungsarbeit an den Kugeln, die Rollreibung zwischen den Lagerringen und den Kugeln sowie die Bohrreibung zwischen den Lagerringen und den Kugeln. Die Gleitreibung zwischen Käfig und Lagerringen bzw. Käfig und Kugeln errechnet er nur für den Fall der Vollschmierung. Seine theoretisch ermittelten Ergebnisse werden auf einem Einzellagerprüfstand experimentell bestätigt. Sein Reibmomentmodell ist Teil des von Ophey begonnenen Lagerprogramms. 3.2.3 Höchstdrehzahlen von Wälzlagern, extreme Betriebsbedingungen Seit Mitte der 1980er steht die Erhöhung der Spindeldrehzahl an oberster Stelle der Forschungsarbeiten. Hintergrund hierfür sind die Werkzeughartstoffe, die eine immense

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Steigerung der Schnittgeschwindigkeiten erlauben. So sind beispielsweise aus Sicht der Werkzeuge Geschwindigkeiten von 5.000 m/min, was etwa einem Drittel der Schallgeschwindigkeit entspricht, für die Bearbeitung von Aluminium ohne weiteres möglich. Den Engpass bilden bis dato die Werkzeugmaschinen, welche die hierfür erforderlichen hohen Spindeldrehzahlen und Vorschubgeschwindigkeiten bei kleinen Schleppfehlern verwirklichen müssen. Dieser wichtigen Aufgabe stellt sich auch das WZL, insbesondere mit den Arbeiten im Spindel-Wälzlager Arbeitskreis. Als einer der Ersten am WZL beginnt Asmus Koch [Koch1996a] mit der Bearbeitung dieses Aufgabenfeldes. Er untersucht die Steigerung der Höchstdrehzahl von Schrägkugellagern bei Ölminimalmengenschmierung mit dem Ziel einer Erhöhung der Drehzahlobergrenzen von Spindellagern mit Hilfe der Öl-Luft-Schmierung.

Abb. 3.5 Erhöhung der Drehzahlkennwerte durch optimierte Schmierstoffzuführung [Koch1996a]

Mittels der FE-Methode analysiert er das Verhalten des Lagerinnenringes unter Betriebsbedingungen. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen ist die Entwicklung eines kapazitiven Messsystems zur experimentellen Erfassung der Schmierfilmhöhe im Lager (Abb. 3.7). Koch untersucht eine neue Idee des WZL, nämlich die Schmierung des Lagers durch eine kleine Bohrung im Außenring nahe der Kontaktzone zu den Wälzkörpern. Dieses Verfahren findet heute in vielen Hochgeschwindigkeitsspindeln eine sinnvolle und erfolgreiche Anwendung (Abb. 3.5). Diese Forschungsarbeiten werden am WZL fortgesetzt. Udo Tüllmann [Tüll1999] untersucht das Verhalten axial verspannter, schnelldrehender Schrägkugellager. Dabei findet er Abhängigkeiten der Kinematik und des Betriebsverhaltens schnelllaufender Schrägkugellager von den wesentlichen Parametern der Lagerkonstruktion wie Kugeldurchmesser und -werkstoff, Druckwinkel, Schmiegung, Passungen, Lageranordnung

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und -anstellung. Aufbauend auf den von seinen Vorgängern entwickelten Berechnungsverfahren leitet er ein Rechenmodell zur Durchführung dieser Analysen ab. Schließlich gelingt es ihm, Verbesserungsvorschläge für die Lagerkonstruktion und den Lagereinsatz vorzulegen. Ein Fokus seiner Arbeit liegt auf der Untersuchung der Vorgänge im Lager bei eingeschränkter Beweglichkeit des Loslagers (z. B. durch Passungsrost, thermische Effekte) und dem daraus resultierenden Vorspannkraftanstieg. Weiterhin untersucht Tüllmann verstärkt die kinematischen Einflüsse von Drehzahl und Temperatur auf die Einsatzgrenze von starr angestellten Schrägkugellager O-Paketen. Er konzipiert viele brauchbare konstruktive Lösungen zur Reduzierung dieser Probleme, die in der Praxis Anwendung finden. Speziell entwickelte Prüfstände ermöglichen in diesem Kontext z. B. die messtechnische Untersuchung der Verlagerung des Loslageraußenringes bzw. der Kräfte zwischen den Lagerringen von starr verspannten O-Paketen (Abb. 3.6).

Abb. 3.6 Spindellagerprüfstand zur messtechnischen Untersuchung von Axialverlagerungen, Verspannkräften, Reibmomenten sowie Außenringtemperaturen [Tüll1999]

Einer ganz besonderen Fragestellung widmet sich Berthold Spechtel [Spec2002] mit seinen Untersuchungen über das Verhalten von Wälzlagern unter hohen Winkelbeschleunigungen. Ziel der Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses von Schlupf in hoch beschleunigten Wälzlagern unterschiedlicher Bauarten und Baugrößen, um Unsicherheiten bei der betriebssicheren Dimensionierung von Lagerungen zu beseitigen. Bis dahin liegen über das Schlupfverhalten der Wälzkörper bei hohen Beschleunigungen, wie sie in Werkzeugmaschinenspindeln vorliegen, weltweit keine Erkenntnisse vor. Spech-

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tel leitet ein theoretisches Modell zur Berechnung der erforderlichen Vorspannkraft zur Vermeidung von Schlupf ab. Dieses wird zur Ermittlung der Zusammenhänge zwischen Beschleunigung, Schlupf und Verschleiß genutzt. Die Ergebnisse auf einem Prüfstand bestätigen seinen theoretischen Ansatz. Die Arbeiten ergeben, dass Wälzlager ein hohes Beschleunigungspotenzial besitzen und auch bei auftretendem Schlupf nicht zwangsläufig beschädigt werden. Standardeinbau- und Standardbetriebsbedingungen erlauben höchste Beschleunigungen. Zur Überprüfung des Schmierzustandes im Wälzkontakt kommt das von Koch entwickelte kapazitive Überwachungsverfahren zur Anwendung.

Abb. 3.7 Prinzip der kapazitiven Schmierfilmhöhenüberwachung [Koch1996a]

3.2.4 Berechnungsprogramme für Hauptspindeln und Spindellager Aufbauend auf den Arbeiten von Lothar Ophey [Ophe1985] wird in den nachfolgenden Jahren im Rahmen diverser Dissertationen am WZL ein Berechnungsprogramm für Spindellager (Schrägkugellager) beständig weiterentwickelt. Diese Software ist heute unter dem Namen WinLager verfügbar und gestattet die Analyse des Betriebsverhaltens von Einzellagern sowie Lagerpaketen unter Berücksichtigung einer Vielzahl von Einflussgrößen (z. B. Drehzahl von Innen- und Außenring, Lastkollektiv, Lageranstellung, Schmierstoff). Berechnet werden wesentliche Kennwerte, die für die Lagerauswahl im Spindelbau benötigt werden (z. B. Beanspruchung der Wälzkontakte, kinematisches Verhalten, Steifigkeiten, Reibmomente). Zum Lagerberechnungsprogramm tritt eine Software mit dem heutigen Namen NewSPILAD hinzu, die eine Untersuchung des statischen und dynamischen Verhaltens von Spindelsystemen ermöglicht. Mittels der FE-Methode werden die einzelnen Komponenten (z. B. Welle, Gehäuse) modelliert und über Feder- und Dämpferelemente

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aneinander gekoppelt. Neben den Eigenfrequenzen der Spindel können das gedämpfte Abschwingverhalten, die Reaktion auf statische und thermische Belastungen sowie die Lastverläufe in den Bauteilen berechnet und visualisiert werden. Die Abbildung 3.8 zeigt ein mit NewSPILAD berechnetes Spindelmodell und die ersten drei Eigenfrequenzen mit den Schwingungsformen sowie zu WinLager ein Beispiel eines Ausgabefensters.

Abb. 3.8 Berechnungsprogramme des WZL: WinLager und NewSPILAD

3.2.5 Aktuelle konstruktive Lösungen für Hochgeschwindigkeits-Spindellager Aktuelle Arbeiten im Arbeitskreis Spindel-Wälzlager befassen sich mit der Erarbeitung konstruktiver Lösungen und mit experimentellen Untersuchungen von Loslagerungen elastisch verspannter Spindellagersysteme sowie mit der Untersuchung von schnelllaufenden Zylinderrollenlagern. Felix Butz geht der Fragestellung nach, ob durch eine Modifikation der Lagerkomponenten die maximale Drehzahl und die Betriebssicherheit dieses idealen Loslagers gesteigert werden können.1 Ein von ihm entwickeltes analytisches Rechenmodell erlaubt es, die Verspannsituation in Abhängigkeit von Drehzahl und Temperatur zu untersuchen. Hohe Drehzahlen und thermische Dehnungen weiten den Innenring und können die Lagervorspannung bis hin zum Ausfall erhöhen. Um die Zuverlässigkeit zu steigern, ist es sinnvoll, Zylinderrollenlager unempfindlicher gegenüber Änderungen der radialen Vorspannung in

1

Felix Butz, Christian Brecher: Cylindrical Roller Bearings with Modifications for High Speed Machine Tool Spindles. Zur Veröffentlichung vorgesehen in: WGP Annalen 2005.

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einer Weise zu gestalten, dass fliehkraftbedingte und thermische Dehnungen einen geringeren Einfluss auf die Lagervorspannung haben. Mit Hilfe der FE-Berechnung wird der Einfluss eingebrachter Nachgiebigkeiten in die Ringe und Rollen auf die Verspannsituation im Betrieb analysiert. Die Berechnungen zeigen, dass die Neigung der Lager zur internen Verspannung während des Betriebs durch eine gezielte Schwächung der Lagerkomponenten gemildert werden kann. Die Wirksamkeit von Modifikationen weist Butz in Testreihen nach. Die Eigenschaft modifizierter Zylinderrollenlager, thermische Dehnungen im Lager ohne extreme Vorspannungsänderungen zuzulassen, erhöht die Betriebssicherheit der Lager im niedrigen bis mittleren Drehzahlbereich und schiebt gleichermaßen die maximal erreichbaren Drehzahlen nach oben. Durch eine Kombination von modifizierten Lagerkomponenten und der Verwendung von Keramikwälzkörpern kann der Einsatz im Hochgeschwindigkeitsbereich möglich werden.

Abb. 3.9 Modifikationen von Zylinderrollenlagern zur Erhöhung der internen Nachgiebigkeit

Neben der Erforschung der Zylinderrollenlager verfolgen Ingenieure des WZL zur Zeit ebenfalls Arbeiten zur Optimierung der Leistungsfähigkeit von Schrägkugellagern. Guido Spachtholz betrachtet in diesem Zusammenhang Möglichkeiten, durch neuartige Lagerkinematiken sowie die Anwendung von Hartstoffschichten die Betriebseigenschaften, das Laufverhalten sowie die Zuverlässigkeit von Spindellagern zu erhöhen. Konventionelle Spindellager weisen eine stark drehzahlabhängige Kinematik auf (Druckwinkelschere), die im Extremfall den Ausfall des Lagers bewirken kann. Die Haupteinflussgröße ist hierbei die Zentrifugalkraft, welche die Wälzkörper in Richtung

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Rillengrund drängt und somit stark abfallende Außendruckwinkel und extrem ansteigende Belastungen in den Wälzkontakten am Außenring erzeugt. Berechnungen mittels von Spachtholz weiterentwickelten Algorithmen zeigen, dass durch das Vorsehen von drei bzw. vier Wälzkontakten im Lager konstante Betriebsbedingungen über der Drehzahl sowie verringerte Belastungen der Wälzkontakte gewährleistet werden können.2 Experimentelle Messungen ergeben, dass diese Mehrpunktlager in Abhängigkeit von den Montagebedingungen höhere radiale Steifigkeiten sowie eine verringerte Axialverlagerung des Innenringes (d. h. konstantere Betriebsbedingungen) im Vergleich zu konventionellen Spindellagern aufweisen. Der Problematik erhöhter Wärmeeinbringung durch die zusätzlichen Wälzkontakte wird einerseits durch eine Optimierung der Innengeometrie (Schmiegung, Druckwinkel), andererseits durch reibungsmindernde und verschleißhemmende Hartstoffschichten begegnet. In diesem Zusammenhang werden von Spachtholz diverse Schichtsysteme hinsicht-

Abb. 3.10 Spindellager mit Mehrpunkt-Kinematik zur Erhöhung der radialen Steifigkeit sowie der Betriebssicherheit

lich ihrer Anwendbarkeit im Spindellager erprobt. Vielversprechende Ergebnisse können in jüngster Zeit mit einer Wolfram-Carbid-Schicht (WC/C) der Firma CemeCon erzielt werden. Einen Vergleichsversuch zwischen einem unbeschichteten und einem beschichteten Spindellager nahezu ohne Schmierstoff übersteht nur das Lager mit WC/C-Oberfläche unbeschadet. Das Referenzlager fiel aufgrund Käfigbruchs sowie extrem hoher Betriebstemperaturen schon nach kurzer Zeit aus. Dieses Ergebnis zeigt das hohe Anwendungspotenzial von Hartstoffschichten im Spindellager. Sie verringern die Lagerreibung und bieten Möglichkeiten zur Optimierung der Betriebssicherheit, indem die Unempfindlichkeit des Lagers gegen kurzzeitige Mangelschmierung deutlich reduziert wird.

2

Guido Spachtholz, Manfred Weck: 3- and 4-Contact Point Spindle Bearings – A New Approach for High Speed Spindle Systems. Annals of the CIRP, Vol. 52/1/2003.

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Abb. 3.11 Spindellager mit / ohne Beschichtung im Stufenversuch annähernd ohne Schmierstoff

3.3 Hydrodynamische, hydrostatische und aerostatische Lager Nach dem Zweiten Weltkrieg werden zunächst die Arbeiten an den damals weit verbreiteten Gleitlagerungen aufgenommen. Josef Schunk führt schon 1949 Untersuchungen zum Thema „Kritischer Vergleich der Gleitreibungszustände unter besonderer Berücksichtigung der Vorgänge bei Grenzreibung“ [Schu1949] durch. Die Arbeit befasst sich mit der Klärung von Schmierungszuständen in Gleitlagern unter hohen Belastungen und niedrigen Gleitgeschwindigkeiten. Dabei gelingt es ihm, die Theorie der Gleitreibung herzuleiten und ihre Gültigkeit in experimentellen Untersuchungen an unterschiedlichen Schmierstoffen und Gleitbelägen nachzuweisen. Hermann Füllenbach befasst sich in seiner Arbeit mit der „Untersuchung der Laufeigenschaften von Kurzgleitlagern aus verschiedenen Werkstoffen“ [Füll1950]. Er betrachtet die Einflüsse der Parameter Werkstoffpaarung, Lagerlast und Oberflächenbeschaffenheit auf das Verschleiß- und Einlaufverhalten unterschiedlicher Kurzgleitlager genauer. Dazu unternimmt er praktische Laufversuche an einer Lagerprüfmaschine. Eine wichtige Erkenntnis ist die Bedeutung des Einlaufvorgangs für das spätere, verschleißarme Laufverhalten der Lagerung. Aber auch Luftlager sind schon damals von Interesse, da man von der äußerst geringen Luftzähigkeit geringe Verlustleistungen erwartet. Insbesondere höchstdrehende Werkzeuge mit kleinen Durchmessern sind das Anwendungsziel. Hans-Werner Hagen beschreibt in seiner Arbeit „Bau und Berechnung luftgelagerter Wellen“ [Hage1951] erstmals Eigenschaften von aerostatisch gelagerten Wellen und untersucht luftgelagerte Schleifspindeln für Schleifstifte bis 1,5 mm. Hagen ermittelt u. a. Bestimmungsgleichungen für die Tragfähigkeit und Druckverteilung in aerostatischen Radial- und Axiallagerungen. Die analytisch bestimmten Werte gleicht er mit

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Abb. 3.12 Prüfaufbau 1949, Falex-Ölprüfer [Schu1949]

praktischen Versuchen an luftgelagerten Schleifspindeln ab. Zur Bestimmung des Luftlagerspaltes setzt er kapazitive Messverfahren ein. Die schon damals mit bis zu 100.000 U/min betriebenen Spindeln erreichen dabei sehr gute Schleifergebnisse. Anfang der 1960er Jahre beginnt man sich den hydrostatischen Lagern und den Wälzlagern zuzuwenden. Die Drehzahlen, d. h. die Schnittgeschwindigkeiten, nehmen zu, so dass die den Gleitlagern eigene hohe Verlustleistung nicht mehr akzeptiert werden kann. Auch am WZL beschäftigt man sich verstärkt mit diesem Problem. 1964 legt Heinz Schlotterbeck seine Arbeiten zu „Untersuchungen hydrostatischer Lager unter besonderer Berücksichtigungen ihrer Anwendungsmöglichkeiten im Werkzeugmaschinenbau“ [Schl1964] vor. Neben analytischen Beschreibungen des Steifig-

3. Maschinenelemente und -komponenten (ab 1940)

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Abb. 3.13 Gleitlagerprüfstand und laufzeitabhängiges Reibverhalten von Kurzgleitlagern [Füll1950]

keitsverhaltens und des Leistungsbedarfs hydrostatischer Radial- und Axiallager werden auch Untersuchungen an hydrostatischen Spindellagerungen durchgeführt. Schlotterbeck untersucht Lager mit den gängigen Ölversorungssystemen „konstanter Pumpendruck“ und „konstanter Volumenstrom“. Er kann dabei die gute Übereinstimmung der theoretischen mit den messtechnisch bestimmten Druckverhältnissen in einer hydrostatischen Lagertasche nachweisen. Weiterhin zeigt er, dass der geringste Leistungsbedarf einer hydrostatischen Lagerung dann erreicht wird, wenn Pumpen- und Reibleistung gleich groß sind.

Abb. 3.14 Spalthöhenänderung, Steifigkeit und Durchfluss für Lagerungen mit den Ölversorgungssystemen ‚Q=konst.‘ und ‚pP=konst.‘ (qualitiv) [Schl1964]

Die Arbeiten ergänzt in den folgenden Jahren Martin Hoffmann durch „Theoretische und experimentelle Untersuchungen hydrostatischer Spindellagerungen“ [Hoff1966]. Hoffmann erweitert die Berechnungsgrundlagen um Näherungsverfahren zur Bestimmung der Radiallagersteifigkeiten und weist die Gültigkeit des Verfahrens anhand praktischer Versuche nach. Er unternimmt auch erstmals Untersuchungen zum Reibungs-

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und Dämpfungsverhalten hydrostatischer Lager. Es ergibt sich, dass die Gestaltung der Axiallagerung für die Höhe der Dämpfung eine wichtige Rolle spielt.

Abb. 3.15 Dämpfung, Amplitude und Last-Verlagerungsverhalten einer hydrostatischen Spindellagerung [Hoff1966]

Weitere Arbeiten, u. a. von Erich Dittrich über die „Untersuchung hydrostatischer Lager mit gesteuerter und geregelter Ölzufuhr“ [Ditt1967], befassen sich mit den für hydrostatische Lagerungen entscheidenden Drosselverfahren und den dafür erforderlichen Bauteilen. Besonderes Augenmerk gilt dabei den lastabhängigen Membrandrosseln, die als Vorläufer von Servoventilen für den Einsatz in hydrostatischen Lagerungen erprobt werden. Hierfür leitet er auch erstmals regelungstechnische Ansätze her und zeigt, dass eine bestimmte Durchflussmenge nicht überschritten werden darf, um selbsterregte Schwingungen zu vermeiden. Weiterhin kann nachgewiesen werden, dass für eine einwandfreie Funktion der Membrandrosseln steife Umbauteile erforderlich sind. Die Berechnungsvorschriften zum statischen und dynamischen Verhalten hydrostatischer Spindellager werden bereits Anfang der 1970er Jahre in den Arbeiten von Walter Mießen in Optimierungsroutinen für die ersten Digitalrechner zusammengefasst. In seiner Dissertation über die Berechnung des statischen und dynamischen Verhaltens hydrostatischer Spindellagersysteme [Mieß1973] berücksichtigt Mießen neben den bekannten Berechnungsverfahren auch die Spindelschiefstellung, die entscheidenden Einfluss auf die Lagersteifigkeiten haben kann. Mittels der entwickelten Optimierungsroutinen kann eine Lagerauslegung gefunden werden, die eine erforderliche Mindeststeifigkeit bei geringster Verlustleistung aufweist. Darüber hinaus können die Nachgiebigkeitsortskurven für jeden Spindelpunkt, die Resonanzfrequenz, die Resonanzamplitude und die Systemdämpfung ermittelt werden.

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3. Maschinenelemente und -komponenten (ab 1940)

Abb. 3.16 Aufbau und Blockschaltbild einer hydrostatischen Lagerung mit Membrandrossel [Ditt1967]

Reinhard Böttcher liefert 1968 einen weiteren Beitrag zur Berechnung der dynamischen Eigenschaften. Er arbeitet die grundlegenden Unterschiede im dynamischen Verhalten von Wälz- und hydrostatischen Spindellagerungen [Bött1968] heraus. Insbesondere weist er den Einfluss der nachgiebigen Ölsäule auf das dynamische Verhalten nach. Während die Erhöhung der statischen Steifigkeiten das Systemverhalten nur unwesentlich beeinflusst, kann durch Erhöhung der Abströmlängen, durch Verringerung der Spalthöhen oder durch höher viskose Öle die Dämpfung im System gesteigert werden. Die Arbeiten bilden die theoretische Grundlage zur Erstellung von Analogrechnerprogrammen, die die dynamische Auslegung und Optimierung der Lagerungen ermöglichen.

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Abb. 3.17 Berechnete Schwingungsformen und Ortskurve eines hydrostatischen Spindellager-Systems [Mieß1973]

Abb. 3.18 Systemdämpfung und Resonanzamplitude in Abhängigkeit der Spalthöhe eines hydrostatischen Spindellagers [Bött1968]

3.4 Linearführungen und Führungssysteme Wolfgang Jordan widmet sich schon Anfang der 1940er Jahre dem Verschleiß gusseiserner Gleitführungen und ihrer Neigung zu Anfressungen [Jord1940], den primären Einflussfaktoren auf Verschleiß und Anfressungen von Gleitführungen aus Gusseisen

3. Maschinenelemente und -komponenten (ab 1940)

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und dabei insbesondere den eingesetzten Werkstoffen sowie der Oberflächenbeschaffenheit der Gleitflächen. Die Ergebnisse dieser Arbeit stellen eine allgemeine Richtlinie zur Vermeidung der auf die Gebrauchsdauer einer Werkzeugmaschine signifikant einwirkenden Beanspruchungen dar. Die Untersuchungen am WZL belegen die Überlegenheit der im Sandguss gefertigten Bauteile und liefern sowohl wichtige Erkenntnisse bezüglich der Oberflächenhärte als auch des zu bevorzugenden Oberflächenbearbeitungsverfahrens. Insbesondere kann Jordan den positiven Effekt von tragenden und nichtragenden Flächenelementen auf das Verschleiß- und Anfressverhalten gusseisener Führungen darstellen. Knapp zwanzig Jahre später beleuchtet Adyanath Karmakar die Problematik der Auslegung von Gleitführungen [Karm1961]. Seine Untersuchungen stellen die Klärung der Einflussfaktoren zur funktionsgerechten Konstruktionsberechnung von im Grenzund Mischreibungsgebiet betriebenen Gleitführungen – bis dahin nur bruchstückhaft bekannt – in den Vordergrund. Während sich Jordans Arbeit ausnahmslos gusseisernen Gleitführungen widmet, können jetzt weitere, nichtmetallische Werkstoffe, wie z. B. Kunststoffe, berücksichtigt werden. Des Weiteren bezieht er den Einfluss diverser Schmieröle sowie verschiedener Oberflächenbearbeitungsverfahren in die Versuche mit ein. Die Versuchsergebnisse liefern dem Konstrukteur wertvolle Informationen hinsichtlich des Reibverhaltens verschiedener Oberflächentopologien in Abhängigkeit von den eingesetzten Werkstoffen und Schmierölen.

Abb. 3.19 Vergleich der Reibwerte unterschiedlicher Materialpaarungen [Karm1961]

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Vertieft wird diese Thematik am WZL von Dietrich Domrös. In seiner Dissertation „Über das Verschleiß- und Reibungsverhalten von Werkzeugmaschinen-Gleitführungen“ [Domr1966] betrachtet er auch den Einfluss des Verschleißes auf die Führungsgenauigkeit. Die auf einem Verschleißprüfstand durchgeführten Langzeitversuche gestatten eine Beobachtung der Auswirkungen des Verschleißes auf die Gleiteigenschaften. Die Variationen der Gleitwerkstoffe und Schmierstoffe sowie z. B. der Versuchsparameter Gleitgeschwindigkeit, Oberflächenkenngrößen und Bearbeitungsverfahren liefern wichtige Hinweise auf das Reibverhalten der Führungssysteme. Die erarbeiteten Erkenntnisse zur Auswahl des geeigneten Schmierstoffes und die Betrachtung des in der Praxis unvermeidbaren Einflusses von Schmutzpartikeln auf das Führungssystem runden das für den Konstrukteur als auch für den Maschinenbetreiber interessante Datenmaterial ab.

Abb. 3.20 Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten von der Gleitgeschwindigkeit bei geschliffenen und gefrästen Gleitflächen [Dom1966]

Ein Modell zur Beschreibung des Reibungsverhaltens von Gleitführungen unter Mischreibungsbedingungen entwickelt Bert Bongartz [Bong1970]. Basierend auf der Beschreibung der Mechanismen, aus denen sich Trag- und Reibkraftkomponenten für einen Maschinenschlitten ergeben, entwickelte Bongartz ein Rechnerprogramm zur Simulation des Reibungsverhaltens. Die experimentell bestätigten Ergebnisse des theoretischen Ansatzes geben erstmals einen umfassenden Überblick über die Zusammenhänge der Mischreibung an Gleitführungen. Diese Resultate ermöglichen dem Anwender bzw. Konstrukteur, die Auswirkung gewählter Systemparameter auf das Reibungsverhalten zu untersuchen sowie eine Optimierung des Gesamtverhaltens des Führungssystems vorzunehmen.

3. Maschinenelemente und -komponenten (ab 1940)

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Abb. 3.21 Reibungskoeffizienten unterschiedlich bearbeiteter GraugussProbenpaarungen [Rink1985]

Unter dem Titel „Tribologische Eigenschaften von Werkzeugmaschinen-Gleitführungen“ [Rink1985] untersucht Ulrich Rinker den Einfluss unterschiedlicher Fertigungsverfahren auf die Reibungs- und Verschleißeigenschaften von Gleitführungen. Neben metallischen Führungen umfasst seine Arbeit auch kunststoffbeschichtete Gleitführungen. Zur systematischen Beurteilung des Einflusses des gewählten Fertigungsverfahrens auf das Reibverhalten findet Rinker ein Berechnungsverfahren basierend auf der Theorie von Hertz sowie der hydrodynamischen Theorie. Aus der Vielzahl der umfangreichen experimentellen und theoretischen Untersuchungen sei hier nur als herausragendes Ergebnis der signifikante Einfluss der Bearbeitungsrichtung auf das Reibungs- und Verschleißverhalten genannt. Einen für die Praxis wichtigen Aspekt stellt die Nennung von Gleitpaarungen mit günstigem Reibungs- und Verschleißverhalten dar. Mit Günter Porschs Arbeit „Über die Steifigkeit hydrostatischer Führungen unter besonderer Berücksichtigung eines Umgriffs“ [Pors1969] gelingt es dem WZL 1969 erstmalig, dem Konstrukteur allgemeingültige Berechnungsgrundlagen zur Auslegung von hydrostatischen Führungssystemen mit Umgriff bereitzustellen. Bei den Untersuchungen werden die in der Praxis am häufigsten angewendeten Ölversorgungssyste-

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me „1 Pumpe pro Tasche“ sowie „eine gemeinsame Pumpe mit Kapillaren“ berücksichtigt. Durch die Darstellung des Drosselverhaltens der Lagertaschen als Widerstände – in Anlehnung an elektrische Widerstände – konnten Fehler bei den bis dahin bekannten Näherungsverfahren zur Berechnung der effektiven Fläche und des Taschenwiderstandes reduziert werden. Zur Berechnung von statisch unbestimmten Führungssystemen konstruiert Porsch ein Nährungsverfahren, das die Voraussetzung für die Ermittlung der Verlagerungen und Schiefstellungen von hydrostatischen Tischführungen unter beliebiger Belastung schafft.

Abb. 3.22 Verlagerung hydrostatischer Führungen mit Umgriff für verschiedene Drossel- und Flächenverhältnisse (System ‚pP=konst.‘) [Pors1969]

Die infolge von Fertigungsfehlern und Verformungen der Führungsbahnen an Werkzeugmaschinen auftretenden Arbeitsungenauigkeiten können beim Einsatz von hydrostatischen Führungen durch die Regelung der zugeführten Ölmenge teilweise kompensiert werden. Die umfassende Darstellung dieser Thematik und deren Lösung erfolgt in der Dissertation „Hydrostatische Lageregelung zur genauen Führung von Werkzeugmaschinenschlitten“ [Effe1970] von Wolfgang Effenberger. Im Rahmen seiner Arbeit ermittelt er die Eigenschaften der Lageregelung an Werkzeugmaschinenschlitten experimentell und stellt ein Verfahren zu dessen mathematischer Beschreibung bereit. Die an einem Schlittenprüfstand durchgeführten Untersuchungen bestätigen die entwickelten Berechnungsverfahren. Diese konnten so allgemein gefasst werden, dass deren Anwendung auch für wälzgeführte Systeme möglich ist. Effenberger zeigt, dass durch den Einsatz von Führungen mit Umgriff die dynamische Steifigkeit und der Regelfaktor wesentlich verbessert werden. Jedoch ist für die Anwendung einer Lageregelung eine ausreichende Steifigkeit der Führungsbahnen sicherzustellen. In jüngeren Arbeiten werden die Untersuchungen an hydrostatischen Führungen fortgesetzt. So befasst sich Markus Winterschladen mit der Untersuchung des Betriebs-

3. Maschinenelemente und -komponenten (ab 1940)

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verhaltens strukturierter Lagerflächen.3 Im Gegensatz zu konventionellen Lagertaschen wird in die Tragfläche der Führung lediglich eine feine Mikrostruktur eingebracht, die den zugeführten Pumpenvolumenstrom drosselt. Damit kann auf zusätzliche, externe Kapillare verzichtet werden. Die Umsetzung dieses Lagerverfahrens findet sich erstmalig in einer hochdynamischen Werkzeugverstelleinheit, dem FastTool-Servo, mit dem hochgenaue Oberflächen im Drehverfahren gefertigt werden können. Falco Paepenmüller kombiniert die guten Dämpfungseigenschaften der hydrostatischen Führungen mit der modularen Bauweise der genormten Profilschienen-Wälzführungssysteme.4 Er erläutert, dass eine kompakte hydrostatische Profilschienenführung realisierbar ist, die durch identische Anschlussmaße die Austauschbarkeit mit Wälzführungen gewährleistet und bei akzeptablen Steifigkeitseigenschaften eine deutliche Steigerung des Dämpfungsvermögens ermöglicht. Diese Eigenschaften machen die Führung als Austauschsystem für schwingungskritische wälzgeführte Anwendungen interessant. Mit den sich inzwischen in vielen Anwendungsbereichen als Standard-Führungssystem etablierten Wälzführungen beschäftigt sich Hakan Ispaylar in seiner Dissertation „Betriebseigenschaften von Profilschienen-Wälzführungen“ [Ispa1996]. Sein Ziel ist u. a. die experimentelle Erfassung der Kennwerte zur Beschreibung der Steifigkeit, Dämpfung, Reibung und Laufruhe sowie die Erarbeitung einer umfassenden Darstellung der Steifigkeitskennwerte für die wichtigsten auf dem Markt angebotenen Elementtypen. Bei den umfangreichen messtechnischen Untersuchungen werden alle relevanten Einflussfaktoren, wie Belastungsart, Anzahl der Wälzkörperreihen, Baugröße, Vorspannung und die Art der Verschraubung, variiert und ihre Auswirkung auf das Führungsverhalten analysiert. Als ein Ergebnis der dynamischen Untersuchungen sei an dieser Stelle auf die geringe Dämpfung der Wälzführungen hingewiesen, die durch den Einsatz von Dämpfungswagen deutlich erhöht werden kann. Die stetig steigenden Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Werkzeugmaschinen führen Anfang der 1980er Jahre zum ersten Einsatz von Linearmotoren als Achsvorschubantriebe. Zur Nutzung der hohen Dynamik dieser linearen Direktantriebe sind steifere Maschinenkonstruktionen und -komponenten bei gleichzeitiger hoher Dämpfung erforderlich. In seiner Dissertation über Lineare Magnetführung für direktangetriebene Vorschubachsen [Wahn2002] entwickelt Ulrich Wahner ein detailliertes Modell für eine Vorschubachse mit linearer Magnetführung und Linear-Synchronmotor. Wahner zeigt erstmals am Beispiel eines horizontalen Tisches realer Größe, dass die Führung den Anforderungen der Praxis voll genügen kann. Permanentmagnete übernehmen einen Großteil der statischen Gewichtskraft, so dass die Elektromagnete in Form einer Mehrgrößenregelung lediglich die dynamischen

3

Development of Hydrostatic Bearings with Groove Structures. Proceedings of 10th ICPE, Yokohama, Japan 2001. 4 Development of a Hydrostatic Linear Guidance based on the Design of Ball Bearing Guidance. Abstract Euspen Conference 2003.

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Abb. 3.23 Steifigkeitskennwerte unterschiedlicher Profilschienenführungen und Varianten von Führungswagen mit gesteigerten Dämpfungseigenschaften [Ispa1996]

Verlagerungen auszugleichen haben. Trotz des Vorteils der völligen Berührfreiheit des Tisches zum Maschinenbett, was hohe Tischgeschwindigkeiten erlaubt, ist die Umsetzung in die Praxis aufgrund hoher Kosten bisher nicht gelungen. 3.5 Werkzeugschnittstellen Der SK, langjährige bewährte Standardschnittstelle bei Fräswerkzeugen, hat einen gravierenden Nachteil. Die axiale Position des Werkzeugs relativ zur Spindelnase ist aufgrund von Maßtoleranzen von Werkzeugkegel und Spindelbohrung nicht

3. Maschinenelemente und -komponenten (ab 1940)

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Abb. 3.24 Vorschubachse mit linearer Magnetführung und synchronem Direktantrieb [Wahn2002]

ausreichend genau einzuhalten. Hinzu kommen thermische Einflüsse der sich ändernden Spindel- und Werkzeugtemperaturen beim Werkzeugwechsel. Die Anwender fordern Mitte der 1980er Jahre eine Schnittstelle, die eine genaue axiale Position des Werkzeugs garantiert. Bevorzugt wird eine Werkzeugschnittstelle mit Plananlage, wobei die gute Zentrierung des SKs erhalten bleiben soll. Die verschiedenen Werkzeughersteller mit ihren firmeneigenen zylinderförmigen, polygonförmigen und kegeligen Werkzeugschnittstellen schicken sich an, jeweils ihre Lösung auch als Spindelschnittstelle auf den Markt zu bringen. In Anbetracht dieser chaotischen Situation schlägt das WZL dem VDW einen Arbeitskreis vor, der eine zu standardisierende Schnittstelle definieren soll, die den Anforderungen der Praxis genügt. Sie soll von allen Werkzeugherstellern als Normungsvorschlag akzeptiert werden, um die Entwicklung firmeneigener Lösungen zu beenden. Dieses mit den Eigeninteressen der Werkzeughersteller zu vereinbaren, stellt eine durchaus schwierige Aufgabe dar. Untersuchungen des WZL zeigen, dass der von der Firma Gühring entwickelte HSK die besten Voraussetzungen hinsichtlich der geforderten Eigenschaften hat. Er besitzt eine Plananlage und sein Hohlkegel ist radial elastisch verformbar. Eine ausreichende Zentrierung und gleichzeitig eine genaue axiale Positionierung des Werkzeugs ist damit gegeben. Nach langwierigen Verhandlungen verzichtet die Firma Gühring auf ihren Patentanspruch. Somit sind die Voraussetzungen für die angestrebte Normung geschaffen. Nun ist der Weg frei, gemeinsam mit dem Arbeitskreis die Gühringsche Lösung zu optimieren und für die unterschiedlichen Anwendungsfälle (Hochlastbereich

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bzw. Hochgeschwindigkeitsbereich) zu modifizieren. In langjährigen Arbeiten (bis 2004) wird diese Aufgabe vom WZL zu Ende geführt. Heute ist der HSK ein internationaler Standard geworden, der sich in der Praxis bewährt hat. Die Grundlagen zum Thema „Untersuchung der Gestaltungsmöglichkeiten für die Schnittstelle Maschine/Werkzeug“ erarbeitet Dietrich Lembke [Lemb1993]. Er befasst sich in seiner Arbeit mit vergleichenden Untersuchungen an unterschiedlichsten Werkzeugschnittstellen, wie SK, Zylinderschaft, HSK und Polygonschaft, um die optimale Gestaltung einer Werkzeugschnittstelle bestimmen zu können. Zunächst werden insbesondere die grundlegenden Schnittstelleneigenschaften hinsichtlich statischer und dynamischer Steifigkeiten sowie der Einwechselgenauigkeiten analysiert. Hierbei können erstmals die besonderen Vorzüge des HSK gegenüber anderen Schnittstellenkonzepten nachgewiesen werden. Auf der Basis der Untersuchungen stellt Lembke schließlich einen vereinheitlichten Konstruktionsentwurf für HSK-Schnittstellen vor, der die Basis für die heute gängigen HSK-Schnittstellen bildet.

Abb. 3.25 HSK-Testwerkzeuge der 1. Generation mit Hohlschäften unterschiedlicher Gestaltung [Lemb1993]

Aufbauend auf den Arbeiten von Lembke untersucht Ingo Schubert Mitte der 1990er Jahre das Verhalten der Schnittstellen hinsichtlich maximaler Belastungen. In seiner Arbeit „Grenzlastverhalten von Schnittstellen zwischen Maschine und Werkzeug“ [Schu1994] wird das Leistungsvermögen der HSK- und SK-Schnittstellen hinsichtlich Drehzahlgrenzen und maximalen Belastbarkeiten analysiert. Schubert erarbeitet die für Maschinenhersteller und Anwender besonders wichtigen Kenngrößen zum Abhebemoment, zu Grenztorsionsmomenten und zu der maximal zulässigen Drehzahl. Auch für diese Kennwerte kann Schubert die Überlegenheit des HSK nachweisen. Abschließend widmet sich Thomas Reinartz den noch offenen Fragen insbesondere im Hinblick auf die Drehzahlgrenzen der unterschiedlichen HSK-Varianten.5 Mit

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Determination of the Maximum Load Capacity of HSK Interfaces. WGP-Annals 2003.

3. Maschinenelemente und -komponenten (ab 1940)

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Hilfe von FE-Berechnungen und in Abhängigkeit der HSK- bzw. Spindeltoleranzfelder definiert Reinartz zulässige Grenzdrehzahlen, bei denen ein betriebssicherer

Abb. 3.26 HSK-Grenztorsionsmomente bei statischer und dynamischer Belastung [Schu1994]

Einsatz des HSK möglich ist. Hierbei zeigt sich, dass die speziell für hohe Drehzahlen entwickelten HSK-Varianten auch in den aktuellen Hochgeschwindigkeitsspindeln mit bis zu 35.000 U/min sicher zu betreiben sind. Die Ergebnisse des Arbeitskreises und der Forschungsarbeiten münden 1996 in Normen zur HSK-Schnittstelle DIN 69893/69063, an deren Erstellung das WZL maßgeblich beteiligt ist. Die deutsche Normung ebnet den Weg für die internationale Verbreitung der HSK-Schnittstelle und führt 2001 zu der internationalen Norm ISO 12164. Für die Praxis befindet sich zudem ein VDMA-Einheitsblatt zum HSK in Vorbereitung, das vom WZL erstellt wird und dem Anwender Orientierungshilfen hinsichtlich maximaler Belastungen und Drehzahlen zur Verfügung stellt. 3.6 Vorschubgetriebe und Zahnriemengetriebe In NC-gesteuerten Werkzeugmaschinen sind anfänglich für Vorschubantriebe häufig Anpassgetriebe vorgesehen, die zwischen Kugelgewindetrieb und Motor angeordnet sind. Aus wirtschaftlichen Gründen werden hierzu häufig Zahnriementriebe verwendet. Das WZL erkennt in den 1990er Jahren die Geräuschentwicklung der Zahnriemenantriebe als einen großen Nachteil und nimmt sich dieses Problems an. Ulrich Jansen befasst sich mit den Einflussfaktoren auf die Geräuschentstehung bei

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Zahnriementrieben [Jans1990] und kann insbesondere das Aufschlaggeräusch des Riemens auf der Riemenscheibe als Hauptschallquelle identifizieren. Es entsteht durch die Anregung der in den Zahnlücken eingeschlossenen Luft. Durch die Modifikation der Riemenkonstruktion mit Dämpfungsbelägen können Pegelabsenkungen von bis zu 10 dB(A) erreicht werden. Darüber hinaus stellt er weitere Modifikationsmöglichkeiten vor und erprobt die Verwendung von Helmholtz-Resonatoren zur Geräuschminderung. Die Ergebnisse seiner Arbeit setzt die Industrie heute ein. Durch den hohen Produktivitätszuwachs von Maschine und Anlagen zum Ende des 20. Jahrhunderts rückt das Emissionsverhalten von Werkzeugmaschinenantrieben und der Immisionsschutz aufgrund vieler lärmbedingter Erkrankungen in den Blickpunkt. Am WZL greift Wolfgang Brey dieses Thema in seiner Dissertationsschrift „Geräusch- und Schwingungsverhalten von Werkzeugmaschinenantrieben unter Berücksichtigung von Zahnflankenspiel“ [Brey1983] auf. Hier geht er den Wechselwirkungen innerhalb des Antriebs nach und analysiert die Einflüsse des Regel- und Betriebsverhaltens der einzelnen Baugruppen auf das Geräuschverhalten, insbesondere auf das Auftreten von Klappergeräuschen. Brey führt dazu Frequenzanalysen der Schallsignale aus. Die Frequenzanteile lassen Rückschlüsse auf Welligkeiten der motorseitigen Gleichspannung und des Gleichstromes infolge der Thyristoransteuerung zu, die mit steigender Welligkeit betriebszustandsabhängig zunimmt. Ebenso erörtert er den Einfluss der Drehzahlregelung auf das Zahnflankenabheben und auf die daraus resultierenden Klappergeräusche. Brey kann nachweisen, dass der Schmalkeilriementrieb, der Drehschwingungen in den Antriebsstrang einleitet, das Geräuschverhalten negativ beeinflusst. Die Drehschwingungen sind auf lokale Steifigkeitsunterschiede im Riemen zurückzuführen. Abschließend stellt Brey konstruktive Abhilfemaßnahmen vor, um die Geräuschemissionen zu reduzieren. Heute werden die Vorschubmotoren häufig direkt, d. h. ohne Zwischengetriebe, an die mechanischen Antriebselemente, z. B. Kugelrollspindeln, angekoppelt, so dass diese Getriebe an Bedeutung verloren haben.

4

Antriebstechnik – elektrische, hydraulische und pneumatische Antriebe (ab 1946) CHRISTIAN BRECHER, THORSTEN OSTERMANN, MANFRED WECK

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CHRISTIAN BRECHER, THORSTEN OSTERMANN, MANFRED WECK

Gliederung 4.1 Einleitung 4.2 Nachformsysteme 4.3 Hydraulische Antriebe 4.4 Schrittmotoren und Gleichstrommotoren 4.5 Mechanische Elemente von Vorschubantrieben 4.6 Sonderanwendungen 4.7 Regelung, Vorschubdynamik, Genauigkeit

4. Antriebstechnik (ab 1946)

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4.1 Einleitung Vorschubantriebe erzeugen die präzise Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück. Die Anforderungen an ihre Genauigkeit und Dynamik sind sehr hoch und steigen mit den zunehmenden Schnittgeschwindigkeiten aufgrund der Werkzeugentwicklung ständig weiter. Doch was heute mit NC-Steuerung relativ einfach zu lösen ist, musste vor der Einführung der NC noch durch elektrische und hydraulische Nachformsteuerungen (Kopiersteuerungen) gelöst werden. Die geometrischen Informationen sind für eine 2-Achsaufgabe (Drehen) in Form einer Schablone und für räumliche 3-Achsaufgaben in Form eines 3D-Modells abgespeichert. Schablone bzw. Modell werden abgescannt und abgetastet. Die Abtastbewegung des Fühlers wird mit Hilfe eines Servosystems auf die Werkzeugbewegung übertragen. Mit der NC-Technik, die nach einer Idee von Parson im Jahre 1952 am MIT entsteht, verlieren die hydraulischen Nachformsysteme nach und nach an Bedeutung. Schrittmotoren, Gleichstrommotoren und neuerdings Synchronmotoren sowie Lineardirektantriebe übernehmen die Antriebsaufgabe. Die im Regelkreis gefahrenen Antriebe sind seitdem im Visier der Forscher, besonders im Hinblick auf die Verbesserung ihrer Dynamik. Daran hat sich bis heute nichts geändert. 4.2 Nachformsysteme Am WZL beschäftigt sich Josef Broichhausen 1946 erstmals mit der „Hydraulik beim Bau spanabhebender Werkzeugmaschinen“ [Broi1946]. Er verfolgt das Ziel, die wesentlichen Eigenschaften und Anwendungsfelder von hydraulischen Getrieben im Werkzeugmaschinenbau aufzuzeigen. Die Hydraulik setzt man besonders für Vorschubantriebe von Mehrspindelautomaten ein, wobei es möglich ist, auf unterschiedliche Werkzeuge umzustellen, ohne neue Steuerkurven einsetzen zu müssen. Ein weiterer Vorteil besteht im einfachen und übersichtlichen Aufbau, der auch schwierigere Arbeitsabläufe gestattet. Ein weiteres Anwendungsgebiet sieht Broichhausen in der Schleiftechnik, wo sich durch hydraulische Antriebe hervorragende, ratterfreie Oberflächen erzeugen lassen. Neuentwicklungen sieht er in der Elektrohydraulik, die vorrangig im Ausland in Erscheinung tritt und fertigungstechnische Vorteile bezüglich der Integration von Pumpen, Regeleinrichtungen, Schiebern, Ventilen und Steuerleitungen in eine Einheit bietet. Nachteilig sind jedoch die hohen Systemkosten und der geringe mechanische Wirkungsgrad, der die Hydraulik für Hauptantriebe unwirtschaftlich macht. Hier sieht Broichhausen bereits ein Einsatzgebiet des regelbaren Drehstrommotors (Elektroantrieb). Wolfgang Backé [Back1959] analysiert stetige und unstetige Nachformsysteme im Hinblick auf eine Verbesserung der Oberflächengüte des Werkstücks, der Genauigkeit und der dynamischen Stabilität von Drehmaschinen. Er stellt fest, dass es möglich ist, den Lagefehler durch eine höhere Kraftverstärkung zu reduzieren. Die höhere Auslegung der Systemkonstanten, vor allem der Geschwindigkeitsverstärkung hat jedoch zur Folge, dass die Gefahr der dynamischen Instabilität zunimmt (Abb. 4.1). Die Ursache dafür liegt in den Nachgiebigkeiten der Elemente des Systems Taster-Steuerorgan, wobei Prellschwingungen ein besonderes Problem darstellen. Ferner stellt man

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Lösungsvorschläge zur Stabilisierung auf, wobei die Totzeit als die wichtigste Systemgröße identifiziert wird.

Abb. 4.1 Versuchsaufbau zur Messung an dynamisch instabilen Systemen [Back1959]

Unstetige elektromechanische Nachformsysteme für Werkzeugmaschinen und ihre Bauelemente sind Gegenstand der Dissertation von Hans-Hermann Herold [Hero1961]. Er analysiert die Nachformfehler und die Stabilitätskriterien, um dann aus diesen Betrachtungen Forderungen zu formulieren, die das Verhalten von Nachformsystemen positiv beeinflussen sollen. Herold identifiziert die Schaltamplitude, den Lagefehler und die Arbeitsbewegung als die Komponenten, aus denen sich der Nachformfehler zusammensetzt. Dies führt zur Entwicklung eines stetig arbeitenden Fühlers mit nachgeschaltetem Analog-Digital-Umsetzer, der den Lagefehler und somit auch den Nachformfehler vermindert. Unstetigkeiten bewirken jedoch, dass das Regelverhalten rechnerisch nicht exakt erfassbar ist. Wissenschaftliche Untersuchungen zu Einzelkomponenten in der hydraulischen Antriebstechnik prägen die weitere Entwicklung. So werden beispielsweise in der Dissertation von Eckhard Brangs „Axialkolbenpumpen mit ebenem Steuerspiegel“ [Bran1965] untersucht, die als Energiewandler in ölhydraulischen Steuerungen und Antrieben eingesetzt werden. Brangs befasst sich mit der Auslegung von Komponenten einer Axialkolbenpumpe mit ebenem Steuerspiegel in Bezug auf eine hohe erreichbare

4. Antriebstechnik (ab 1946)

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Lebensdauer und eine optimale Betriebsweise. Dabei untersucht er rechnerisch und experimentell die Beanspruchungsarten, wie Pulsation des Förderstroms und Druckverläufe, die maßgeblich für das Pumpengeräusch verantwortlich sind. Ausgehend vom Kompressionsgesetz für Flüssigkeiten stellt Brangs Rechenmethoden auf, die die Umsteuervorgänge innerhalb der Pumpe ermöglichen. Des Weiteren erfolgt in der Dissertation die rechnerische Auslegung des Steuerspiegels im Hinblick auf Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit sowie die Berechnung der Leistungsverluste am Kolben und die Optimierung der Betriebsverhältnisse. Ein Jahr nach Brangs Dissertation befasst sich Herwig Fischbeck mit hydraulischen Steuer- und Regelkreisen [Fisc1966]. In seiner Arbeit untersucht Fischbeck die dynamischen Vorgänge an Steuerschiebern (veränderliche Drosselwiderstände), das Übertragungsverhalten der hydraulischen Leitungen und des Steuerschiebers sowie die Strömungskräfte bei dynamischen Betriebsbedingungen. Fischbecks Ergebnisse zeigen, dass das Übertragungsverhalten im Bereich kleiner Änderungen mit hinreichender Genauigkeit durch statische Kenngrößen für den Steuerschieber und geeignete Ersatzwiderstände für die am Steuerschieber angeschlossenen Bauelemente berechnen lässt. Das Folgeverhalten elektrohydraulischer Kopiersysteme bei hohen Kopiergeschwindigkeiten beschäftigt Adolf Schmitt [Schm1966]. Beim Unrundkopieren verursachen hohe Geschwindigkeiten einen hohen Geschwindigkeitsfehler und zusätzliche dynamische Fehler. Das Ziel seiner Untersuchungen ist es, geeignete Rückführgrößen an elektrohydraulische Kopiersteuerungen und deren Einfluss auf die Stabilität zu ermitteln. Die Rückführung der Antriebsgeschwindigkeits- bzw. der Antriebsbeschleunigungswerte auf den Systemeingang bewirkt eine Systemstabilisierung bezüglich seiner Dynamik. Zudem gelingt es Schmitt, den Nachweis des systematischen Einflusses von Drehzahl, Kreisverstärkung und der Rückführungskonstanten auf den Profilfehler zu erbringen. Ferner ermittelt Schmitt eine lineare Näherungsdifferentialgleichung, die kennzeichnende Stabilitätskriterien angibt. 4.3 Hydraulische Antriebe Die nachfolgenden Arbeiten zur Thematik der Vorschubantriebe tragen zur rasanten Entwicklung im Bereich der Werkzeugmaschinen und damit zu steigenden Anforderungen an die mechanischen Komponenten bei. Dabei gewinnt das dynamische Verhalten der elektrohydraulischen Antriebe und der Regelungstechnik immer mehr an Bedeutung. Die fortlaufende Entwicklung leistungsfähigerer Schneidstoffe führt zu größeren Schnitt- und damit Vorschubgeschwindigkeiten. Somit steigen auch die Anforderungen an das Folgesystem, insbesondere an das Stellglied. Hydraulische Maschinen kommen nun aufgrund ihrer Reaktionsgeschwindigkeit und der großen spezifischen Leistung stärker zum Einsatz. Damit rücken auch die dynamischen Eigenschaften hydraulischer Vorschubmotoren für Werkzeugmaschinen in den Blickpunkt der Forschung. Hans Uhrmeister verfasst dazu 1960 eine umfangreiche Untersuchung [Uhrm1960]. Die Dissertation von Gerhard Friedrich beschäftigt sich mit den „Eigenschaften elektrohydraulischer Vorschubantriebe im Bereich kleiner Drehzahlen“ [Frie1965]. Hier-

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bei zeigt Friedrich die Eigenschaften der Einzelkomponenten Servoventil und Hydromotor auf und untersucht ihren Einfluss auf das dynamische Verhalten des gesamten Antriebsstranges rechnerisch und experimentell für einen bestimmten Arbeitspunkt. Die nichtlineare Durchfluss-Druck-Kennlinie der Servoventile kann damit linearisiert werden. Anschließend wird die offene Steuerkette Servoventil-Hydromotor unter Berücksichtigung des Systemkennwertes Umkehrspanne behandelt. Friedrich zeigt, wie sich die Systemdämpfung erhöhen lässt, um auch bei geringen Drehzahlen Stabilität zu gewährleisten, die aufgrund negativer Differenzdruckkennlinien von Hydromotoren im Normalfall zu Systeminstabilitäten führt. Eine Erweiterung der Arbeit von Friedrich stellt die Dissertation von Jochen Lück dar. In seiner Arbeit über „Einflußgrößen auf das Zeitverhalten elektrohydraulischer Vorschubantriebe“ [Lück1968] führt Lück die Entwicklung eines Rechenmodells zur Beschreibung der Nichtlinearität von Servoventilen und Hydromotoren für den Einsatz als Vorschubantrieb von Werkzeugmaschinen durch. Das Zeitverhalten der Ventile wird dabei mit Hilfe von Frequenzgängen ermittelt. Das Verhalten des Hydromotors kann in guter Näherung durch die hydraulische Resonanzfrequenz und den Dämpfungsgrad beschrieben werden. An einem idealisierten System Ventil-Motor werden die physikalischen Grenzen hydraulischer Vorschubantriebe gezeigt, die zum einen durch die am Motor verfügbare Leistung und zum anderen durch die Maximalbeschleunigung gekennzeichnet sind. Die Hochlaufzeitkonstante bestimmt dabei zusammen mit der Kreisverstärkung die maximale Regelabweichung des Lageregelkreises des Vorschubantriebs. Lück nimmt eine detaillierte dynamische Untersuchung der einzelnen mechanischen Übertragungsglieder vor, die von einem Abgleich zwischen rechnerisch ermittelten und gemessenen Frequenzgängen begleitet wird. 4.4 Schrittmotoren und Gleichstrommotoren Bis 1965 ist die Eignung von Schrittmotoren als Antrieb für Werkzeugmaschinen nicht eingehend untersucht. Josef Derichs’ „Untersuchung an Schrittmotoren“ [Deri1965] am WZL bringt erste Ergebnisse auf diesem Gebiet. Er beleuchtet den Aufbau und die Wirkungsweise sowie das dynamische Verhalten von Servo- und Leistungsschrittmotoren. Derichs stellt fest, dass die gewünschte Genauigkeit zwar erzielt wird, jedoch Geschwindigkeit und Drehmoment noch unzureichend sind. Somit ist eine genaue Kenntnis der Leistungsfähigkeit und der Arbeitsbereiche erforderlich, um Schrittmotoren erfolgreich einzusetzen. Der Anwendungsbereich liegt vorwiegend im Servobetrieb. Derichs schlägt vor, Schrittmotoren mit hydraulischem Drehmomentverstärker für NC-Werkzeugmaschinen zu kombinieren, um den wirtschaftlich vorteilhafteren, einfachen Aufbau der Schrittmotorsysteme zu nutzen (Abb. 4.2). Die Arbeit „Thyristorgesteuerte Impulsgeneratoren und Probleme der Vorschubregelung bei der elektroerosiven Bearbeitung“ [Weig1966] von Wolfgang Weigand befasst sich mit dem Aufbau und der Dimensionierung eines frei einstellbaren Thyristor-Impulsgenerators und dessen Regelsteuerung, insbesondere aber mit der Regelkreisstabilität. Dabei überprüft Weigand den möglichen Einsatz von Schrittmotoren und stellt fest, dass Hydraulikmotoren quantitativ häufiger eingesetzt werden. Weiterhin erkennt er, dass die genaue Dimensionierung von Einzelelementen nur mit Kenntnis

4. Antriebstechnik (ab 1946)

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Abb. 4.2 Aufbau und Wirkungsweise eines hydraulischen Drehmomentverstärkers [Deri1965]

aller wichtigen Kenngrößen möglich ist. Da in der Arbeit Werkzeugmaschinen zur elektroerosiven Bearbeitung relevant sind, leitet Weigand auch eine Messgröße „Erosion“ ab. Seine Bemühungen bringen ein Steuergerät hervor, das eine Anpassung an unterschiedliche Bearbeitungsprobleme ermöglicht. Abschließend stellt Weigand eine Methodik vor, mit der aus verschiedenen Bezugsgrößen die Güte einer Vorschubregelung errechnet wird, so dass ein messtechnischer Vergleich verschiedener Antriebe möglich ist (Abb. 4.3). Auch in der Dissertation von Volker Meyringer werden „Elektrische Schrittmotoren“ [Meyr1968] untersucht. Zweck ist es, die Eignung von Schrittmotoren als Stellelement nachzuweisen. Da keine einfachen mathematischen Formeln zur Errechnung der Momentencharakteristik und des dynamischen Verhaltens existieren, arbeitet Meyringer mit Kennlinien, die die Daten ohne die Abhängigkeit der Strom-Zeit-Verläufe von Motor und Ansteuergerät zurückgeben. Die Normierung dieser Kennlinien führt dazu, dass man verschiedene Schrittmotorentypen miteinander vergleichen kann. Walter Hofmann führt am WZL erstmals eine Untersuchung an Vorschubantrieben für numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen durch [Hofm1969]. Sein Bestreben ist es, die Einflüsse von nichtlinearen Übertragungsgliedern und der Reibung zu erforschen. Hofmann verfolgt das Ziel, einen mit Transistoren bestückten Gleichspannungs-Leistungsverstärker mit trägheitsloser Abgabe hoher Anfahrströme zu entwickeln. Er weist nach, dass Gleichstrom-Nebenschlussmotoren mit Leistungsverstärker vorteilhaft als Vorschubantrieb nutzbar sind und erschließt mit dieser Entwicklung die Beschaltung im Vierquadrantenbetrieb (Abb. 4.4).

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CHRISTIAN BRECHER, THORSTEN OSTERMANN, MANFRED WECK

Abb. 4.3 Blockschaltbild zur Messung der Stabilität des geschlossenen Regelkreises [Weig1966]

Abb. 4.4 Schematischer Aufbau eines Leistungsverstärkers und Verlauf der Signale Weg, Drehzahl und Ankerstrom bei einem Sollwertsprung [Hofm1969]

4.5 Mechanische Elemente von Vorschubantrieben Durch den Einzug der NC-Technik in den Werkzeugmaschinenbau verlieren die Nachformsysteme in Vorschubgetrieben zur Mitte des 20. Jahrhunderts an Bedeutung.

4. Antriebstechnik (ab 1946)

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Ebenso verdrängen elektrische Drehstromantriebe aufgrund ihres höheren mechanischen Wirkungsgrades den elektrohydraulischen Vorschubantrieb. Zu dieser Entwicklung trägt vor allem die Arbeit von Dieter F. Kopperschläger „Über die Auslegung mechanischer Übertragungselemente an numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen“ [Kopp1969] bei, die bereits intensiv das Zusammenspiel elektrischer Antriebe und der zugehörigen mechanischen Übertragungselemente am Beispiel des Kugelgewindetriebs und des Ritzel-Zahnstange-Triebs diskutiert. Das Ziel der Arbeit ist es, die dynamischen Kennwerte für die mechanischen Übertragungselemente geregelter Vorschubachsen abzuleiten. Es werden optimale Beschleunigungsparameter in Abhängigkeit von der Übersetzung und der Spindelsteigung berechnet. Zwei Jahre später beschreibt Rolf Heinen in seiner Dissertation die „Auslegung von Vorschubgetrieben numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen“ [Hein1971]. In der Arbeit erstellt Heinen ein Berechnungsschema zur Ermittlung der statischen Nachgiebigkeit von Vorschubgetrieben und deren Getriebewellen, das auf einer Kraftflussanalyse an Ersatzfedermodellen basiert. Dabei ist das Berechnungsschema so allgemein gehalten, dass es ebenfalls auf Sondergetriebe anwendbar ist. Darüber hinaus stellt Heinen eine rechnerische Schwachstellenanalyse eines verzweigten Getriebes vor. Peter Wolter ermöglicht mit seiner Arbeit über rechnergestützte Dimensionierung von Vorschubantrieben für numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen [Wolt1976] eine exakte Berechnung des Trägheitsmomentes der Spindel bei Direktantrieb bzw. bei Antrieb über eine oder mehrere Getriebestufen. Er erstellt damit ein Auswahlverfahren für jeden Motortyp. Dies wird vor allem dadurch begünstigt, dass er eine formelmäßige Beziehung zwischen Übergangsfunktion eines Lageregelkreises und seinen Parametern sowie der Dämpfung des unterlagerten Kreises gefunden hat. Aufgrund der rasanten Entwicklung der Digitaltechnik empfiehlt Wolter die digitale Speicherung der Informationen über Dimensionierung und Parameter, um die Ermittlung der besten Konfiguration und damit die erheblichen Optimierung eines jeden Systems zeitsparend durchführen zu können. 4.6 Sonderanwendungen Durch den hohen Produktivitätszuwachs von Maschinen und Anlagen zum Ende des 20. Jahrhunderts rücken das Emissionsverhalten von Werkzeugmaschinenantrieben sowie der Immissionsschutz aufgrund vieler Lärmerkrankungen in den Blickpunkt. Am WZL greift Wolfgang Brey dieses Thema in seiner Dissertationsschrift [Brey1983] auf. Das Ziel seiner Arbeit ist es, die Wechselwirkungen innerhalb eines Werkzeugmaschinenantriebes zu untersuchen und die Einflüsse des Regel- und Betriebsverhaltens der einzelnen Baugruppen auf das Geräuschverhalten, insbesondere auf das Auftreten von Klappergeräuschen zu analysieren und darzustellen. Dazu führt Brey Frequenzanalysen der Schallsignale durch. Die Frequenzanteile lassen Rückschlüsse auf Welligkeiten der motorseitigen Gleichspannung und des Gleichstroms infolge der Thyristoransteuerung zu, die mit steigender Welligkeit betriebszustandsabhängig zunehmen. Wesentlichen Einfluss hat darüber hinaus der Schmalkeilriementrieb, der Drehschwingungen in den Antriebsstrang induziert, die auf lokale Steifigkeitsunterschiede im

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CHRISTIAN BRECHER, THORSTEN OSTERMANN, MANFRED WECK

Riemen zurückzuführen sind. Abschließend werden konstruktive Abhilfemaßnahmen vorgestellt. Mit der steigenden Verbreitung digitaler Steuerungen bietet sich die numerisch gesteuerte Unrundbearbeitung als leistungsfähige Alternative zu den bisher verwendeten Nachformsystemen an. Die systematische Analyse von Unrundgeometrien und die Erstellung einer Beschreibungsmethodik für zukünftige Unrundgeometrien sind Grundlage für die Auslegung numerisch gesteuerter Einrichtungen zur Unrundbearbeitung. Dirk Vorsteher weist mit seiner Dissertation die Reduktion des systematischen Bahnfehlers gegenüber den Nachformsystemen nach [Vors1985]. Weiterhin sind mit numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen die Werkzeugbewegungen verzögerungsfrei und schlupffrei abstimmbar. Mit der selbstoptimierenden Generierungs- und Transfertechnologie sowie mit den anderen Anpassungen sind sogar Einzelteile wirtschaftlich herstellbar. Während der Komplexität der definierbaren Unrundgeometrien keine Grenzen gesetzt und die Befehlsausführzeiten zwar (noch) beschränkt, jedoch beherrschbar sind, wird die Fortentwicklung von Motoren und Antrieben notwendig, um die Leistung der numerisch gesteuerten Unrundbearbeitung weiter zu steigern (Abb. 4.5). Michael Slomka analysiert und entwickelt vorhandene Theorien zur ein- und mehrachsigen Vorschubregelung bei der Funkenerosion weiter und arbeitet besonders auf dem Gebiet des funkenerosiven Senkens als adaptive Vorschubregelung und Planetär-

Abb. 4.5 Möglichkeiten zur Manipulation des Lageregelkreises einer konventionellen NC-Werkzeugmaschine [Vors1985]

4. Antriebstechnik (ab 1946)

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bewegung [Slom1989]. Komplexere Geometrien erschweren die richtige Einstellung der Bearbeitungsparameter. Nach Meinung vom Slomka ist somit das Anlegen einer breiten Datenbank nicht realisierbar. Aufgrund dessen entwickelt er einen adaptiven Zusatz, der „reale Erfahrungswerte“ verarbeitet und schnelle Reaktionen garantiert. 4.7 Regelung, Vorschubdynamik, Genauigkeit Infolge der rasanten Entwicklungen bei den Schneidstoffen werden in jüngster Zeit Schnittparameter ermöglicht, die sich nur bei einer entsprechenden Erhöhung der Maschinendynamik und damit auch bei höheren Verfahrgeschwindigkeiten der Achsen ausschöpfen lassen. Durch den Einzug der linearen Direktantriebstechnik und der Leichtbaukonstruktion sind auf der einen Seite Achsbeschleunigungen von über 2 g möglich, die den Konstrukteur aber auf der anderen Seite durch den sich einstellenden Ruck und die damit verbundene Schwingungsanregung der Struktur vor neue Probleme stellen. Das statische und dynamische Verhalten der Vorschubachsen und der Einfluss der Regelungstechnik rücken damit in den Vordergrund. Nach eingehender Betrachtung der bisherigen Lageregelungskonzepte in der NCSteuerung versucht Guoheng Ye eine „Erhöhung der Bahngenauigkeit NC-gesteuerter Vorschubachsen mit Hilfe eines Kompensationsfilters“ [Ye1992] zu erreichen. Hierzu entwickelt er einen sogenannten Inversen Kompensationsfilter (IKF). Dieser nutzt von vornherein Informationen über das zeitliche Verhalten des Antriebs für die Bearbeitung komplexer Formen und für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung und schafft damit eine quasi vollständige Kompensation des Übertragungsfehlers. Einschränkungen herrschen nahe der physikalischen Grenze des Motors, da dort die Energiereserven des Verstärkers nicht für eine kurzfristige Beschleunigung ausreichen. Die Abtastzeit ist aufgrund des Nyquist-Abtasttheorems ein einschränkender Faktor (Abb. 4.6).

Abb. 4.6 Wirkungsweise des inversen Kompensationsfilters [Ye1992]

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Einen unkonventionellen Ansatz macht Frank Remy mit seiner Arbeit über den Einsatz von „Fuzzy-Logik im Bereich der Regelung elektromechanischer Vorschubachsen“ [Remy1997]. Sein Grundgedanke besteht darin, die Fuzzy-Logik mit Expertenwissen auszustatten und damit ein flexibles System zu schaffen, das sich an jede Situation anpassen lässt. Dadurch kann auf eine genaue Modellbildung, die aufgrund von Unstetigkeiten und der hohen Komplexität der Funktionen nahezu unmöglich ist, verzichtet werden (Abb. 4.7). Mit dieser Modifikation lassen sich deutliche Verbesserung feststellen. Der extrem hohe Aufwand, der für die Fuzzy-Regelung notwendig ist, verhindert jedoch eine wirtschaftliche Umsetzung dieser Idee.

Abb. 4.7 Systemstruktur der Fuzzy-Optimierung [Remy1997]

Daher schlägt Remy vor, eine Kombination von Fuzzy-Logik-Reglern und klassischen Reglern einzusetzen. Christian Brecher erarbeitet eine vergleichende Analyse von Vorschubantrieben für Werkzeugmaschinen [Brec2002]. Das Ziel seiner Arbeit besteht darin, die unterschiedlichen Eigenschaften der heute zur Verfügung stehenden Vorschubantriebe herauszuarbeiten und die Leistungsfähigkeit der jeweiligen Antriebssysteme vergleichend gegenüberzustellen. Brecher untersucht die Vorschubsysteme Kugel- und Rollengewindetrieb, Ritzel-Zahnstangentrieb sowie den linearen Direktantrieb. Er stellt fest, dass keine der beiden Antriebsarten die andere in der Leistung deutlich übertrifft. Neben dem Antriebsvergleich erarbeitet Brecher daher erweiterte Auslegungshilfen, wie das optimale Beschleunigungsverhalten und die Optimierung der Reglereinstellungen in Abhängigkeit der Systemparameter, im Hinblick auf optimales Führungs- bzw. Störübertragungsverhalten für die unterschiedlichen Antriebssysteme. Er nutzt in seinen Versuchen die Mehrkörpersimulationstechnik, die die Kopplung der Antriebsregelkreise mit dem strukturdynamischen Maschinenverhalten erlaubt und sieht in dieser ein zukunftsträchtiges Simulationsverfahren.

4. Antriebstechnik (ab 1946)

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Aktuelle Arbeiten am WZL beschäftigen sich mit der Steigerung der Antriebsdynamik und -genauigkeit bei Vorschubantrieben. Zur Verbesserung der Reglerdynamik und des Gleichlaufs sehen die Forscher am WZL Relativbeschleunigungssensoren als vielversprechende Zusatzmesssysteme für die Antriebsregelung an. Durch den zunehmenden Einsatz von Lineardirektantrieben rücken jedoch auch neue Fragestellungen in den Vordergrund. Durch den Wegfall der mechanischen Übertragungselemente steht der Lineardirektantrieb in direkter Wechselwirkung mit der umgebenden Maschinenstruktur. Die heute geforderten hohen Beschleunigungen führen somit direkt zu einer Krafteinwirkung auf das Maschinengestell. Ein aktuell untersuchter Ansatz, diese Rückwirkung des Lineardirektantriebs zu reduzieren, ist die sogenannte Impulsentkopplung. Zur Entkopplung wird der Antrieb nicht mehr fest mit der Maschinenstruktur verbunden. Stattdessen ist es möglich, die Rückstoßkraft auf einer zusätzlichen Führung in einer Gegenbewegung abzubauen. Thorsten Ostermann weist in seiner aktuellen Arbeit mit dem Titel „Hochdynamischer Bestückungsautomat mit impulsentkoppelten linearen Direktantrieben“1 die Wirksamkeit dieses Prinzips nach. Regelungstechnische Optimierung und mechanische Auslegungskriterien sind Gegenstand von weiteren Untersuchungen am WZL.

1

Christian Brecher, Thorsten Ostermann, Manfred Weck: Pick&Place – Hochdynamischer Bestückungsautomat mit impulsentkoppelten Lineardirektantrieben, Tagungsband „Elektrisch-mechanische Antriebssysteme“. Düsseldorf 2004, S. 317-328.

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Werkstückstatistik, Klassifizierung, Gruppentechnologie (ab 1955) WALTER EVERSHEIM

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Gliederung 5.1 Einleitung 5.2 Werkstückstatistik 5.3 Klassifizierung von Einzelteilen 5.4 Gruppentechnologie

WALTER EVERSHEIM

5. Werkstückstatistik, Klassifizierung, Gruppentechnologie (ab 1955)

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5.1 Einleitung Die Jahre nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs sind in Deutschland geprägt durch den sogenannten Wiederaufbau. In allen Branchen, z. B. Bauindustrie, Maschinenund Anlagenbau, Möbel und Hausgeräte sowie Automobilindustrie, ist die Nachfrage nach Güterproduktion größer als das jeweilige Angebot. Die Fabriken und die Produktionseinrichtungen, vor allem auch Werkzeugmaschinen, sind zerstört oder nach Russland und in die USA deportiert. Außerdem fehlen männliche Arbeitskräfte, weil sie entweder im Krieg gefallen sind, durch Bombardierungen mit ihren Frauen und Kindern getötet wurden oder weil sie noch als Gefangene festgehalten werden. Diese drastische, ja fast dramatische Situation in der westdeutschen Wirtschaft und Arbeitsbevölkerung zwingt dazu, insbesondere in der produzierenden Industrie mit den Produktionsfaktoren „Mensch, Maschine, Material“, wie sie Herwart Opitz in seiner Vorlesung „Betriebsorganisation“ bezeichnete, rationell umzugehen. Heute bezeichnen wir diese Produktionsfaktoren als „Ressourcen“ und den Rationalisierungsansatz als „Lean Management“, wobei „lean“ als vernünftig/rational zu verstehen ist. Im Bereich „Betriebsorganisation“ des WZL wird diese Problemstellung und Herausforderung aufgegriffen, indem Arbeiten zur Rationalisierungsforschung angestoßen werden. Gleichzeitig wird im Jahr 1953 von Herwart Opitz aus dem WZL heraus zusammen mit Joseph Mathieu das Forschungsinstitut für Rationalisierung e.V. (FIR) an der RWTH Aachen gegründet. 5.2 Werkstückstatistik Schwerpunkte der Arbeiten im WZL sind in den 1950er und 1960er Jahren Werkstückstatistik, Klassifizierungssysteme und Gruppentechnologie. Mit einem breit angelegten Analyseprogramm, das erheblich vom Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken e.V. (VDW) und der Landesregierung Nordrhein-Westfalen (Landesamt für Forschung) unterstützt wird, werden in über 50 Betrieben Daten und Informationen über mehr als 140.000 Werkstücke erhoben. Hierfür sichten Arbeitsteams, die von Maschinenbaustudenten gebildet werden, unter Anleitung eines wissenschaftlichen Mitarbeiters Stücklisten, Zeichnungen und Arbeitspläne von Maschinen, Geräten, Aggregaten und Anlagen und übertragen die erfassten Daten und Informationen in Lochkarten. Somit wird eine breite und statistisch repräsentative Datenbasis auf einem Speichermedium, nämlich der Lochkarte, geschaffen, die eine effiziente Auswertung der zu produzierenden Teilespektren erlaubt. Mit den erhobenen Informationen und Daten wird im Rechenzentrum der RWTH Aachen eine „Werkstückdatenbank“ aufgebaut, die auf folgende Forschungsfragen Antworten liefern soll: 1. Für welches Teilespektrum sollen neue Werkzeugmaschinen angeschafft bzw. entwickelt werden? 2. Wie kann man die Informationen über bereits konstruierte oder vorhandene Werkstücke/Teile speichern und wiederfinden? 3. Gibt es signifikante Häufigkeitsverteilungen bezogen auf bestimmte Werkstückmerkmale?

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Mit der ersten Forschungsfragestellung setzt sich u. a. Hans-Günther Rohs in seiner Habilitationsschrift „Die Erfassung der Fertigungsaufgaben für spanende Werkzeugmaschinen“ auseinander.1 Es ist festzustellen, dass die statistischen Mehrmalsverteilungen seitens der Werkstückspektren nicht übereinstimmen mit den korrespondierenden Merkmalsverteilungen bei der Werkzeugmaschinen-Statistik (vorhandene Maschinenparks).

Abb. 5.1 Drehmaschinenkapazität und anfallende Werkstücke eines Betriebes (nach Moll)

So wird evident, dass die meisten Rotationsteile (80 % gemessen in Bearbeitungszeit) einen Durchmesser kleiner > 200 mm und eine Länge kleiner > 500 mm aufweisen. Fast alle Drehmaschinen (Spitzendrehbänke) in den Betrieben weisen jedoch einen potenziellen Drehdurchmesser über dem Maschinenbett von mindestens 300 mm und eine mögliche Drehlänge (Spitzenweite) von 1.500 mm und mehr auf. Diese Erkenntnis hat u. a. zur Folge, dass von Hans Moll und anderen die sogenannte „Kurzdrehbank“ gefordert wird, die dann auch von der Werkzeugmaschinenindustrie entwickelt und gebaut wird.2 Ähnliche Diskrepanzen sind bei anderen Werkzeugmaschinen, wie Rundschleifmaschinen, Fräsmaschinen, Bohrwerken, Flachschleifmaschinen, festzustellen.

1

Hans-Günther Rohs: Die Erfassung der Fertigungsaufgaben für spanende Werkzeugmaschinen. Habilitationsschrift, Aachen 1960. 2 Hans H. Moll: Die Werkzeugmaschine in der betrieblichen Anwendung. Industrie-Anzeiger Nr. 72, 1962, S. 116-126.

5. Werkstückstatistik, Klassifizierung, Gruppentechnologie (ab 1955)

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Abb. 5.2 Einfachdrehbank für kurze Teile (nach Moll)

Auch die installierten Leistungen bei spanenden Werkzeugmaschinen stimmen nicht mit den von Fertigungsprozessen geforderten Kräften, Belastungen, Drehmomenten und Vorschüben überein. So befasst sich Hermann Stute in seiner Dissertation „Kennwerte und Leistungsbedarf für Werkzeugmaschinengetriebe“ [Stute1956] genau mit dieser Problematik und weist die Rationalisierungspotenziale, die bei Reduktion dieser Überdimensionierung zu erschließen sind, nach. 5.3 Klassifizierung von Einzelteilen Zur Beantwortung der zweiten Forschungsfrage beauftragt der VDW Professor Opitz bzw. das WZL, ein Klassifizierungssystem für mechanische Werkstücke/Teile zu entwickeln. Nach Auswertungen der inzwischen aufgebauten Werkstückdatenbank entwickelt und testet Heinz Galland das WZL-Klassifizierungssystem, das er in seiner Dissertation „Entwicklung einer werkstückbeschreibenden Systemordnung zur Kostensenkung in der Einzel- und Kleinserienfertigung“ [Gall1964] aufgebaut hat. Dieses Klassifizierungssystem wird auch in der Literatur häufig mit den Bezeichnungen „Teileschlüssel“, „Opitz-Schlüssel“ sowie in Verbindung mit dem Forschungsinstitut WZL und Auftraggeber VDW als „WZL-Schlüssel“ und „VDW-Schlüssel“ zitiert.3

3

Herwart Opitz: Klassifizierungssystem. Industrie-Anzeiger Nr. 103, 1965, S. 457-468.

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WALTER EVERSHEIM

Abb. 5.3 Aufbau des Teileklassifizierungssystems (nach Opitz)

Das Teileklassifizierungssystem wird später wegen der weltweiten Anwendung in mehrere Sprachen – wie englisch, französisch, spanisch und sogar japanisch und chinesisch – übersetzt.4 5.4 Gruppentechnologie Der Grundgedanke der Gruppentechnologie, wie er bereits von S. P. Mitrofanow in den 1930er Jahren entwickelt und formuliert wurde [Gall1964], wird im WZL aufgrund der Erkenntnisse aus der Werkstückstatistik aufgegriffen und unter dem selbst gewählten Arbeitstitel „Teilefamilienbildung/Teilefamilienfertigung“ weiterentwickelt. Kernziele, die mit dieser Organisationsmethode erreicht werden sollen, sind: • Wiederverwendung von bestehenden Dokumenten (Zeichnungen, Arbeitspläne), • Analogieschlüsse anhand ähnlicher Teile, • Zusammenfassen von fertigungstechnisch ähnlichen Teilen zu sogenannten „Scheinlosen“. Die bereits erwähnte Werkstückdatenbank bietet eine hervorragende Basis für Experimente und Tests von Lösungsansätzen, die zur Erreichung dieser Ziele im WZL in den 1960er Jahren entwickelt werden. An dieser Stelle ist es wichtig zu erwähnen, dass die Forschungsarbeiten und Methodenentwicklungen im WZL auf dem Gebiet von Betriebsorganisation und Rationalisierung vornehmlich auf Produktionsunternehmen oder -betriebe mit Einzel- und Kleinserienfertigung fokussiert sind. Im Nachhinein ist diese Schwerpunktsetzung durch die enge Nähe und intensive Kooperation zwischen dem WZL und dem VDW zu erklären. Die meist klein- und mittelständischen Werkzeugmaschinen-Firmen produzierten in ihrer eigenen Fertigung meist in kleinen oder mittleren Serien und Losgrößen. 4

80 Jahre WZL 1986, a.a.O., S. 105.

5. Werkstückstatistik, Klassifizierung, Gruppentechnologie (ab 1955)

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Abb. 5.4 Auszug aus einer japanischen Übersetzung des Opitz-Schlüssels

Die Abwicklung von Kunden- und Fertigungsaufträgen wird mit steigendem Umsatz und zunehmender Bedeutung von „Liefertreue“ (Einhaltung zugesicherter Liefertermine) ein wichtiges Problemfeld der Betriebsorganisation, das im WZL aufgegriffen wird. Für die Bewältigung der ständig wachsenden Informationen müssen neue Medien und Verfahren, wie die elektronische Datenverarbeitung, die inzwischen (Ende 1950er/Anfang 1960er Jahre) verfügbar sind, in der Ablauforganisation der Produktionsbetriebe genutzt werden. Eine wichtige Voraussetzung hierfür schaffen Muslim Bootwalla, Gerd Weber, Walter Eversheim und Jürgen Groebler mit ihren Dissertationsarbeiten. Bootwalla entwickelt und realisiert eine Teilefamilienfertigung bei einem Großwerkzeughersteller und erschließt somit erhebliche Kostensenkungspotenziale bei Einzelund Kleinserienfertigung [Boot1965]. Gerd Weber untersucht die Zusammenhänge

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zwischen Kapazitätsauslastung, mittlerer Auftragsdurchlaufzeit bei Einzel- und Kleinserienfertigung und Termintreue und stößt damit eine neue Forschungsrichtung, nämlich Fragen der Auftragsabwicklung und Produktionsplanung und -steuerung an. Mit seiner Dissertation „Beitrag zur Fertigungsplanung und -steuerung in der Kleinserien- und Einzelfertigung unter besonderer Berücksichtigung der Teilefamilienfertigung“ [Weber1965] führt er die Lösungsansätze beider Forschungsrichtungen zusammen. Schließlich bietet Jürgen Groebler in Weiterentwicklung des Teileklassifizierungsschlüssels mit seinen Arbeiten zu einem vollständigen, systematischen Sachnummernsystem [Groe1966] das notwendige Informationssystem, um Rationalisierungsmaßnahmen, wie Teilefamilienfertigung, elektronische Datenverarbeitung in der Materialwirtschaft und bei der Auftragsplanung und -steuerung in den Produktionsbetrieben einzuführen.

Abb. 5.5 Sachnummernsystem [Groe1966]

Das Informationswesen, repräsentiert als Nummernsysteme für Aufträge, Stücklisten, Zeichnungen, Arbeitspläne, Werkzeuge, Vorrichtungen, Maschinen und Einrichtungen, Kostenstellen und Kostenträger, erweist sich als wichtige Voraussetzung und Basis für die zunehmende Einführung der elektronischen Datenverarbeitung in den 1960er Jahren und danach.

5. Werkstückstatistik, Klassifizierung, Gruppentechnologie (ab 1955)

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Wir werden sehen, dass auch die Erkenntnisse, die aus den Analysen der Werkstückstatistik resultieren, in den folgenden Jahrzehnten für neue Forschungsschwerpunkte am WZL von eminent wichtiger Bedeutung sind [Wöpke1966]. Bei fast allen Ansätzen zur Produktionsoptimierung, Kostensenkung, Rationalisierung und Qualitätssicherung bilden drei „Grundprinzipien der Rationalisierung“ immer die Basis: • Stelle fest, welche Vorgänge, Prozesse, Geschäftsprozesse, Produkte, Lösungen sich häufig wiederholen und konzipiere oder entwickle hierfür Standardlösungen (auch als 80 % -20 %-Regel bekannt). • Versuche, nicht wertschöpfende Tätigkeiten möglichst zu eliminieren bzw. minimieren. • Gestalte die Organisation so, dass repetitive Tätigkeiten entweder vermieden oder von Maschinen/Computern übernommen werden und übertrage den Menschen in der Fabrik die Tätigkeiten, für die sie aufgrund ihrer Bildung und Fähigkeiten am besten geeignet sind. Wenn man so will, kann man diese Grundsätze bereits im „Scientific Management“ von F. W. Taylor erkennen.

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Zahnrad- und Getriebeuntersuchung (ab 1950) ADAM GACKA, ALEXANDER KLEIN, HEIKO SCHLATTMEIER, MANFRED WECK

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ADAM GACKA, ALEXANDER KLEIN, HEIKO SCHLATTMEIER, MANFRED WECK

Gliederung 6.1 Einleitung 6.2 Getriebekreis 6.3 Forschungsarbeiten 6.3.1 Werkzeugmaschinengetriebe 6.3.2 Verzahnungsfehler und Messverfahren 6.3.3 Schwingungs- und Geräuschverhalten von Getrieben 6.3.3.1 Stirnräder 6.3.3.2 Kegelräder 6.3.4 Optimierung der Zahnflanken- und Zahnfußtragfähigkeit 6.3.4.1 Stirnräder 6.3.4.2 Kegelräder 6.3.5 Einfluss von Werkstoffen und Eigenschaftsoptimierung der Werkstoffe 6.3.6 Fertigungsverfahren und -prozesse 6.3.6.1 Wälzstoßen und Schälwälzstoßen 6.3.6.2 Wälzfräsen und Schälwälzfräsen 6.3.6.3 Wälzschälen von Innenverzahnungen 6.3.6.4 Kegelradfräsen 6.3.6.5 Kegel- und Stirnradläppen 6.3.6.6 Zahnradschaben 6.3.6.7 Umformtechnische Herstellung von Verzahnungen 6.3.6.8 Pulverschmieden von Verzahnungen 6.3.6.9 Grundlagen der Hartfeinbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide 6.3.6.10 Wälz- und Profilschleifen von Stirnradverzahnungen 6.3.6.11 Verzahnungshonen 6.3.6.12 Fügeverfahren 6.3.7 Berechnungsprogramme 6.3.7.1 Zahnkontaktanalyse 6.3.7.1.1 VENUS 6.3.7.1.2 FE-Stirnradkette 6.3.7.1.3 ALKAEOS 6.3.7.2 Fertigungssimulation 6.3.7.2.1 SPARTApro 6.3.7.2.2 CASTOR & POLLUX

6. Zahnrad- und Getriebeuntersuchung (ab 1950)

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6.1 Einleitung Zahnräder gehören zu den am häufigsten verwendeten Maschinenelementen des klassischen Maschinenbaus. Aufgrund ihrer Vielseitigkeit und nicht zuletzt wegen ihrer Komplexität bieten sie dem Konstrukteur einen enormen Gestaltungsspielraum bei ihrer Auslegung. Durch die Anpassungsfähigkeit dieses Maschinenelements kann seine Bedeutung selbst durch die raschen Entwicklungen in anderen wissenschaftlichen Disziplinen nicht zurückgedrängt werden. Vor der Einführung der NC-Technik spielen Zahnräder zur Drehzahl- und Momentenanpassung sowie zur Erzeugung von genauen kinematischen Vorschubbewegungen eine sehr große Rolle. Modul-, Norton- und Ziehkeilgetriebe sowie Kupplungsgetriebe sorgen für die richtige und vor allem gleichmäßige Übersetzung zur Erzeugung von Gewinden sowie zur Realisierung von Wälzgetrieben in Verzahnmaschinen. Die Zahl der Zahnräder und Austauschradsätze für den universellen Einsatz der Verzahnmaschinen ist immens groß. Heute übernimmt die genaue kinematische Anpassung beziehungsweise Erzeugung des richtigen Übersetzungsverhältnisses die NC-Steuerung in Kombination mit dem Wälzgetriebe. Die Drehzahlverstellung wird durch Servo-Synchronmaschinen erreicht. Die geringe Zahl der Zahnräder, die in modernen Werkzeugmaschinen verblieben sind, beschränkt sich auf die noch notwendigen Drehzahl- und Momentenanpassungen. Aber auch hier sind Bestrebungen zu beobachten, durch Direktantriebe auch noch die verbliebenen Zahnräder zu eliminieren. Das gilt sowohl für Haupt- als auch für Vorschubantriebe. Diese Entwicklung bedeutet jedoch nicht, dass Zahnradgetriebe im modernen Maschinenbau keine Rolle mehr spielen. Zur Drehzahl- und Momentenanpassung wird es sie immer geben. Typische Anwendungsfelder sind der Fahrzeugbau mit seinen Handschalt- und Automatikgetrieben, Schiffsantriebe, Verfahrenstechnik, Energieerzeuger einschließlich Windenergie und vieles mehr. 6.2 Getriebekreis Es bestand – und besteht nach wie vor – ein großer Forschungsbedarf im Bereich der hochbelasteten Maschinenelemente „Zahnräder“ sowie für Getriebe bezüglich ihres Gesamtverhaltens. Aus diesem Grund entsteht Mitte der 1950er Jahre am WZL eine eigene Forschungsgruppe, deren Schwerpunkt im Bereich der Getriebe und der dafür benötigten Verzahnungen liegt. In Zusammenarbeit mit Industriefirmen gründet Herwart Opitz 1956 den WZL-Getriebekreis. Der Getriebekreis umfasst zunächst auch mehrere Großgetriebehersteller, die u.a. Getriebe mit großen ungehärteten Zahnrädern für Schiffsgetriebe herstellen. Dafür existieren zu dieser Zeit keine brauchbaren Vorgaben für die Zahnfestigkeit und das Geräuschverhalten. Daraus ergibt sich auch die Notwendigkeit, die Genauigkeit der Verzahnmaschinen zu messen, zu analysieren und zu verbessern. Gemeinsam mit den im Getriebekreis vertretenden Firmen formuliert Opitz das Ziel, die Forschung auf dem Gebiet der Verzahnungs- und Getriebetechnik voranzutreiben. Seitdem ist die Getriebeabteilung des WZL europaweit die einzige Forschungsstelle, die die gesamte Prozesskette der

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ADAM GACKA, ALEXANDER KLEIN, HEIKO SCHLATTMEIER, MANFRED WECK

Getriebe- und Verzahnungsauslegung, Zahnradfertigung und Zahnradmesstechnik sowie der Untersuchung des Einsatzverhaltens von Zahnrädern und Getrieben betrachtet und erforscht. Die durchgängige Behandlung von grundlagenorientierten und praxisbezogenen Aufgabenstellungen über die gesamte Entwicklungs- und Verfahrenskette in einer einzigen Forschungseinrichtung macht das WZL zu einem gefragten Partner der Industrie. Heute besteht der Getriebearbeitskreis aus mehr als 80 Firmen aus Deutschland, dem europäischen Ausland und den USA (Abb. 6.1).

Abb. 6.1 Der Getriebekreis des WZL im Jahre 2005

6.3 Forschungsarbeiten Schon vor der Gründung des Arbeitskreises stellt die Untersuchung von Getrieben und Verzahnungen einen sehr wichtigen Forschungsschwerpunkt des WZL dar. Die ersten Arbeiten unter der Leitung von Adolf Wallichs und Herwart Opitz, die sich mit diesem Themenbereich befassen, werden in den Jahren 1939 und 1940 angefertigt. Forschungsschwerpunkt sind damals nichtmetallische Zahnräder und deren Verschleißverhalten. Nichtmetallische Zahnräder spielen zu jener Zeit im Kontext der zunehmenden Rüstungsanstrengungen des Deutschen Reiches eine bedeutende Rolle, da durch diese teure und kriegswichtige Metalle ersetzt werden sollen. In den Arbeiten von Friedrich Blasberg [Blas1939] und Helmut Reese [Rees1940] wird mit Schichthölzern, Hartgeweben und Kunstharzen als Zahnradwerkstoffe experimentiert. Auch heute sind nichtmetallische Zahnradwerkstoffe von besonderer Bedeutung. Allerdings stehen hierbei Leichtbau, Herstellbarkeit sowie Übertragungs- und Dämpfungsverhalten im Vordergrund.

6. Zahnrad- und Getriebeuntersuchung (ab 1950)

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Ein Prüfstand zur Untersuchung des Verschleißverhaltens von nichtmetallischen Zahnrädern wird damals eigenständig vom WZL gebaut. Das Besondere des erstmals genutzten Verspannungsprüfstands zur „Abnutzungsuntersuchung“ ist, dass die Belastung auf die Prüfzahnräder durch einen Torsionsfederstab aufgebracht wird (Abb. 6.2, links). Dies hat den Vorteil, dass der Antriebsmotor nur die Verlustleistung aus der im Zahneingriff auftretenden Reibung in den geschlossenen Verspannungskreislauf aufbringen muss. Des Weiteren gestattete die Methode die gleichzeitige Prüfung von vier Zylinderrädern.

Abb. 6.2 Zahnrad-Versuchsprüfstände für Dauerbelastung – gestern und heute

6.3.1 Werkzeugmaschinengetriebe Mit dem Wiederaufbau des im Zweiten Weltkrieg fast völlig zerstörten Instituts und dem Mitte der 1950er Jahre einsetzenden rasanten wirtschaftlichen Aufschwung ist auch eine deutliche Verstärkung der Forschungstätigkeiten am Werkzeugmaschinenlabor verbunden. In Zeiten von Wirtschaftswunder, Westintegration und Ost-West-Konfrontation wächst die Nachfrage nach immer leistungsfähigeren Werkzeugmaschinen. Neben der stets gegenwärtigen Forderung nach maximaler Genauigkeit ist die Realisierung immer größerer Leistungsbereiche der Maschinen eine besondere Anforderung an den Werkzeugmaschinenbau. Als Antriebe für die Maschinen werden meistens Asynchron-Drehstrommotoren mit konstanter Drehzahl eingesetzt, die mit Hilfe eines

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geeigneten Schaltgetriebes mit sehr großen Stufenzahlen die geforderten Drehzahlen zur Erzeugung der gewünschten Schnitt- bzw. Vorschubgeschwindigkeit liefern. Damals wie heute können je nach Anwendungsfall gleichförmig übersetzende Getriebe, bei denen Eingangs- und Ausgangsdrehzahlen in einem festen Verhältnis zueinander stehen, oder ungleichförmig übersetzende Getriebe angewendet werden. Gleichförmig übersetzende Getriebe können sowohl Getriebe mit stufenloser Drehzahlverstellung als auch gestufte Schaltgetriebe, die die Einstellung fester Drehzahlstufen ermöglichen, sein. Ein großer Vorteil der stufenlosen Getriebe ist damals wie heute, dass optimale Drehzahlen sehr genau und flexibel einzustellen sind. Stufenlose Getriebe werden oftmals als Umschlingungsgetriebe ausgeführt. In derartigen Getrieben erfolgt die Übertragung der Antriebsleistung über Riemen oder Ketten, die kraftschlüssig zwischen zwei Kegelscheiben laufen. Die stufenlose Verstellbarkeit der Drehzahl wird hierbei bei konstantem Achsabstand über die gegensinnige Änderung des Abstandes der Kegelscheiben zueinander realisiert. Jedoch sind die übertragbaren Leistungen und der Drehzahlverstellbereich bei stufenlosen Umschlingungsgetrieben begrenzt. Alternativ können stufenlose Getriebe auch aus der Kopplung einer Pumpe und eines Motors, wahlweise auf elektrischer oder hydraulischer Basis, aufgebaut werden. Diese Systeme sind häufig jedoch durch einen sehr niedrigen Wirkungsgrad gekennzeichnet. Auch mit Reibradgetrieben wird Anfang der 1950er Jahre experimentiert. Gustav Vieregge [Vier1950] befasst sich mit den Energieübertragungsverhältnissen der Reibradgetriebe: Reibwert, Schlupf, Reibungsverluste und Abnutzung der Reibräder. Er erläutert die Methoden der Selbstregelung und zeigt Möglichkeiten zur Berechnung der Abmessungen der Reibräder. Allerdings weisen die Reibräder ähnlich niedrige Wirkungsgrade auf. Aus den genannten Gründen wird die Anwendung stufenloser Getriebe in Werkzeugmaschinen in den meisten Anwendungsfällen als nicht optimal angesehen. Daher sucht Hans-Günther Rohs [Rohs1956] Wege zur zweckmäßigen Gestaltung von Stufengetrieben für Werkzeugmaschinen. Im Rahmen seiner Dissertation stellt Rohs für Stufengetriebe an Werkzeugmaschinen die verschiedenen Anforderungen zusammen und zeigt die Möglichkeiten zu ihrer Erfüllung. Durch das Aufstellen von Zahlentafeln und Diagrammen soll dem Konstrukteur die Arbeit erleichtert werden, so dass dieser ohne zusätzlichen Zeitaufwand die entwickelten Gedankengänge bei seiner Arbeit nutzbringend anwenden kann. Hermann Stute [Stut1956] beschreibt zur gleichen Zeit einige allgemeingültige Richtwerte und Tendenzen, die sich aus Untersuchungen über Leistungsbedarf, Motorund Kupplungsdimensionierung bei Drehbänken und Revolverdrehbänken ergeben und die für die Auslegung des Antriebes und die Konstruktion der Maschine von Bedeutung sind. So werden einerseits dem Elektrotechniker Unterlagen an die Hand gegeben, Projektierungsarbeiten aufgrund der neu gefundenen Kennwerte vorzunehmen. Andererseits dienen diese Aufgaben dem Maschinenbauer dazu, mit einfachen Messmethoden einen sehr genauen Überblick über die zulässige Beanspruchung seiner Maschine zu erhalten. Ferner werden im Rahmen der Arbeiten von Stute wesentliche Gesichtspunkte über Verwendungsmöglichkeiten und Betriebssicherheit

6. Zahnrad- und Getriebeuntersuchung (ab 1950)

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elektronischer Regelaggregate erarbeitet. An einigen Beispielen über Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen zeigt er, unter welchen Voraussetzungen ein stufenlos verstellbarer Antrieb zweckmäßiger als ein Antrieb mit Stufengetriebe ist. 6.3.2 Verzahnungsfehler und Messverfahren Mitte der 1950er Jahre steigen die Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen. Diese Entwicklung führt dazu, dass auch die Fertigungsgenauigkeit der in den Maschinen verwendeten Verzahnungen verbessert werden muss, die maßgeblich von verfahrensspezifischen Fertigungsfehlern beeinflusst ist. Werner Kalkert [Kalk1962] ist einer der ersten am WZL, der sich mit Untersuchungen über den Einfluss der Fertigungsgenauigkeit auf den Zahnkraftverlauf und die Flankentragfähigkeit von Stirnrädern befasst. Seine Ergebnisse verdeutlichen, dass die Fertigungsgenauigkeit der Verzahnung als ein entscheidender Faktor in die Tragfähigkeitsberechnung von Stirnrädern einzubeziehen ist. Friedhelm Hensen [Hens1962] versucht anschließend, die Vorgänge beim Materialabtrag auf der Zahnflanke und die Einflüsse auf die Verminderung von Verzahnungsfehlern beim Läppen von Zahnrädern zu analysieren und Richtwerte für günstige Läppbedingungen anzugeben. Parallel mit der Verbesserung der erreichbaren Fertigungsgenauigkeit müssen aber auch entsprechende Messmittel entwickelt werden, die zum Nachweis des Maschineneinflusses auf die Fertigungsqualitäten erforderlich sind. Besondere Anstrengungen in dieser Richtung unternimmt unter anderem Karl Schwiegelshohn [Schw1963], der die Entwicklung von seismischen Drehfehlermessgeräten behandelt, die eine sichere und eindeutige Erfassung der Übertragungsfehler des gesamten Getriebezuges der Verzahnmaschine gestatten. Die Geräte sind eine Weltneuheit und ermöglichen erstmals, Wälzgetriebe von Verzahnmaschinen zu beurteilen (Abb. 6.3). Sie werden sowohl

Abb. 6.3 Seismisches Drehfehlermessgerät vom Typ UM 180 (1963) [Schw1963]

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bei den Verzahnmaschinenherstellern als auch deren Anwendern über Jahrzehnte intensiv eingesetzt und finden teilweise sogar noch heute Anwendung. In der Arbeit von Johannes Hoppen [Hopp1963] wird zur gleichen Zeit versucht, Entwicklung und Einsatzmöglichkeiten des neuen Einflanken-Wälzprüfverfahrens unter Verwendung seismischer Drehschwingungsaufnehmer zu beschreiben und darüber hinaus in theoretischen sowie experimentellen Untersuchungen den Einfluss verschiedener Verzahnungsfehler auf die Gleichförmigkeit der Bewegungsübertragung bei Zahnrädern zu analysieren. Bezüglich seismischer Messverfahren erweitert Franz-Josef Klings [Klin1967] einen Schwingungsaufnehmer um eine elektrodynamische Rückführung. Zur Steigerung der Arbeitsgenauigkeit vergleicht Walter Eggert [Egge1964] in seiner Arbeit mit dem Titel „Über die Messung der Vorschubgenauigkeit von Werkzeugmaschinen insbesondere Verzahnmaschinen” zwei Messverfahren zur Bestimmung von Vorschubfehlern. Diese sind zum einen die Vorschubfehlermessung mit seismischen Geräten und zum anderen Messverfahren auf der Grundlage optischer Impulsmaßstäbe. Insbesondere bei der Fertigung komplizierter geometrischer Körper, wie Gewindespindeln und Zahnräder, bestimmen Vorschubfehler des Werkzeugschlittens, d. h. Abweichungen des Schlittenweges von seinem Sollwert, in entscheidendem Maße die erzielte Formgenauigkeit. Die experimentelle Untersuchung des Drehschwingungsverhaltens von Getrieben, Spindeln und Motoren ist bis 1965 nur in begrenztem Umfang möglich, da damals keine geeigneten Erreger erhältlich sind. Vor allen Dingen fehlen solche Torsionsschwingungserreger, die auch unter Betriebsbedingungen, d. h. an laufenden Wellen, eingesetzt werden können. Aus diesem Grund entwirft Albert Mussenbrock [Muss1965] für seine Arbeit einen elektrodynamischen Torsionsschwinger für rotierende Wellen. 1967 erkennen die wissenschaftlichen Mitarbeiter am WZL, dass der Einsatz digitaler Verfahren bei der Gleichlaufmessung von Bewegungen gegenüber analogen Verfahren den Vorteil bietet, mit ein und demselben Messsystem Bewegungsvorgänge beliebiger Art und mit beliebiger Geschwindigkeit zu erfassen und dabei die Relativabweichungen sehr genau zu messen. Diethard Budnick [Budn1967] zeigt daraufhin den Aufbau und die Eigenschaften einer hierfür geeigneten Messeinrichtung. Bei der Entwicklung des Gerätes ist es zunächst erforderlich, die grundsätzlichen Möglichkeiten digitaler Verfahren zu untersuchen und ihre Grenzen zu ermitteln. Es zeigt sich, dass die Möglichkeiten nur dann optimal ausgenutzt werden können, wenn bei der Demodulation der Impulsfolgen anstelle der sonst üblichen Tiefpassfilter ein Abtastsystem verwendet wird. Budnick baut daher ein von Zeitgliedern unabhängiges digitales Messsystem auf, welches sich durch seine besonders hohe Flexibilität auszeichnet. Ein Jahr später versucht Hans Ingo Faulstich [Faul1968], die Zusammenhänge zwischen Einzelfehlern evolventenverzahnter Stirnräder einerseits und den kinematischen Einflanken-Wälzfehlern sowie der Tragbildlage andererseits aufzuzeigen. Die Ergebnisse seiner Untersuchungen schaffen die Voraussetzung, basierend auf einer kinematischen Einflanken-Wälzfehlermessung und Tragbildprüfung, schnell zuverlässige Angaben über die wirksamen geometrischen Fehler der Räder zu gewinnen. Dietrich Naumann [Naum1969] überträgt diese Idee auf Kegelräder und führt Untersuchungen über den Einfluss von Einzelfehlern auf den Einflanken-Wälzfehler und

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die Tragbildlage oktoidenverzahnter Kegelräder durch. Seine Arbeit verfolgt das Ziel, die Grundlagen zu einer Darstellung von Einzelfehlern an Kegelrädern zu beschreiben, die Auswirkungen dieser Fehler auf den Einflanken-Wälzfehler und die Tragbildlage zu zeigen und durch charakteristische Beispiele zu belegen. Aufbauend auf den Arbeiten von Faulstich entwickelt und programmiert Wolfram Borchert [Borc1972] ein Rechenverfahren für einen Digitalrechner, das es gestattet, Flankenformfehler der Stirnradverzahnung infolge der Fehler des Wälzfräsers und seiner Einspannung zu ermitteln. Zwei Jahre später erarbeitet Rolf Holler [Holl1976] eine Rechnersimulation der Kinematik und 3D-Messung der Flankengeometrie von Schneckengetrieben und Kegelrädern. Ziel seiner Arbeit ist ein praxisbezogenes Programmsystem zur Untersuchung der Geometrie und Kinematik der Schneckengetriebe, das sowohl die rechnerische Vorausbestimmung der Eingriffsverhältnisse zulässt als auch die Flanke numerisch als Sollnormal für eine räumliche Messung beschreibt. Dieses Programmsystem ist so konzipiert, dass es eine leicht verständliche Verarbeitung auf Tischrechnern ermöglicht, um dem Konstrukteur für Einzelberechnungen die Wartezeit am Großrechner zu ersparen. Ungenauigkeiten bezüglich der Tragbildprüfung bleiben allerdings bestehen. Daher verfolgt Josef Goebbelet [Goeb1980] in seiner Dissertation das Ziel, die bei der Tragbildprüfung existierenden Unsicherheiten abzubauen und ihre Genauigkeit und Reproduzierbarkeit zu verbessern. Die Analyse von Tragbildern hinsichtlich der darin enthaltenen Informationen zu wirksamen Verzahnungsabweichungen stellt die Basis für eine Qualitätsbeurteilung der Verzahnung dar. Dadurch werden letztlich die Grundlagen dafür geschaffen, das Vertrauen in dieses mit konventionellen messtechnischen Begriffen nicht fassbare Sammelabweichungs-Prüfverfahren zu erhöhen. Mit Hilfe einiger weniger Kennwerte kann Dirk Mengen [Meng1994] zuverlässige Aussagen bezüglich des Verschleißzustandes von Verzahnungen treffen und auftretende Schadensentwicklungen verfolgen. Für ihn ist die Zustandsüberwachung ausfallgefährdeter Bauteile ein wesentlicher Beitrag zur Sicherstellung der Gesamtzuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit von Produktionsanlagen. Zuverlässige, von industriellen Anwendern akzeptierte und in geeigneter Kostenrelation stehende Überwachungssysteme sind für den Bereich hochbelasteter Getriebe bis zu diesem Zeitpunkt nicht vorhanden. In seiner Arbeit entwickelt Mengen ein auf die Überwachung einsatzgehärteter Verzahnungen spezialisiertes Überwachungssystem, mit dem die Früherkennung der Schadensbildung bei zahnradtypischen Beanspruchungen möglich ist. Neben der theoretischen Entwicklung eines den Genauigkeitsnormen entsprechenden Drehmoment-Messverfahrens bildet dessen Realisierung und Erprobung den Schwerpunkt der Arbeit von Michael Imdahl [Imda1997]. Durch die entscheidende Weiterentwicklung eines Messverfahrens ist es möglich, die Wirkungsgradbestimmung an Getrieben unter praxisnahen Bedingungen nach der Methode der Leistungsdifferenzmessung mit Drehmoment-Messwellen dahingehend voranzutreiben, dass Wirkungsgradmessungen mit Reproduzierbarkeiten vornehmbar sind. Im gleichen Jahr erfasst Christian Nettelbeck [Nett1997] die geometrischen Abweichungen an Werkzeugmaschinen mit Hilfe eines Laser-Geradheits-Messsystems auf

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Halbleiterbasis. Motivation für diese Arbeit sind die ständig steigenden Leistungsund Qualitätsanforderungen an moderne Werkzeugmaschinen sowie die in speziellen Anwendungsfällen unzulänglichen konventionellen Messmittel. Um den gestiegenen Erfordernissen gerecht zu werden, benötigen industrielle Anwender alternative Messtechniken, um Maschinen bei großen Messlängen mit erhöhter Genauigkeit beurteilen zu können. In Nettelbecks Arbeit wird daher die Entwicklung und Realisierung eines alternativen optischen Messsystems zur Erfassung von geometrischen Abweichungen an Werkzeugmaschinen auf der Basis eines langzeitstabilen Halbleiterlasers systematisch untersucht. Hierbei steht die Betrachtung der Einflüsse auf die Messsignalschwankungen im Vordergrund. Wegen der komplexen Vorgänge bei der Fertigung bogenverzahnter Kegelräder ist ein anspruchsvolles Qualitätsmanagement erforderlich, um die während der Auslegung berechnete Verzahnung innerhalb der zulässigen Toleranzen zu fertigen. Hier setzt die Arbeit mit dem Titel „Berechnungsmethoden zum Ausgleich von 3D-gemessenen Kegelrad-Flankenformabweichungen durch eine korrigierte Verzahnmaschineneinstellung“ von Claus Weyand [Weya1998] an. Den hier beschriebenen Berechnungsverfahren liegt dabei stets eine übergeordnete und verfahrensunabhängige Betrachtungsweise zugrunde. Aktuell arbeitet Ivan Zajic an der Entwicklung eines Wälzscanverfahrens für die schnelle und flexible Erfassung von Verzahnungsabweichungen an Zylinderrädern. 6.3.3 Schwingungs- und Geräuschverhalten von Getrieben Im Laufe der Jahre sind die Anforderungen an die Herstellqualität und Leistungsdichte im Bereich des Maschinenbaus ständig gestiegen. Dies gilt vor allem im Zahnradgetriebebau, bei dem als Qualitätsmerkmale eine hohe Betriebssicherheit, ein geringes Leistungsgewicht, ein hoher Wirkungsgrad und die Laufruhe im Vordergrund stehen. Unter dem hohen Wettbewerbsdruck besteht darüber hinaus die Notwendigkeit einer ständigen Kostensenkung von der Konzeption bis hin zur Herstellung des Getriebes. Die Erfüllung dieser gegenläufigen Forderungen wird noch weiter durch zunehmend verkürzte Produktlebenszyklen und damit auch kürzere Entwicklungszeiten erschwert. Dies erfordert, dass die Verzahnungen auch hinsichtlich der Geräuschanregung optimal ausgelegt werden. Die Problematik des Geräuschverhaltens von Getrieben, die als Bauelemente in technischen Anlagen überall eingesetzt werden, wird bereits seit Ende der 1950er Jahre am WZL behandelt. Dabei wird gezeigt, welche Untersuchungen notwendig sind, um die Geräuschentwicklung und den Geräuschpfad zu identifizieren. Die Komplexität der Einflüsse auf die Geräuschemission wird im Rahmen der am WZL angefertigten Dissertationen bestätigt. Aus diesem Grund beschäftigt sich der erste Abschnitt dieses Kapitels zunächst mit dem Schwingungs- und Geräuschverhalten von Stirnrädern. Der zweite Teil des Kapitels geht anschließend auf das Geräuschverhalten von Kegelradgetrieben ein. 6.3.3.1 Stirnräder Die erste Dissertation am WZL, die sich mit dem dynamischen Verhalten von Lastschaltgetrieben auseinandersetzt, fertigt Norbert Maas [Maas1959] an. Die experi-

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mentellen Untersuchungen in seiner Arbeit beschränken sich auf ein rein kraftschlüssiges, von außen geschaltetes Kupplungsgetriebe. Daran anschließend folgen einige theoretische Betrachtungen von Lastschaltvorgängen mit solchen Kupplungsgetrieben, die teilweise mit selbsttätigen Kupplungen ausgerüstet sind. Einige konstruktive Bemerkungen und die Erläuterung eines ausgeführten Konstruktionsbeispiels schließen diese Arbeit ab. Anfang der 1960er Jahre versuchen die wissenschaftlichen Mitarbeiter am WZL, die Auswirkung von verfahrens- und maschinenbedingten Verzahnungsfehlern auf die Frequenzzusammensetzung und den Pegel des Getriebegeräusches systematisch zu erfassen. Hierzu untersucht Herbert de Jong [Dejo1961] den Einfluss der Wälzgenauigkeit von Verzahnmaschinen auf die Fertigungsgenauigkeit und das Laufgeräusch von Stirnradgetrieben. Damals ist bereits bekannt, dass das Laufgeräusch von zahlreichen Einflussgrößen gleichzeitig abhängt, die einerseits in fertigungstechnische und andererseits in konstruktive Größen gegliedert werden können. Entsprechend dieser Einteilung ergeben sich zur Verminderung der Geräuschentwicklung eines Getriebes grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten, die entweder auf fertigungstechnische Maßnahmen zur Erhöhung der Verzahnungs- und der Montagegenauigkeit bzw. auf konstruktive Maßnahmen zur Beeinflussung der Verzahnungsoder Gehäusegeometrie abzielen. Systematische Untersuchungen über die Beeinflussung der Geräuschentwicklung von Zahnradgetrieben durch konstruktive Maßnahmen, insbesondere die Art der Wandverrippung am Getriebegehäuse, liegen bis dahin noch nicht vor. Jobst Herrmann [Herr1963] entwickelt daher in seiner Dissertation mit dem Titel „Über den Einfluss des Gehäuses auf die Schallabstrahlung von Zahnradgetrieben und konstruktive Maßnahmen zur Geräuschminderung“ einen ersten Ansatz, um diesen Missstand zu beseitigen. In theoretischen und experimentellen Untersuchungen zeigt er, welche Größen die Geräuschabstrahlung eines Getriebegehäuses maßgeblich beeinflussen. Mit Hilfe moderner Mess- und Analyseverfahren macht Herrmann grundsätzliche und quantitative Angaben über konstruktive Maßnahmen an Getriebegehäusen zur Geräuschminderung. Zur Kennzeichnung und zum Vergleich der Schallerzeugung von Getrieben ist es aber erforderlich, das Getriebe als Schallquelle zu erfassen und unter Einbeziehung seiner Belastungsdaten zu beurteilen. Im Rahmen der von Johannes Zumbroich [Zumb1964] erstellten Dissertation wird zunächst untersucht, welche Messgröße zur Beschreibung der Schallquelleneigenschaften von Getrieben geeignet ist. Des Weiteren geht Zumbroich der Frage nach, welche Beziehungen zwischen Schallquelleneigenschaften und den Belastungsdaten von Getrieben bestehen. Die Kenntnis solcher Gesetzmäßigkeiten ist für die Beurteilung und den Vergleich verschiedener Getriebe erforderlich, um ein an dem Geräuschverhalten von Getrieben orientiertes Gütekriterium für die Bewertung des Getriebes als Schallquelle ableiten zu können. Über das dynamische Verhalten von Stirnradgetrieben unter besonderer Berücksichtigung der Verzahnungsgenauigkeit macht sich Manfred Bosch [Bosc1965] Gedanken. Im Rahmen seiner Arbeit versucht Bosch, die dynamischen Zahnkräfte gerad- und

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schrägverzahnter Stirnradgetriebe sowohl rechnerisch als auch messtechnisch in Abhängigkeit von der Umfangsgeschwindigkeit zu erfassen. Bis dahin wird kaum beachtet, wie Achslageabweichungen die Anregung beeinflussen und sich auf das Geräusch von Zahnradgetrieben auswirken. Achsversetzungen rufen im Allgemeinen Parallelitätsfehler hervor, die zu einer Flankenlinien-Winkelabweichung und somit zum Kantentragen der Zahnflankenenden führen. Dadurch können die Zahnflanken örtlich überbeansprucht und zerstört werden, was zumeist mit einer starken Geräuschzunahme verbunden ist und deutlich die Lebensdauer verringert. Josef Timmers [Timm1965] untersucht aus diesem Grund, in welchem Maße Achsversetzungen in Zahnradgetrieben das abgestrahlte Geräusch beeinflussen. Für Timmers ist von Interesse, wodurch Achsversetzungen bedingt sein können und in welcher Größenordnung sie liegen. Ihre Auswirkungen auf die Geräuschanregung diskutiert er unter besonderer Berücksichtigung der zusätzlichen Verformungen an einem Zahn durch Achsversetzungen. Schließlich versucht Timmers, einen quantitativen Zusammenhang zwischen Zahnverformung und Geräusch zu finden. Untersuchungen über den Einfluss des Getriebegehäuses auf das Geräusch und die Wirkung von Körperschall-Sperrgliedern auf die Schallübertragung werden bis 1966 bereits durchgeführt [Herr1963]. Außerdem wird der Einfluss fertigungs- und lastbedingter Achsversetzungen auf das Geräuschverhalten angegeben. Die Arbeit von Arthur Toppe [Topp1966] befasst sich ausschließlich mit Untersuchungen über die Anregung des Getriebegeräusches bei Stirnrädern, die hauptsächlich im Zahneingriff erfolgt. Ursache für die Geräuschanregung sind Störungen der theoretischen Eingriffsverhältnisse, die durch Verformung der im Kraftfluss liegenden Zahnräder und durch Verzahnungsfehler hervorgerufen werden. Eingriffstörungen beeinträchtigen die Gleichförmigkeit der Bewegungsübertragung zwischen Rad und Ritzel. Sie können mit Hilfe der Drehfehlermessung bestimmt werden. Eine Verminderung der Geräuschanregung lässt sich durch Schrägverzahnung und durch eine Profilkorrektur erreichen. Die Forschungen am WZL zeigen, wie bei bekannter Steifigkeit der Verzahnung und Getriebebelastung eine Profilkorrektur ausgelegt werden kann, durch die eine Verringerung des Drehfehlers und des Geräusches möglich ist. Die bis 1969 durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass bereits auf empirischem Wege umfangreiche Kenntnisse über die Zusammenhänge zwischen Verzahnungsgeometrie und Geräuschabstrahlung gewonnen werden können. Welche Ursachen diesen experimentell gefundenen Ergebnissen zugrunde liegen, ist jedoch zum damaligen Zeitpunkt noch weitgehend ungeklärt. Ferdinand Tesch [Tesc1969] trägt dazu bei, dass eine einheitliche analytische Darstellung der an Getrieben unterschiedlicher Leistung und Verzahnungsgenauigkeit auftretenden Geräuschabstrahlung gefunden wird. Die zu diesem Zweck durchgeführten theoretischen und experimentellen Untersuchungen sollen zum einen klären, durch welche geometrischen Zusammenhänge der Zahneingriff unter Berücksichtigung von Verzahnungsfehlern und Zahnverformungen beschrieben werden kann. Zum anderen soll analysiert werden, welche der gefundenen Größen als Ursachen für eine Geräuschanregung anzusehen sind. Mit den gefundenen geometrischen Beziehungen und akustischen Gesetzen können hier quantitative Angaben über die

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Geräuschabstrahlung bzw. über die Änderung der Geräuschabstrahlung bei belasteten oder fehlerhaften Getrieben gemacht werden. Zur Überprüfung der Aussagekraft dieser Beziehungen erfolgt ein Vergleich der an verschiedenen Getrieben vorgenommenen Geräuschuntersuchungen mit rechnerischen Ergebnissen. Hinsichtlich der Geräuscherzeugung schnelllaufender Stirnradgetriebe treten im Vergleich zu langsamlaufenden Getrieben unzulässig hohe Geräuschpegel auf. Dies nimmt Günther Lanzerath [Lanz1970] zum Anlass, eine Analyse des Geräuschverhaltens schnelllaufender Stirnradgetriebe und den anschließenden Vergleich mit langsamlaufenden Getrieben vorzunehmen. Daraus kann abgeleitet werden, ob und in welchem Umfang die Untersuchungsergebnisse von langsamlaufenden Zahnradgetrieben auf schnelllaufende übertragen werden können. Außerdem versucht Lanzerath, dem Konstrukteur gezielt einsetzbare konstruktive Maßnahmen zu zeigen, mit denen er in einfacher Form und unter wirtschaftlich vertretbaren Aspekten eine wesentliche Verringerung der Geräuschabstrahlung des Getriebes erreichen kann. Bei schnelllaufenden Getrieben, die häufig zur Übertragung besonders hoher Leistungen eingesetzt werden, treten aufgrund der Anregung im Zahneingriff verstärkt dynamische Belastungen auf. Diese beeinflussen sowohl die mechanische Beanspruchung als auch das abgestrahlte Geräusch. Die Nichtbeachtung des dynamischen Verhaltens bei der Konstruktion führt daher zu Fehleinschätzungen in Bezug auf die Leistungsfähigkeit und Geräuschentwicklung. Mit dem dynamischen Verhalten schnelllaufender Zylinderradgetriebe befasst sich Armin Winkler [Wink1975]. Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung von Grundlagen, die eine Berücksichtigung der im Zahneingriff auftretenden dynamischen Zusatzkräfte in der Konstruktionsphase ermöglichen. Dabei sollen lediglich die Zusatzkräfte ermittelt werden, die aus der zeitlich veränderlichen Verzahnungssteifigkeit resultieren. Dazu wird zunächst anhand von Reihenmessungen an Prüfstandsgetrieben nachgewiesen, in welcher Größenordnung sich dynamische Zusatzkräfte an gerad-, schräg- und doppelschrägverzahnten Zylinderradgetrieben bewegen und von welchen Einflussgrößen sie abhängen. Da nicht zu erwarten ist, dass sich die gefundenen Zusammenhänge ohne weiteres auf Getriebe anderer Konstruktionen und Abmessungen interbzw. extrapolieren lassen, wird ein Rechenverfahren entwickelt, das sich für die Berechnung dynamischer Zusatzkräfte an Zahnradgetrieben eignet. Mit Hilfe der bis dato durchgeführten Arbeiten ist es jedoch nicht oder nur mit unzureichender Genauigkeit möglich, die Steifigkeit eines Zahnpaares sowie der gesamten Verzahnung für jede beliebige Eingriffsstellung zu berechnen. Somit stellt sich für Heinz Ziegler [Zieg1971] die zentrale Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die Steifigkeit von Zahnpaaren sowie der gesamten Verzahnung exakt bestimmt werden kann. Mit diesem Verfahren ist es auch möglich, eine Aussage über die Aufteilung der Gesamtlast auf die an der Kraftübertragung beteiligten Zähne sowie über die Lastverteilung längs der Berührlinien der einzelnen Zähne zu treffen. Im Hinblick auf die Entwicklung entsprechender Digitalrechnerprogramme zur Berechnung des statischen und dynamischen Verhaltens mehrstufiger Zahnradgetriebe betrachtet Peter Werner Gold [Gold1979b] zunächst die einzelnen Nachgiebigkeitsanteile von Zahnradgetrieben. Hierbei wird gezeigt, wie die Nachgiebigkeiten von

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Verzahnungen, Radkörpern, Verbindungselementen, Wellen und Wälzlagern bestimmt werden können und diese Eingang in ein dynamisches Modell zur Ermittlung der Torsionseigenschwingungen finden. Werner Möllers [Möll1982] befasst sich mit den Auswirkungen der inneren Anregungsmechanismen auf das Schwingungsverhalten und die Tragfähigkeit von Zylinderradgetrieben. Mit Hilfe eines Digitalrechnerprogramms, welches die Arbeitsweise eines Analogrechners imitiert, können die Verhältnisse im Zahneingriff realistisch nachgebildet werden. Die Ergebnisse der Simulationsrechnung werden stichpunktartig mit Messergebnissen verglichen. Grundsätzlich kann festgestellt werden, dass die Übereinstimmung zwischen Rechnung und Messung hinsichtlich des Schwingungsverhaltens und der dadurch bedingten Kräfte sehr gut ist. In einem weiteren Teil seiner Arbeit wird gezeigt, dass zwischen den Fourierspektren der Verzahnungssteifigkeitsverläufe und dem Auftreten von Haupt- und Vorresonanzen ein enger Zusammenhang besteht. Ein Jahr später unternimmt Sepp Lachenmaier [Lach1983] umfangreiche Geräuschuntersuchungen an 150 Leistungsgetrieben. Im Rahmen seiner Arbeit, die den Titel „Auslegung von evolventischen Sonderverzahnungen für schwingungs- und geräuscharmen Lauf von Getrieben“ trägt, entwirft Lachenmaier ein Sondermessverfahren zur Bestimmung des Getriebegeräusches aus dem Gesamtgeräusch einer Anlage. Aufbauend auf den messtechnischen Ergebnissen wird im zweiten Teil seiner Arbeit anhand von Trendanalysen und theoretischen Betrachtungen gezeigt, wie die gezielte Veränderung einzelner Getriebeparameter die akustischen Eigenschaften günstig beeinflussen kann. Als geeignete Kenngröße zur Geräuschbeurteilung einer Verzahnung werden die Zahnpaarsteifigkeitsverläufe, die unter Berücksichtigung des Gesamtüberdeckungsgrades resultierenden Summenverläufe sowie deren Spektralanalysen eingesetzt. Die im letzten Teil dargestellte Vorgehensweise zur Bestimmung der evolventischen Flankengeometrie ermöglicht unter Berücksichtigung der akustischen und technischen Vorgaben eine Realisierung geräuscharmer Verzahnungen. Es hat sich gezeigt, dass bei der Auslegung von Hochverzahnungen die geometrischen und herstellungsbedingten Grenzen wie die Spitzgrenze oder Mindestzahnkopfdicke sowie der Unterschnitt durch das Erzeugungswerkzeug wesentlich stärker zu beachten sind als bei konventionellen Auslegungen. Die für die Radpaarung entscheidende Grenze, die aus den Gleitverhältnissen resultiert, kann in Form verschiedener Gleitkriterien als Steuergröße für das Auslegungsverfahren wirkungsvoll eingesetzt werden. Einen gänzlich anderen Weg zur Geräuschminderung beschreitet Jörg Recktenwald [Reck1987]. Gehäuse für Industriegetriebe aus Polymerbeton können nach seinen Ergebnissen problemlos gefertigt und betrieben werden. Die durchgesetzte Maximalleistung beträgt bei einer Gehäusevariante mit 500 mm Achsabstand 3,1 MW bei einem Verspannmoment von 22000 Nm an der Radwelle. Neben akustischen Vorteilen, die zu Pegelabsenkungen von bis zu 9 dB(A) führen, ergeben sich herstellungsbedingte Vereinfachungen, die diese Technologie für alle Getriebehersteller interessant machen. Hartmut Saljé [Salj1987] legt eine Darstellung der wesentlichen Anregungsmechanismen im Zahneingriff eines Leistungsgetriebes anhand ihrer physikalischen

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Charakteristika vor. Er weist nach, dass prinzipiell die Verzahnungsgeometrie eines hochbelasteten Leistungsgetriebes durch Hochverzahnungen oder Zahnflankenkorrekturen hinsichtlich Geräuscharmut optimiert werden kann, da diese Maßnahmen zu einer wirksamen Abschwächung der Körperschallanregung aus dem Zahneingriff führen. Für Zylinderräder steht bis dato mit dem Schälwälzfräsen ein sehr leistungsfähiges Hartfein-Bearbeitungsverfahren zur Verfügung, welches für viele Anwendungsfälle als Alternative zum Schleifen einsetzbar ist. Wolfgang Rautenbach [Raut1988] erarbeitet daher Grundlagen über das Laufverhalten von schälwälzgefrästen Zahnrädern. Wolfgang Wittke [Witt1994] stellte einige Jahre später fest, dass die Festlegung der Kontaktgeometrie eines Getriebes nur dann zu einer optimalen Lösung führen kann, wenn alle für das Lauf- und Beanspruchungsverhalten relevanten Einflussparameter berücksichtigt werden. Gegenstand seiner Arbeit ist somit die Entwicklung von Berechnungsansätzen und Auslegungsrichtlinien zur gezielten Verbesserung des dynamischen Lauf- und Beanspruchungsverhaltens von Stirnradgetrieben durch die Gestaltung der Kontaktgeometrie. Auswirkungen von Rauheit, Oberflächenstruktur und Fertigungsabweichung auf das Lauf- und Geräuschverhalten untersucht schließlich Andreas Hohle [Hohl2002]. In seiner Arbeit werden die Einflüsse von Rauheiten und Strukturen der Zahnflanken auf das Lauf- und Geräuschverhalten von makrogeometrisch geräuschoptimierten, hochüberdeckenden Verzahnungen anhand experimenteller Versuche systematisch untersucht. Er zeigt, dass herstellungsbedingte Mikrorisse keinen Einfluss auf die Schallemission haben. Bezüglich der Problematik des Geräuschverhaltens von Getrieben wird bis heute geforscht. Frank Wattenberg untersucht derzeit am WZL die Potenziale hinsichtlich einer Reduzierung des abgestrahlten Getriebegeräusches sowie einer Reduzierung der Bauteilmasse eines Getriebegehäuses durch die Funktionstrennung in einen tragenden Rahmen und eine zusätzliche Wandung aus einem leichten und geräuschgünstigen Werkstoff. Zur Verbesserung des Geräuschverhaltens und zur Gewichtsreduktion von Zahnradgetrieben erforscht Dietmar Mandt den Einsatz leichter und dämpfender Materialien im Radkörper von Zahnrädern. Die Übertragung hoher Leistungen, die mit der Stahlverzahnung vergleichbar sind, stehen dabei im Vordergrund. Joachim Hesse führt diese Untersuchungen fort und erforscht zudem, inwiefern das Geräuschverhalten flankenoptimierter Radsätze auf die Geräuschemission des Gesamtgetriebes übertragbar ist. 6.3.3.2 Kegelräder Aufbauend auf den im Bereich der Stirnräder gewonnenen Erkenntnissen zum Themengebiet „dynamisches Verhalten und Geräuscherzeugung“ ist für Kegelradverzahnungen eine erste Dissertation Ende der 1960er Jahre von Christoph Quast [Quas1967] erschienen. Er beschäftigt sich insbesondere mit dem Einfluss von Lagefehlern in Kegelradgetrieben auf die Geräuscherzeugung, da zahlreiche Untersuchungen an Stirnradgetrieben gezeigt haben, dass Störungen der theoretischen Eingriffsverhältnisse zum Beispiel durch Fertigungsfehler oder Zahnverformungen immer mit einer Zunahme des Geräusches verbunden sind. Ausgehend von den theoretisch exakten Eingriffsverhältnissen werden Lagefehler aufgebracht, um so einen Zusammenhang

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zwischen den Abweichungen und der Geräuscherzeugung zu ermitteln. In diese Untersuchungen bezieht er neben Rädern mit „exakten“ Flankenflächen auch solche ein, die mit Höhen- und Breitenballigkeit gefertigt werden, da aus der Praxis bekannt ist, dass sich solche Korrekturen günstig auf das Laufverhalten der Getriebe auswirken. Untersuchungen über den Einfluss von Montagefehlern bei geradverzahnten Kegelrädern auf die Genauigkeit der Bewegungsübertragung und das Tragbild erörtert im gleichen Jahr Harald Horst Henk [Henk1967]. Er untersucht, welchen Einfluss Montagefehler auf die Genauigkeit der Bewegungsübertragung von Kegelrädern ausüben. Bei der Behandlung dieses Problems wird die Lage des Tragbildes betrachtet. Die Praxis zeigt, dass auch bei genauer Einhaltung der theoretischen Einbaumaße eine Überprüfung der Tragbildlage und, daraus resultierend, Einbaukorrekturen notwendig sind, um zu gewährleisten, dass bei Belastung keine Lastkonzentrationen an den Zahnenden und im Fuß- oder Kopfbereich auftreten. Eine weitere Dissertation zu dieser Thematik erstellt Dieter Hager [Hage1971]. Die Arbeit mit dem Titel „Verzahnungsgenauigkeit und Laufruhe von Kegelradgetrieben“ beschreibt die Grundlagen zu einer funktionsgerechten Getriebeauslegung bei wirtschaftlich vertretbaren Kosten. Hager erläutert Wege, mit denen sich die Geometrie einer Verzahnung und die Eigenschaften eines Getriebes schon vor der Fertigung weitgehend vorausbestimmen lassen. Durch eine quantitative Ermittlung von Einflussgrößen werden für den Konstrukteur die Voraussetzungen geschaffen, ein Kegelradgetriebe so auszulegen, dass es eine den jeweiligen Anforderungen entsprechende Lösung erzielt. 1983 befasst sich Herbert Schriefer [Schr1983] mit der Verzahnungsgeometrie und dem Laufverhalten bogenverzahnter Kegelradgetriebe. Ziel seiner Arbeit sind die Entwicklung eines einheitlichen EDV-Berechnungssystems für die Bestimmung der Flankengeometrie und die Analyse des Eingriffsverhaltens von allgemeinen bogenverzahnten Kegelradgetrieben. Mit Hilfe des Berechnungsmodells der Zahnkontaktanalyse untersucht er last- und fertigungsbedingte Einflüsse auf das Getriebelaufverhalten und erläutert die wälzabweichungsbedingte Schwingungsanregung des Getriebes durch die Fourieranalyse. Rund zehn Jahre später beschäftigt sich Christoph Plewnia [Plew1992] wieder mit der Thematik des dynamischen Verhaltens von Kegelradgetrieben. In seiner Dissertation analysiert er das Drehübertragungs- und Geräuschverhalten bogenverzahnter Kegelradgetriebe. Die Entwicklungstendenzen im modernen Leistungsgetriebebau haben gezeigt, dass steigende Anforderungen an das Lauf- und Geräuschverhalten von Getrieben gestellt werden. Daher dient die Arbeit Plewnias im Rahmen der übergeordneten Zielsetzung der Geräuschreduzierung der messtechnischen und rechnerischen Untersuchung der Laufeigenschaften von bogenverzahnten Kegelradgetrieben unter Betriebsbedingungen. Hierzu erfolgt zunächst die Entwicklung von Messsystemen, die als Sammelfehler-Messverfahren die Erforschung der Kontaktverhältnisse im Zahneingriff unter betriebsnahen Drehzahlen ermöglichen. Die bestehende inkrementelle Messtechnik zur Durchführung der Einflanken-Wälzprüfung wird in dieser Arbeit weiterentwickelt und eine Drehbeschleunigungsmessung eingeführt, die den Beschleunigungsverlauf der Einflanken-Wälzabweichung direkt erfasst (Abb. 6.4).

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Eine weitere Dissertation mit dem Thema „Analyse und Optimierung des Lauf- und Geräuschverhaltens bogenverzahnter Kegelräder“ verfasst 1999 Johannes Becker [Beck1999]. Ziel dieser Arbeit ist es, Möglichkeiten abzuleiten und zu erproben, mit denen

Abb. 6.4 Verschiedene Ansichten einer Kegelrad-Messzelle [Plew1992]

das Lauf- und Geräuschverhalten von Kegelradverzahnungen bereits in der Konstruktionsphase analysiert und gezielt verbessert werden kann. Eine bereits in der Auslegungsphase durchführbare Verzahnungsoptimierung reduziert als primäre Geräuschminderungsmaßnahme die im Zahneingriff entstehende Anregung und trägt zudem aus betriebswirtschaftlicher Sicht zu einer Verkürzung der Entwicklungszeiten und zu einer Reduzierung der Entwicklungskosten bei (Abb. 6.5). In neueren Arbeiten beschäftigt sich Jan Hemmelmann mit der FE-basierten Zahnkontaktanalyse für beliebige Verzahnungen. Dabei setzt er sich eingehender mit der lastfreien Zahnkontaktanalyse auseinander und verifiziert die Simulation anhand umfangreicher Industrieversuche. 6.3.4 Optimierung der Zahnflanken- und Zahnfußtragfähigkeit Durch gezielte Entwicklungs- und Forschungsarbeiten gelingt es den Mitarbeitern des WZL im Laufe der Jahre, die Tragfähigkeit von Verzahnungen erheblich zu steigern. Dies betrifft sowohl die Zahnfuß- als auch die Zahnflanken-Tragfähigkeit. Die erzielten

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Abb. 6.5 Vorgehensweise bei der Optimierung von Kegelradverzahnungen [Beck1999]

Tragfähigkeitssteigerungen können im Wesentlichen durch eine bessere Berechenbarkeit von Verlagerungen, Verformungen und dynamischen Beeinflussungen sowie durch einen optimierten Einsatz von Werkstoff und Wärmebehandlung erreicht werden. 6.3.4.1 Stirnräder Bis zum Ende der 1950er Jahre befassen sich die ersten Untersuchungen über die Grübchenbildung mit der empirischen Ermittlung der Zusammenhänge zwischen Belastung und Beginn der Grübchenbildung für verschiedene Betriebsbedingungen, um dem Konstrukteur Werte für die Auslegung von Getrieben zu geben. Später stehen die Ursachen der Grübchenbildung im Vordergrund, um mit deren Beseitigung leistungsfähigere Getriebe bauen zu können. Max Gappisch [Gapp1962] beginnt Anfang der 1960er Jahre im Rahmen seiner Dissertation, die Vorgänge bei der Grübchenbildung an Evolventen-Zahnflanken näher zu untersuchen (Abb. 6.6). Dabei wird mit Hilfe

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metallografischer und röntgenografischer Untersuchungsmethoden versucht, einen tieferen Einblick in die Ursachen der Grübchenbildung zu gewinnen. Die neben dem Grübchenverschleiß auftretenden Verschleißerscheinungen wie Zahnbruch und Reibverschleiß bleiben bei diesen Betrachtungen noch unberücksichtigt. Fünf Jahre später befassen sich zwei Wissenschaftler am WZL mit der Berechenbarkeit des Einflusses von Verlagerungen und Verformungen auf die Tragfähigkeit von Stirnradgetrieben. Schwerpunkt der Untersuchungen ist zum einen die Ermittlung des Einflusses zwischen Flankenrichtungsfehler und kreisförmiger Breitenballigkeit auf die Tragfähigkeit von Stirnradgetrieben. Hierzu werden von Johannes Rademacher [Rade1967] rechnerische Ansätze aufgestellt, die zur Ermittlung von Beziehungen

Abb. 6.6 Grübchenbildung an einem einsatzgehärteten Zahnrad [Grap1962]

zwischen der Fehlergröße und den Tragbreiten sowie maximalen Belastungen an der Verzahnung dienen und die sich durch Experimente bestätigen lassen. Zum anderen führt Konrad Feltkamp [Felt1967] Untersuchungen durch über den Einfluss von Fertigungsfehlern und Zahnfußausrundungen auf die Zahnfußbeanspruchung und die Tragfähigkeit gehärteter Stirnräder. 1968 erforscht Wolfdieter Schlobach [Schl1968] die Auswirkung unterschiedlicher Wärmebehandlungen auf die Zahnfußfestigkeit von geradverzahnten Stirnrädern. Neben der Änderung der Werkstoffeigenschaften infolge der Wärmebehandlung sollen die durch thermische Behandlung und mechanische Bearbeitung der Zahnräder verursachten Eigenspannungen im Zahnfuß untersucht werden. Hierbei ist der Zusammenhang zwischen den an der Oberfläche ermittelten Eigenspannungen und der an den gleichen Rädern in Pulsatorversuchen bestimmten Zahnfußfestigkeit von besonderem Interesse. Zur Klärung der unterschiedlichen Zahnfußfestigkeiten werden zusätzlich metallografische Untersuchungen und Mikrohärtemessungen durchgeführt. Über die Belastung und die Lebensdauer von Stirnradgetrieben unter Betriebsbedingungen macht sich Gerhard Breidenbach [Brei1970] Gedanken. In seiner Arbeit bestimmt er den Einfluss veränderlicher Belastungen auf die Zahnflanken- und Zahnfußtragfähigkeit von Stirnrädern. Anhand der gewonnenen Ergebnisse erweitert er das für konstante Belastungen geltende Auslegungsverfahren so, dass die gesicherte Vorausbestimmung der Getriebelebensdauer auch unter veränderlichen Belastungen möglich ist.

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Einen Beitrag zur Lebensdauerabschätzung von Stirnrädern bei Zahnkraftkollektiven mit geringem Völligkeitsgrad leistet Hartmut Groß [Groß1974]. Um möglichst praxisnahe Aussagen über Lastkollektive ableiten zu können, ist es zunächst erforderlich, Drehmomentmessungen an installierten Getrieben vorzunehmen. Dabei ist zu klären, welche zeitlichen Belastungsverläufe an installierten Getrieben vorkommen und welche Belastungskollektive daraus resultieren. Aufgabe von Prüfstandsversuchen ist es, die gemessenen Belastungsverläufe möglichst praxisnah und umfassend zu simulieren. Die gewonnenen Versuchsergebnisse geben dann Aufschluss über Faktoren, die die Getriebelebensdauer bestimmen. Bert Wienands [Wien1974] beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Berechnungsverfahrens, mit dem unter Berücksichtigung besonderer Belange der Praxis die Betriebssicherheit bandagierter Zahnräder bei gleichzeitig ausgewogenem Verhältnis der Sicherheiten gegenüber einem Verschieben der Bandage und einem Zahnbruch gewährleistet werden kann. Um zu klären, unter welchen Bedingungen sich eine Bandage auf dem Randkörper verschiebt, ermittelt er zunächst auf theoretischem Wege die Schubspannungen in der Fügefläche. Darüber hinaus analysiert er die Probleme, die beim Kleben von Bandagen auftreten. 1982 versucht Armin Gohritz [Gohr1982], eine umfassende Darstellung und Gewichtung der Einflussfaktoren der Bauteilgröße auf die Flankentragfähigkeit zu erzielen, die die Auslegung mittlerer und großer Getriebe auf Basis der an kleinen Getrieben ermittelten Tragfähigkeitswerte erlaubt. Ausgehend von den Tragfähigkeitsuntersuchungen an Rollen mit verschiedenen Durchmessern für Vergütungswerkstoffe und Einsatzwerkstoffe werden die den Größeneinfluss bestimmenden Mechanismen analysiert und ein Lösungsweg zur quantitativen Erfassung des Größeneinflusses gezeigt. Im weiteren Verlauf führt die Entwicklung der Tragfähigkeitssteigerung von Verzahnungen dazu, dass das schwächste Glied in der Getriebeauslegung nunmehr in den Verbindungselementen von Zahnrad und Welle zu suchen ist. Hier werden in erster Linie Passfedersysteme eingesetzt, da diese kostengünstig zu fertigen sind. Aus dieser Sicht bietet sich der Einsatz von reibschlüssigen Welle-Zahnradverbindungen an, da sie ähnlich kostengünstig gefertigt werden können wie Passfederverbindungen. Manfred Hofschneider [Hofs1987] verarbeitet die in seiner Arbeit gefundenen mathematischen Zusammenhänge in einem Berechnungsprogramm zur sicheren Auslegung aufgeschrumpfter Zahnräder hinsichtlich der Zahnfußtragfähigkeit und der Drehmomentübertragung in der Fügefläche. Das Programm ist so ausgelegt, dass eine Optimierung des Welle-Zahnrad-Systems unter verschiedenen Gesichtspunkten, die die Sicherheit gegen Zahnfußbruch, Mikrowandern, Mikroschlupf und Nabenbruch betreffen, durchgeführt werden kann. Die stetig steigenden Anforderungen an Zahnradgetriebe erfordern bereits im Konstruktionsprozess Berechnungsverfahren, mit denen die genauen Beanspruchungen und dynamischen Kenngrößen der Zahnradpaarungen ermittelbar sind. In der Arbeit von Hans-Bert Bong [Bong1990] mit dem Titel „Erweiterte Verfahren zur Berechnung von Stirnradgetrieben auf der Basis numerischer Simulationen und der Methode finiter Elemente“ stellt er Algorithmen vor, welche die relevanten Einflussgrößen im Zahnkontakt von Stirnrädern (Zahngeometrie, Radkörperbauform, Flankentopografie,

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Wellengeometrie und Lagereinfluss) mit Hilfe numerischer Simulationsrechnungen und der Methode finiter Elemente erfassen. Der zentrale Berechnungsschritt liegt hierbei in der Ermittlung der Lastverteilung über der Zahnbreite und der Aufteilung der Last auf die im Eingriff befindlichen Zahnpaare. Gegenstand der Arbeit von Georg Mauer [Maue1990] ist die Beschreibung und optimierte Auslegung von Zahnflankenkorrekturen für Leistungsgetriebe. Dabei wird der allgemeine Fall beliebig gekreuzter Getriebeachsen zugrunde gelegt. Ausgangspunkt sind die vielfältigen und hohen Anforderungen an moderne Zahnradgetriebe sowie die physikalischen Mechanismen im Zahneingriff, welche die Verzahnungseigenschaften hinsichtlich der kompakten, geräuscharmen und genauen Leistungsübertragung für eine geforderte Lebensdauer bestimmen. Bei der Auslegung von Zahnradgetrieben nach den Berechnungsgrundlagen der DIN wird der Einfluss der Oberflächenstruktur auf die Zahnflankentragfähigkeit über einen Faktor berücksichtigt, der lediglich die gemittelte Rautiefe beinhaltet. Aufgrund der Vielzahl unterschiedlicher Vor- und Fertigbearbeitungsverfahren ergeben sich Zahnflankenoberflächen, die sich nicht nur in Form und Orientierung der Oberflächenstruktur unterscheiden. Peter Fritsch [Frit1991] zeigt in seinen Untersuchungen die Notwendigkeit, die Form beziehungsweise Orientierung der Oberflächenstruktur bei der Auslegung zu berücksichtigen. Er weist nach, dass das allgemein verwendete Ausfallkriterium Grübchenbildung allein nicht ausreichend ist, um den Einfluss der Oberflächenstruktur auf die Zahnflankentragfähigkeit zu bewerten. Erst die zusätzliche Beachtung von verschleißbedingten Profil-Formabweichungen als zweites Kriterium erlaubt die eindeutige Bestimmung von Tragfähigkeitswerten unterschiedlich feinbearbeiteter Verzahnungen. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen stellt Fritsch einen modifizierten Rauheitsfaktor vor, mit dem die Oberflächenstruktureigenschaften auf die Zahnflankentragfähigkeit besser rechnerisch abschätzbar werden. Das Verfahren des Kugelstrahlens nutzt Johannes Köcher [Köch1996], um durch Beschuss der Bauteiloberfläche mit kleinen harten Kugeln die Bauteileigenschaften in der Randschicht gezielt zu beeinflussen. Damit soll eine Verbesserung der Tragfähigkeit von Verzahnungen erzielt werden. In seinen Untersuchungen werden die Veränderungen in der Bauteilrandschicht der Verzahnungen und das daraus resultierende Verhalten bei Wälz- und auch Biegebeanspruchung unterschiedlicher Werkstoffe und Gefüge beschrieben. Ziel der Arbeit ist es, Erkenntnisse über optimale Strahlbehandlungsparameter zur Steigerung der Zahnflankentragfähigkeit zu finden und den Einfluss von Werkstoff und Gefüge auf die Steigerungsmöglichkeiten zu ermitteln. Er kommt zu dem Ergebnis, dass die erzielbare Steigerung der Grübchentragfähigkeit an geradverzahnten Stirnrädern für typische Einsatzstähle bei ungefähr 10 % liegt. Die Anwendung mathematischer und wissensbasierter Verfahren zur Stirnradauslegung ist Thema der Arbeit von Heinz-Josef Tenberge [Tenb1996]. Er baut ein Auslegungssystem auf, das – ausgehend von der Anforderungsspezifikation bis hin zur Festlegung der optimalen Stirnradmakrogeometrie – den Auslegungsprozess unterstützt. Zentrale Bausteine für diese Aufgabe sind leistungsfähige Verfahren zur rechnerunterstützten Ermittlung lauffähiger, beanspruchungsgerechter und geräuscharmer Verzahnungen. Sie sind im Hinblick auf die Zahnradauslegung wenig bekannt und

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erforscht. Daher entwickelt und untersucht Tenberge zwei konkurrierende und grundsätzlich verschiedene Auslegungsansätze im Hinblick auf ihre praxisnahen Einsatzmöglichkeiten. Der erste thematische Schwerpunkt dieser Arbeit besteht in der Betrachtung mathematischer Parameteroptimierungsverfahren zur Auslegung beanspruchungsgerechter, geräuschoptimaler Stirnradverzahnungen. Den zweiten Schwerpunkt bilden die wissensbasierten Verfahren. Sie versprechen, das menschliche Problemlösungsverhalten mit Hilfe neuer Softwarearchitekturen geeignet in einem Rechner darstellen zu können. Roland Strehl [Stre1997] führt im Rahmen seiner Arbeit Grundlagenuntersuchungen hinsichtlich des Tragfähigkeitsverhaltens für Zahnräder aus hochfestem Sinterstahl durch. Diese Zahnräder werden mit einer neuen Werkstoffzusammensetzung und einem neuen Fertigungsverfahren hergestellt. Hierzu sind umfangreiche Werkstoffuntersuchungen und Dauerfestigkeitsversuche an gesinterten Evolventenzahnrädern notwendig, wobei die Gefügezusammensetzung der einsatzgehärteten Randzone, die Zahnfuß- und Grübchentragfähigkeit und das Verschleißverhalten zu untersuchen sind. Im Jahr 2000 untersucht Heinz-Peter Ehren [Ehre2000] die Tragfähigkeitsreserven geradverzahnter Innenverzahnungen durch die Zunahme der Überdeckung unter Last. Zu diesem Zweck entwirft er neue Berechnungsmöglichkeiten. Mit diesen werden der Einfluss der Verzahnungsmakrogeometrie auf den lastabhängigen Überdeckungszuwachs und die daraus resultierende Reduzierung der Flanken- und Zahnfußbeanspruchung bestimmt. Aus dem Vergleich der numerisch berechneten Beanspruchung und der Beanspruchung nach DIN wird die Erhöhung der Tragfähigkeit in Abhängigkeit der Gesamtüberdeckung unter Last ermittelt. Dazu wird ein iterativer Berechnungsansatz vorgestellt, mit dessen Hilfe unter Vorgabe der auftretenden Zahnverformung die Gesamtüberdeckung bestimmt werden kann. Zwei Jahre später beschäftigt sich Junqing Cao [Cao2002] mit der anforderungs- und fertigungsgerechten Auslegung von Stirnradverzahnungen durch Zahnkontaktanalyse mit Hilfe der FE-Berechnung (Abb. 6.7). Er untersucht die Potenziale in der Makrogeometrie und Flankentopografie zum Ausgleich der im Zahneingriff vorliegenden Abweichungen. Seine Forschungsarbeit zeigt, dass durch Erhöhung der Profil- und Sprungüberdeckung sowie durch günstige Toleranzfeldlage und Flankenmodifikationen die Auswirkungen der unvermeidlichen Fertigungsabweichungen gezielt ausgeglichen werden können. Auf der Basis dieser Untersuchung entsteht eine neue Vorgehensweise zur Auslegung abweichungsunempfindlicher Makrogeometrien und Flankentopografien von Stirnrädern. Im Jahr 2003 entwickelt Gerhard Kotthoff [Kott2003] ein Verfahren zur Tragfähigkeitssteigerung gesinterter Zahnräder, das wichtige Hinweise für den industriellen Einsatz gibt. In neueren Arbeiten zum Themenbereich der Zahnkontaktanalyse von Stirnradverzahnungen unter Last mit Hilfe der FE-Methode beschäftigt sich Jan Schäfer mit der Anwendung der Zahnkontaktanalyse, der Erweiterung des bestehenden Leistungsumfangs der Software sowie der Verbesserung der bis dato angewendeten Berechnungsgrundlagen. Adam Gacka führt diese Untersuchungen weiter und beschäftigt sich mit der Auslegung asymmetrischer Zahngeometrien von Stirnrädern.

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Abb. 6.7 Spannungsverteilung im Zahn und Radkörper [Cao2002]

6.3.4.2 Kegelräder Forschungstätigkeiten bezüglich der Tragfähigkeit von Kegelradgetrieben beginnen am WZL Anfang der 1970er Jahre. Die Idee, den Einfluss von kreisförmigen Balligkeiten auf die Flankentragfähigkeit zu untersuchen, überträgt Dieter Wiener [Wien1970] von Stirnrädern auf Kegelräder (Abb. 6.8). Er erstellt ein Berechnungsverfahren, mit dem die verschiedenen Kegelradarten, wie Gerad-, Schräg- und Spiralverzahnungen, untersucht werden können. Dabei wird auch der Einfluss verschiedener Verzahnungsparameter wie Belastung, Balligkeiten und Schrägungswinkel auf die Tragfähigkeit in die Untersuchungen einbezogen. Peter Bagh [Bagh1973] erfasst später rechnerisch den Zusammenhang zwischen der genauen Kegelradgeometrie, der äußeren Belastung und den sich im Zahnfuß ausbildenden Spannungen. Dazu beschreibt er zunächst die Verzahnungsgeometrie in Abhängigkeit von den Verzahnungsgrunddaten und den verfahrensbedingten Maschineneinstelldaten. Mit Hilfe eines Digitalrechnerprogramms schafft er die Möglichkeit, die Erzeugung der Kegelradgeometrie zu simulieren und diese so aufzubereiten, dass die entstandene Modellstruktur für eine Spannungsanalyse geeignet ist. Durch seine Arbeit mit dem Titel „Über die Zahnfußtragfähigkeit spiralverzahnter Kegelräder“ kann nachgewiesen werden, dass sich die Zahnkrümmung spiralverzahnter Kegelräder günstig auf die Lastverteilung über der Zahnbreite auswirkt. Zehn Jahre später ist das Ziel der Dissertation „Berechnung der Zahnkräfte, Pressungen und Spannungen von Stirn- und Kegelradgetrieben“ von Bernd Neupert [Neup1983] die Entwicklung eines Berechnungssystems, das die genaue Ermittlung der

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Abb. 6.8 Kegelradverspannungsprüfstand für Tragfähigkeitsuntersuchungen [Wien1970]

Kontaktkräfte und der Beanspruchungen von Zahnrädern mit allgemeiner Verzahnungsgeometrie ermöglicht (Abb. 6.9). Das bedeutet, dass neben der Berechnung von achsversetzten bogenverzahnten Kegelrädern die entwickelten Algorithmen auch auf andere Verzahnungsarten, wie beispielsweise Stirn-, Schnecken- und Schraubräder übertragbar sind. Die Forderung nach hochoptimierten Kegelradstufen mit kleinem Bauraum bei hohen übertragbaren Leistungen, hohem Wirkungsgrad und verminderter Geräuschabstrahlung wird Ende der 1980er Jahre ständig stärker. In der Arbeit von Hermann J. Stadtfeld [Stad1987] mit dem Titel „Anforderungsgerechte Auslegung bogenverzahnter Kegelradgetriebe“ entsteht eine Synthese zwischen Verzahnmaschinentheorie und Übertragungseigenschaften der generierten Verzahnungen. Er entwickelt raumkinematische Lösungsmethoden basierend auf dem Verzahnungsgesetz und für nichtlineare Maschinenkinematiken. Das Ziel sind Ease-Off-Gestaltungselemente, die alle wesentlichen geometrischen und kinematischen Möglichkeiten der Kegelradverzahnmaschinen ausnutzen, um komplizierte Flankenkorrekturen unter Anwendung einfacher Maschinen und Werkzeuge zu ermöglichen. Mit der rechnerischen Analyse und Optimierung des Beanspruchungsverhaltens bogenverzahnter Kegelräder beschäftigt sich Matthias Schweicher [Schw1994] Anfang der 1990er Jahre. Er analysiert den Einfluss der wichtigen Geometrieparameter Flankenlängskrümmung, Spiralwinkel und Achsversatz auf die Beanspruchung bogenverzahnter Kegelräder anhand einer praxisgerechten Beispielverzahnung mit Hilfe der am WZL entwickelten Software „Programmkette Kegelradberechnung“ systematisch. Neben der Makrogeometrie wird auch die Kontaktgeometrie berücksichtigt und deren

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Abb. 6.9 Linien gleicher Spannung in einem verformten Zahnquerschnitt [Neup1983]

Einfluss auf das Beanspruchungsverhalten sowie das Laufverhalten herausgestellt. Auf der Grundlage der erzielten Ergebnisse werden die Mechanismen, die die Tragfähigkeit einer Verzahnung in Abhängigkeit des jeweiligen Parameters beeinflussen, herausgestellt und Gegenmaßnahmen aufgezeigt, damit der Konstrukteur Richtlinien für eine gezielte Dimensionierung dieser Parameter hinsichtlich einer optimalen Beanspruchbarkeit zur Hand hat. Alexander Landvogt [Land2003] trägt dazu bei, einen Überblick über den Einfluss der Hartfeinbearbeitung und der Flankentopographieauslegung auf das Lauf- und Geräuschverhalten von Hypoidverzahnungen mit bogenförmiger Flankenlinie zu geben. Hierzu führt er Untersuchungen an insgesamt 18 Hypoidradsätzen durch, die sich in dem Verfahren ihrer Hartfeinbearbeitung unterscheiden. Neben den Messungen der Flankenrauheit, der Teilungsfehler und der Flankenformabweichungen werden lastfreie Kontaktanalysen auf Basis der gemessenen Flankentopografie und Laufversuche auf einem industriellen Tester durchgeführt. 6.3.5 Einfluss von Werkstoffen und Eigenschaftsoptimierung der Werkstoffe In den 1970er Jahren zwingt die zunehmende Belastung von Getriebebauteilen den Konstrukteur zu einer optimalen Ausnutzung der werkstoffseitig erreichbaren Festigkeitseigenschaften. Speziell bei der Herstellung von hochbelasteten Zahnrädern werden daher in zunehmendem Maße Werkstoffe verarbeitet, deren Festigkeitseigenschaften sich durch einen Wärmebehandlungsprozess im Anschluss an eine spanende Bearbeitung erheblich steigern lassen. Um die Vorteile einer gezielten Festig-

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keitsverbesserung nutzen zu können, ist die Kenntnis eines hinsichtlich der Tragfähigkeit optimalen Härteverlaufs erforderlich. Klaus Börnecke [Börn1976] ist der erste, der im Rahmen seiner Forschungstätigkeit ein Rechenmodell zur Bestimmung des erforderlichen Härteverlaufs bezüglich der Zahnflankentragfähigkeit entwickelt und anhand von Versuchsergebnissen auf dessen Aussagefähigkeit überprüft hat. Damit steht dem Konstrukteur ein Hilfsmittel zur Verfügung, mit dem die Bestimmung einer beanspruchungsgerechten Wärmebehandlung von einsatzgehärteten Zylinderrädern möglich ist. Schon 1986 ist aufgrund von Schadensuntersuchungen an Zahnflanken und Wälzlagern bekannt, dass die zum Ausfall führenden Risse, die an der Oberfläche initiiert werden, von dort ins Werkstoffinnere verlaufen. Dabei kommt den Eigenschaften der Bauteilrandschicht in zweierlei Hinsicht eine besondere Bedeutung zu. Zum einen lassen sich die Randschichteigenschaften durch den Werkstoff in Verbindung mit einer entsprechenden Wärmebehandlung beeinflussen. Dieser Aspekt wird an verschiedenen Einsatzstählen und unterschiedlichen Gefügezusammensetzungen im Wälzkontakt von Zahnflanken untersucht. Ein weiterer Punkt der Randschichtermüdung ist das Kontaktverhalten der Wälzpartner. Dabei spielen die Oberflächentopographie und die tribologischen Randbedingungen eine wichtige Rolle. Helmut Leube [Leub1986] erstellt mit seinen Untersuchungen zur Randschichtermüdung an einsatzgehärteten Zylinderrädern ein Verfahren, mit dem die reale Oberflächentopografie exakt und in einem wirtschaftlich vertretbaren Rahmen ermittelt werden kann. Entsprechende Auswerteprogramme zur umfassenden Beschreibung der Oberflächenbeschreibung werden erarbeitet. Daran anschließend werden Zahnflankenoberflächen mit unterschiedlichen Rauheiten vermessen und analysiert. Zwei Jahre später stellt Klaus Schlötermann [Schl1988] fest, dass Kenntnisse über eine betriebssichere und wirtschaftliche Auslegung von Zahnrädern für vergütete und einsatzgehärtete Verzahnungen hinreichend bekannt sind, aber bei nitrierten Verzahnungen kaum Untersuchungen vorliegen. Daher beschäftigt sich Schlötermann mit der Auslegung nitrierter Zahnradgetriebe und untersucht die Auswirkungen unterschiedlicher Nitrierparameter auf den Werkstoffzustand und die Tragfähigkeit von Zahnrädern. Zu diesem Zeitpunkt können somit im Getriebebau durch gezielte Auswahl von Werkstoff und Wärmebehandlung (Reinheitsgrad, Härteverlauf etc.) die klassischen Ermüdungsschäden weitgehend vermieden werden. Dennoch fällt auch in den 1990er Jahren eine Vielzahl von Wälzpaarungen durch Ermüdungsschäden aus. Die strukturellen Werkstoffveränderungen und die Beanspruchungen, die in relativ großen Werkstofftiefen unterhalb der Oberfläche auftreten, sind bis dato hinreichend untersucht worden. Für die äußerste, oberflächennahe Randschicht hingegen fehlen jedoch derartige systematische Untersuchungen, die die reale Oberflächentopographie, den Werkstoffzustand sowie die während der Beanspruchung vorliegenden Kontaktbedingungen berücksichtigen. Ziel der wissenschaftlichen Untersuchungen ist in den 1990er Jahren, systematisch die Veränderungen der äußeren Randschicht in Abhängigkeit von verschiedenen Beanspruchungsbedingungen und unterschiedlichen Oberflächenstrukturen zu beschreiben. Hieraus resultieren grundlegende Erkenntnisse

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über das Entstehen und den Ablauf der Werkstoffermüdung in der oberflächennahen Schicht. Dies schafft die Voraussetzungen, die Lebensdauer wälzbeanspruchter Zahnräder gezielt zu verbessern. Jobst Georg Volger [Volg1991] führt diesbezüglich anhand vorgeschädigter Prüfkörper Untersuchungen durch und kann geeignete Maßnahmen zur Verringerung des tragfähigkeitsmindernden Einflusses von Oberflächendefekten ableiten. Laufzeitorientierte Untersuchungen zeigen die Haupteinflussgrößen auf die Schadensbildung, wodurch die quantitative Abschätzung des Lebensdauereinflusses von Oberflächendefekten nunmehr möglich ist. Im Jahr 2004 untersucht Oliver Hurasky-Schönwerth [Hura2004] das Einsatzverhalten von PVD-Beschichtungen und biologisch schnell abbaubaren synthetischen Estern im tribologischen System des Zahnflankenkontaktes. Seine Arbeit beschäftigt sich mit der Fragestellung, welche Verschleißschutzeigenschaften verschiedene PVD-Beschichtungen nach dem heutigen Stand der Technik im komplexen tribologischen System des Zahnflankenkontaktes besitzen und inwieweit diese Schichtsysteme in der Lage sind, Funktionen der oberflächenaktiven Additive zu übernehmen. Die Forschungsarbeiten zur Steigerung der Zahnflankentragfähigkeit durch PVDBeschichtung werden derzeit von Christoph Bugiel fortgesetzt. Die erweiterte Charakterisierung der Randzonenzustände beinhaltet auch röntgenografische Feinstrukturanalysen, die von Bernd Krüger durchgeführt werden. Schwerpunkte der Untersuchungen sind die Bestimmung der Bauteil- und Werkzeugeigenspannungen durch die Fertigungsprozesse und ihre Stabilität im Einsatz. 6.3.6 Fertigungsverfahren und -prozesse Neben den konstruktiven Verbesserungen und Optimierungen von Getrieben stehen seit den 1960er Jahren auch die Fertigungsverfahren zur Herstellung von Zahnrädern im Mittelpunkt der WZL-Forschungsarbeiten. Beginnend mit den Wälzfräs- und Stoßverfahren werden nahezu alle Technologien zum Weichverzahnen und zur Feinbearbeitung behandelt. Ziel ist es hierbei, die von den Auslegungsberechnungen vorgegebenen Zahntopographien möglichst abweichungsfrei, in hoher Oberflächengüte und ohne negative Randzonenbeeinflussung herzustellen. Des Weiteren gilt es, parallel zu den Entwicklungen auf dem Gebiet der Schneidstoffe und Beschichtungen die bestmöglichen Bearbeitungsparameter für eine wirtschaftliche Fertigung zu finden und die Werkzeuggeometrie und -aufbereitung ebenfalls zu optimieren. Hierzu stellt heute die rechnerische Prozesssimulation eine wertvolle Hilfe zur schnellen und erfolgreichen Prozessoptimierung dar. 6.3.6.1 Wälzstoßen und Schälwälzstoßen Die erste am WZL verfasste Dissertation zu Verzahntechnologien wird im Jahre 1963 von Reinhard Thämer [Thäm1963] angefertigt. Seine Untersuchungen haben zum Ziel, die Hauptschnittkraft beim Wälzstoßen von Geradstirnrädern rechnerisch zu bestimmen, um dadurch geeignete Unterlagen für die Auslegung der Verzahnmaschine im Hinblick auf die durch den Verzahnvorgang bedingten Schnittkräfte zu erhalten. Schnittkraftmessungen bestätigen die durch theoretische Untersuchungen gefundenen

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Zusammenhänge zwischen Hauptschnittkraft und Spanungsquerschnitt. Aufgrund der theoretischen und experimentellen Untersuchungsergebnisse stellt Thämer eine Schnittkraftgleichung zur Berechnung der an der einzelnen Werkzeugschneide vorliegenden Hauptschnittkraft auf. Diese Thematik greift Konstantinos-Dionysios Bouzakis [Bouz1976] wieder auf und entwickelt sie für das Wälzfräsen weiter. In seiner Arbeit zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit beim Wälzstoßen durch Optimierung des Zerspanprozesses und der Werkzeugauslegung beschäftigt er sich mit Fragen zur Herstellung von zylindrischen Zahnrädern durch das Wälzstoßen. Zu dieser Technologie existieren noch erhebliche Wissenslücken hinsichtlich des Zerspanprozesses, der Werkzeugauslegung und der Festlegung der Schnittbedingungen. Mit der wissenschaftlichen Arbeit am WZL kann dieses Wissensdefizit beseitigt und eine Strategie zu einer gezielten Erhöhung der Wirtschaftlichkeit aufgezeigt werden. 15 Jahre später wird das Schälwälzstoßen von Klaus Peiffer [Peif1991] aufgegriffen. In der Zwischenzeit wurden Schneidstoffe entwickelt, mit denen eine Bearbeitung von gehärteten Bauteilen möglich ist. Die Zielsetzung der Arbeit von Peiffer mit dem Thema „Wälzstoßen einsatzgehärteter Zylinderräder“ ist die Ermittlung optimaler technologischer Randbedingungen, die einen wirtschaftlichen Einsatz des Verfahrens Schälwälzstoßen ermöglichen. Es werden Untersuchungen am Werkzeug durchgeführt, wobei die Ermittlung geeigneter Hartmetallsorten für die spezifischen Belastungen des Prozesses im Mittelpunkt steht. Zielgrößen sind hierbei Frei- und Spanflächenverschleiß, Schneidkantenverrundung sowie Ausbrüche, Bröckelungen und Risse. Ergänzende Untersuchungen am Werkstück analysieren die Optimierung des Bearbeitungsergebnisses im Hinblick auf Verzahnungsabweichungen, Oberflächengüte und Randzonenbeeinflussung. 6.3.6.2 Wälzfräsen und Schälwälzfräsen Parallel zur Erforschung des Wälzstoßens verfolgen die Wissenschaftler am WZL Untersuchungen zu weiteren Weichverzahnungstechnologien. Der größte Anteil der Dissertationen befasst sich direkt oder indirekt mit der Technologie des Wälzfräsens. Karl Ziegler [Zieg1967] untersucht bereits 1967 die Hauptschnittkraft beim Wälzfräsen von Stirnrädern. In seiner Arbeit soll versucht werden, die Schnittkräfte beim Wälzfräsen allgemein gültig darzustellen. Dazu wird die infolge des Abwälzvorganges komplizierte Spanungsgeometrie an den einzelnen Fräserschneiden berechnet und experimentell eine Schnittkraftkenngröße ermittelt. Aus Spanungsgeometrie und Schnittkraftkenngröße lassen sich dann die bei unterschiedlichen Einflussgrößen auftretenden Schnittkräfte bestimmen. Einen wesentlichen Beitrag zur Auslegung des Wälzfräsprozesses liefert Bernhard Hoffmeister [Hoff1970] durch die Aufstellung einer Formel zur Berechnung der Spanungsdicke bei der Vollschnittbearbeitung, die auch heute noch die Basis in der industriellen Praxis darstellt (Abb. 6.10). In seiner Arbeit über den Verschleiß am Wälzfräser versucht er, eine Erklärung für das Verschleißverhalten der Wälzfräser zu finden, die auf der Ermittlung der Schneidenbelastung beruht. Dazu werden die Eingriffsverhältnisse von Fräser und Zahnrad untersucht und in Abhängigkeit von den Bearbeitungs-

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bedingungen, Raddaten und Fräserabmessungen die Schnittbogenlänge und Spanungsdicken an den Fräserzähnen berechnet. Es werden Möglichkeiten zur Vermeidung großer Belastungsunterschiede von Fräserzahn zu Fräserzahn aufgezeigt und die Berechnung von Fräseranschnitten und des Zwischenraumes bei Doppelschrägverzahnungen angegeben. Der Fokus der fertigungstechnologisch orientierten Arbeiten beschränkt sich nicht nur auf Verschleißuntersuchungen am Werkzeug, sondern umfasst auch Qualitätsbetrachtungen an Stirnradgetrieben. So untersucht Udo Weigel [Weig1971] die Ursache und Vermeidung des typischen Flankenrichtungsfehlers beim Gleichlauf-Wälzfräsen. Ausgehend von der klassischen Theorie von Shaw über die Ursache der Aufbauschneidenbildung werden in der Arbeit die Gesetzmäßigkeiten der Aufbauschneidenbildung im unterbrochenen Schnitt für wälzende Verzahnverfahren eingehend untersucht.

Abb. 6.10 Formel zur Berechnung der Spanungsdicken für das Wälzfräsen nach Hoffmeister [Hoff1970]

Dabei zeigt sich, dass sich alle Erscheinungsformen und Merkmale des Gleichlaufverschnitts mit der Theorie lückenlos erklären lassen. Die Ursache des Gleichlaufverschnitts kann damit als geklärt angesehen werden. Aufbauend auf dieser Erkenntnis werden verschiedene Möglichkeiten zur Vermeidung des Gleichlaufverschnitts vorgeschlagen und systematisch untersucht. Das Thema der Aufbauschneidenbildung wird im Jahre 1978 nochmals von Johannes Tondorf [Tond1978] aufgegriffen. Seine Arbeit beinhaltet eine systematische Untersuchung des Zerspanprozesses beim Wälzfräsen in

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Zusammenhang mit der Aufbauschneidenbildung. Er kann unter anderem nachweisen, dass die Aufbauschneidenbildung temperatur- und spanwinkelabhängig ist und dass durch eine gezielte Wärmebehandlung des Werkstückmaterials die Aufbauschneidenbildung erheblich reduziert werden kann. Auch Wolfram Borchert [Borc1972] beschäftigt sich mit der Herstellqualität von Stirnradverzahnungen. Ziel seiner Arbeit sind Erkenntnisse über die Auswirkung von Wälzfräserfehlern auf die Flankenform der Stirnradverzahnung. Er entwickelt ein Rechenverfahren, welches es gestattet, Flankenformfehler der Stirnradverzahnung infolge der Fehler des Wälzfräsers und seiner Einspannung zu ermitteln. So findet auch in der Verzahntechnik die neue digitale Rechentechnik Anwendung, um komplexe, stets wiederkehrende Berechnungsschritte zu automatisieren. Auch Gerd Sulzer [Sulz1973] bedient sich der neuen Rechentechniken und entwickelt erweiterte Algorithmen für die systematische Berechnung der Spanungsquerschnitte. Ziel seiner Arbeit ist die Leistungssteigerung bei der Zylinderradherstellung durch systematische Erfassung der Zerspantechnik. Hierzu untersucht er für das Wälzfräsen und Wälzstoßen die Auswirkung der Zerspankinematik auf mögliche Leistungssteigerungen. Dazu ist es erforderlich, die Zerspankinematik universell und exakt zu beschreiben. In dem Bemühen, die Leistungsfähigkeit des Wälzfräsverfahrens weiter zu steigern und dem derzeitigen Leistungsvermögen von Werkzeug und Maschine voll anzupassen, verfasst Klaus Joppa [Jopp1977] seine Arbeit zur Leistungssteigerung beim Wälzfräsen mit Schnellarbeitsstahl durch Analyse, Beurteilung und Beeinflussung des Zerspanprozesses. Aufgrund eines Mangels an Grundlagenkenntnissen über die Verschleißmechanismen in diesem kinematisch sehr komplexen Prozess ergibt sich als Zielsetzung, nicht nur theoretische Grundlagen für Ansatzpunkte zu Leistungssteigerungen des Verfahrens zu schaffen, sondern auch Hinweise und Entscheidungshilfen für die praxisbezogene Anwendung zu liefern. Aus diesem Grunde werden alle theoretisch und empirisch ermittelten Gesetzmäßigkeiten und Tendenzen in der industriellen Fertigung überprüft und bestätigt. Die große industrielle Nachfrage nach einer Erhöhung der Produktivität und der Fertigungsgenauigkeit beim Wälzfräsen bemerkt Konstantinos-Dionysios Bouzakis Anfang der 1980er Jahre. In seiner Habilitation entwickelt er ein Konzept und technologische Grundlagen zur automatisierten Erstellung optimaler Bearbeitungsdaten beim Wälzfräsen.1 Zur automatischen Erstellung optimaler Zerspanbedingungen mit Hilfe des Datenbestandes eines Schnittwerte-Informationszentrums wird auf mathematische Prozessmodelle zurückgegriffen. Diese beschreiben die Abhängigkeit wichtiger Kenngrößen, wie den Werkzeugverschleiß und die Zerspankraft in Abhängigkeit der jeweils vorliegenden Parameter (Abb. 6.11). Solche Prozessmodelle sind bislang für das Wälzfräsen, bedingt durch die große Anzahl der Einflussgrößen, nicht vorhanden. In dieser Arbeit werden erstmalig Prozessmodelle zur mathematischen Beschreibung des

1

Konstantinos-Dionysios Bouzakis: Konzept und technologische Grundlagen zur automatisierten Erstellung optimaler Bearbeitungsdaten beim Wälzfräsen. Habilitationsschrift, Aachen 1981.

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Abb. 6.11 Spanbildung und Freiflächenverschleißverlauf in einzelnen Wälzstellungen [Bouz1981]

Werkzeugverschleißes und der Zerspankraft vorgestellt. Außerdem zeigt Bouzakis eine Prozesskette auf, die die entwickelten Prozessmodelle enthält und eine rechnergestützte Optimierung der Bearbeitungsdaten für beliebige Verzahnungsfälle ermöglicht. Hierdurch wird die Einbeziehung des Wälzfräsens in ein Schnittwert-Informationszentrum (INFOS) realisiert. Seit langer Zeit ist die genaue Kenntnis der Zerspankraftkomponenten beim Wälzfräsen von herausragender technologischer und wirtschaftlicher Bedeutung. So widmet sich wenige Jahre später auch Peter Gutmann [Gutm1988] der Zerspankraftberechnung. In seiner Arbeit über die Zerspankraftberechnung beim Wälzfräsen steigert er nicht nur die Rechengenauigkeit, sondern verfeinert die bisher abgeleiteten Modelle um weitere technologische Größen. Er trägt mit seiner Arbeit maßgeblich zur Erstellung eines numerischen, kinematischen Simulationsmodells bei, mit dem auch noch heute Zerspankraftkomponenten, deren Betrag und Wirkrichtung und vor allem deren Zeitverhalten detailliert berechnet werden können. Hierzu führt er ebenfalls eine Vielzahl von experimentellen Untersuchungen durch. Die rasante Schneidstoffentwicklung und die neue Beschichtungstechnologie gewinnen bei der Zahnradherstellung zunehmend an Bedeutung. Rudolf Heinrich Kauven [Kauv1987] untersucht erstmals wissenschaftlich den Einsatz von titannitrid-beschichteten HSS-Werkzeugen beim Wälzfräsen. Die Entwicklung der Titannitrid-Beschichtung nach dem PVD-Verfahren eröffnet die Möglichkeit, HSS-Werkzeuge ohne Härteverlust

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und Verzug zu beschichten, um durch die Hartstoffschicht den Verschleiß zu verringern. An beschichteten Werkzeugen tritt allerdings eine Reihe von Problemen auf, die aufgrund vielen Einflussgrößen eine systematische Untersuchung zur Ermittlung der optimalen Konfiguration der Werkzeugbeschichtung erforderlich macht. Die von Kauven verfasste Arbeit beschäftigt sich daher mit den Ursachen für Standzeitschwankungen, dem anforderungsgerechten Beschichtungsaufbau, der Substratabstimmung sowie der Quantifizierung der Leistungsfähigkeit beschichteter Wälzfräswerkzeuge. Trotz der vielen angefertigten Arbeiten zum Wälzfräsen ist die verlässliche Vorhersage des Standzeitverhaltens von Wälzfräsern noch immer ungelöst. Dies veranlasst Alois Mundt [Mund92] im Jahre 1992, Ansätze zur rechnerischen Standlängenbestimmung beim Wälzfräsen zu entwickeln, welche die Basis für eine Bestimmung gesicherter Bearbeitungsdaten bilden soll. Mit seinen Arbeiten am WZL liefert Mundt ein Modell zur rechnerischen Standzeitbestimmung beim Wälzfräsen, das bis heute in der Industrie nutzbringend eingesetzt wird. Der Einsatz von Kühlschmierstoff ist für geraume Zeit das Schwerpunktthema vieler Umweltdiskussionen im Bereich der Fertigung. Hierdurch werden zunehmend Überlegungen in Gang gesetzt, umweltgefährdende Additive zu ersetzen. Die Arbeit von Johannes Kassack [Kass1994] zum Thema Einfluss von Kühlschmierstoff-Additiven auf Werkzeugverschleiß, Zerspankraft und Bauteilqualität erläutert grundlegende Zusammenhänge zwischen Kühlschmierstoff-Additiven und den Zerspanprozessgrößen Verschleiß, Zerspankraft, Spanbildung und Bauteilqualität, die in Zerspanversuchen im unterbrochenen Schnitt mit beschichteten HSS-Werkzeugen ermittelt werden. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, den „Hilfsbetriebsstoff “ Kühlschmierstoff sowohl gezielt mit notwendigen Additiven einzusetzen als ihn auch in bestimmten Fällen wegzulassen, nachdem die richtigen Prozessparameter geändert werden. Neben einer Reduzierung der Kosten ist damit auch eine Prozessverbesserung möglich. Wenige Jahre zuvor werden bereits Hartmetallsubstrate erfolgreich bei vielen Drehund Fräsoperationen eingesetzt. Die hohe Leistungsfähigkeit dieser neuen Schneidstoffe und deren ungewöhnlich schnelle Weiterentwicklung lässt es möglich erscheinen, das Wälzfräsen auch für die Feinbearbeitung einzusetzen. So untersucht Volker Roos [Roos1983] das Schälwälzfräsen als Feinbearbeitungsverfahren einsatzgehärteter Zylinderräder. Er ermittelt technologische Parameter für das Schälwälzfräsen, welche zu wesentlich besser abgesicherten Arbeitsergebnissen führen und zur wirtschaftlichen Feinbearbeitung einsatzgehärteter Zylinderräder mit entsprechender Verzahnungsqualität beitragen. Mitte der 1990er Jahre ergibt sich aufgrund der signifikanten Weiterentwicklung der beschichteten Hartmetallwerkzeuge eine neue Behandlung dieser Thematik, da ein deutlich wirtschaftlicherer und prozesssicherer Einsatz dieser Hochleistungswerkzeuge bei der Hartfeinbearbeitung nun möglich erscheint. Markus Vüllers [Vüll1998] fertigt seine Arbeit über die Hartfeinbearbeitung von Verzahnungen mit beschichteten Hartmetallwerkzeugen an, für die er eine Vielzahl experimenteller Untersuchungen durchführt. Er ermittelt und begründet analytisch das Verschleißverhalten von unterschiedlich beschichteten Hartmetallen. Praktikable Möglichkeiten zur positiven Beeinflussung der Schneideigenschaften stellt er ebenfalls fest. Durch das entwickelte Verständnis der Verschleißmechanismen und deren Auswirkung auf das

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Bearbeitungsergebnis erfolgt die Auswahl einer für die Hartfeinbearbeitung geeigneten Hartstoffschicht, Schneidteilgeometrie und eines Substratwerkstoffs. Diese Ergebnisse geben Substrat-, Schicht-, Werkzeug- und Maschinenherstellern wertvolle Hinweise zur Werkzeug- und Prozessauslegung bei der Hartfeinbearbeitung von Verzahnungen mit beschichteten Hartmetallen. Der Einsatz von Hartmetallwerkzeugen in der Verzahntechnik bleibt Mittelpunkt zahlreicher Forschungsarbeiten. Auf der Basis einer Verfahrensanalyse beschreibt Georg Venohr [Veno1985] die Ursachen von Schneidenausbröckelungen als standzeitbegrenzendem Verschleißmechanismus und zeigt ungünstige Schneidenbelastungen auf. Durch Anpassung der Werkzeuggeometrie und der Bearbeitungsbedingungen an die physikalischen Eigenschaften des Hartmetalls soll der Hartmetalleinsatz beim Wälzfräsen im Bereich kleiner Module ermöglicht werden. Anstoß zu diesen Untersuchungen gibt die Verbesserung der HM-Schneidstoffe im Hinblick auf die Eignung für den Einsatz im unterbrochenen Schnitt. In einer eingehenden Analyse des Wälzfräsprozesses werden die verfahrens- bzw. belastungsbedingten Anforderungen an den Schneidstoff ermittelt und darauf aufbauend eine Schneidstoffvorauswahl getroffen. Umfangreiche experimentelle Untersuchungen zeigen sowohl die hohen Potenziale als auch die dominierenden Verschleißformen dieser neuen Schneidstoffe. Damit liefert Venohr einen wesentlichen Beitrag zum Einsatz von Hartmetallwerkzeugen beim Wälzfräsen. Mit der Verwendung von Hartmetallwerkzeugen in der Zahnradfertigung besteht die Möglichkeit, den Einsatz von Kühlschmierstoff bei der Zerspanung deutlich zu reduzieren. Bei Hartmetallen kann aufgrund der geringen Thermoschockbeständigkeit dieses Schneidstoffs durch den Kühlschmierstoffverzicht die Standzeit maßgeblich verlängert werden. Heute hat die Trockenzerspanung mit beschichteten Hartmetallwälzfräsern aufgrund ihrer ökonomischen und ökologischen Vorteile eine breite Anwendung in der industriellen Praxis gefunden. Einen ersten Schritt zu dieser Entwicklung macht Detlef Knöppel [Knöp1996]. In seiner Dissertation untersucht er die grundsätzliche Möglichkeit zur Realisierung einer Trockenbearbeitung beim Hochgeschwindigkeitswälzfräsen mit beschichteten Hartmetallwerkzeugen und zeigt die erforderlichen technologischen Rahmenbedingungen. Es werden Hartmetall-Schlagzähne verschiedener Anwendungsgruppen im Analogieprozess zum Wälzfräsen eingesetzt, die mit Titannitrid und mit Titanaluminiumnitrid beschichtet werden. Seine Untersuchungen umfassen auch reale Wälzfräsversuche mit TiN-beschichteten Werkzeugen. Zeitgleich zur Entwicklung der Beschichtungstechnik gewinnt die Schneidkantenaufbereitung von Zerspanwerkzeugen zunehmend an Bedeutung. Stefan Lux [Lux1997] verfasst eine Arbeit zum Thema „Einfluss von Oberflächenstrukturen auf den Verschleiß von Verzahnwerkzeugen aus Schnellarbeitsstahl“. Zielsetzung ist die Erforschung der Zusammenhänge von Oberflächenstrukturen und Verschleißentwicklung von titannitrid-beschichteten Wälzfräsern und Wälzstoßrädern als Wissensbasis für eine optimierte Auslegung des Werkzeugschleifprozesses. Im Rahmen der Untersuchungen entstehen grundlegende Erkenntnisse über die Einflüsse der Werkzeugaufbereitung auf die Schartigkeit der Schneidkanten und deren Auswirkung auf das Einsatzverhalten der Wälzfräser.

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Das Verschleißverhalten von Hartmetallwerkzeugen steht immer wieder im Fokus wissenschaftlicher Untersuchungen. Claus Kobialka [Kobi2001] erarbeitet wertvolle Erkenntnisse zur Prozessanalyse für das Trockenwälzfräsen mit Hartmetallwerkzeugen. Bei der Trockenbearbeitung von Verzahnungen werden aufgrund stark schwankender Spanungsstärken, komplexer Eingriffsverhältnisse und Temperaturwechselwirkungen infolge des intermittierenden Schnittes höchste Ansprüche an das Werkzeug gestellt. Basierend auf Verschleißanalysen an ungeshifteten Hartmetallwälzfräsern leitet er drei wesentliche Verschleißmechanismen, den Substrataustrag, den Schneidenbruch und den Schneidkantenausbruch ab. Ursächlich für Schneidkantenausbrüche ist vielfach eine negative Profilverschiebung der Verzahnung, wobei mit der Werkzeugkopffläche große Werkstoffvolumina im Zahnfußbereich zerspant werden müssen. Eine Werkzeugoptimierung aufgrund einer Senkung des Normaleingriffswinkels erhöht den Werkzeugmaterialanteil im relevanten Schneidenbereich. Abschließend werden die zu erwartenden bauteilbezogenen Werkzeugkosten abgeschätzt. Während die Leistungsfähigkeit neuer beschichteter Hartmetallwälzfräser sehr hoch ist, müssen gerade bei wiederbeschichteten Werkzeugen im industriellen Einsatz drastische Standzeiteinbußen hingenommen werden. Dies führt dazu, dass vielerorts von der Trockenbearbeitung mit Hartmetallwerkzeugen auf die Nassbearbeitung mit HSS-Werkzeugen zurückgewechselt wird. Um die Gründe für die Standzeiteinbußen mit zunehmender Anzahl von Aufbereitungszyklen zu erforschen, führt Manfred Kleinjans [Klei2003] umfangreiche technologische Untersuchungen in einem Analogieprozess durch und beschäftigt sich grundlegend mit der Randzonenbeschaffenheit wiederbeschichteter Hartmetall-Wendeschneidplatten. Durch seine Untersuchungen zum Einfluss der Randzoneneigenschaften auf den Verschleiß von beschichteten Hartmetallwälzfräsern kann er maßgeblich dazu beitragen, die Ursachen für die Standzeiteinbußen aufzudecken und geeignete Gegenmaßnahmen abzuleiten. Die Untersuchungen liefern sowohl den Werkzeugherstellern als auch den Beschichtungsfirmen wertvolle Hinweise für die Weiterentwicklung ihrer Produkte und Verfahren (Abb. 6.12). Ein Jahr später fasst Oliver Winkel [Wink2004] in seiner Dissertation zum Thema „Steigerung der Leistungsfähigkeit von Hartmetallwälzfräsern durch eine optimierte Werkzeuggestaltung“ seine Forschungsergebnisse auf dem Gebiet des Wälzfräsens mit Hartmetallwerkzeugen zusammen. Hierin erarbeitet er Wege zur Optimierung der Werkzeuggestaltung. Neben der Ermittlung geeigneter Schnittdaten stellt er Untersuchungen zur Modifizierung des Werkzeugprofils, zur Schneidkantenverrundung sowie zur Wahl geeigneter Kombinationen von Hartstoffbeschichtung und Schneidstoff dar. Dabei steht neben der Produktivitätssteigerung auch die Verbesserung der Prozesssicherheit im Vordergrund. Als einen Ansatz zur Steigerung der Zerspanleistung beim Wälzfräsen mit wiederbeschichteten Hartmetallwerkzeugen untersucht Emmanouil Bouzakis die Möglichkeiten, durch Strahlbehandlung der Werkzeuge deren Einsatzverhalten zu verbessern. Die Erhöhung der Produktivität und Wirtschaftlichkeit des Wälzfräsens ist ebenfalls Ziel der laufenden Arbeiten von Rolf Schalaster, in denen das Einsatzpotenzial von HSS, Hartmetall und anderen Schneidstoffen sowie von Hartstoffschichten untersucht wird.

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Abb. 6.12 Standmengensteigerung beim Wälzfräsen durch Strahlbehandlung der Werkzeuge [Klei2003]

Zur Unterstützung des Auslegungsprozesses des Wälzfräsens entwickelt Wolfgang Winter ein auf der Durchdringungsrechnung basierendes Simulationsprogramm, das als Berechnungskern in die Software SPARTApro implementiert wird. 6.3.6.3 Wälzschälen von Innenverzahnungen Zusätzlich zu den wohl am häufigsten angewendeten Verzahntechnologien Wälzfräsen und Wälzstoßen analysiert man am WZL auch andere Verfahren. So führt Wilfried Jansen [Jans1980] umfassende Untersuchungen durch und veröffentlicht im Jahr 1980 seine Ansätze zur Leistungssteigerung und Verbesserung der Fertigungsgenauigkeit beim Wälzschälen von Innenverzahnungen in seiner Dissertation. In seinen Verschleißuntersuchungen kann er nachweisen, dass der Einsatz eines Satzschälrades, welches aus einem zylindrischen Vor- und einem kegeligen Fertigschneider besteht, den Verschleiß und die Wirtschaftlichkeit des Prozesses stark verbessert. Darüber hinaus erarbeitet er Prozessmodelle und EDV-Lösungen zur Berechnung der Zerspankräfte, der Fertigungskosten und geometrischen Schneidenkorrekturen. 6.3.6.4 Kegelradfräsen Kurz zuvor hat Oscar Guzman Hurtado [Guzm1978] seine Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Berechnung und Messung der Zahnflankengeometrie und der Bestimmung der Eingriffsverhältnisse bei Kegelradgetrieben abgeschlossen. Seine Arbeit ermöglicht erstmals die Berechnung der Eingriffsverhältnisse beliebiger

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Kegelradverzahnungen und die Einbeziehung von Werkzeugkorrekturen und Korrekturen der Maschinenkinematik. Um der steigenden Anforderung an die Ergebnisgenauigkeit moderner Berechnungsmethoden, wie FEM, für die Auslegung von Zahnradstufen gerecht zu werden, ist es unabdingbar, die Verzahnungsgeometrie exakt zu kennen. Häufig genügt es nicht, einfache Modifikationen zu überlagern. Daher legt Klaus Beulker [Beul1998] einige Jahre später seinen Forschungsschwerpunkt auf die Ermittlung der realen Verzahnungsgeometrie von Stirn- und Kegelradgetrieben durch Simulation der Herstellverfahren. Dabei werden die Berechnungsalgorithmen so formuliert, dass sämtliche Bearbeitungsverfahren mit definierter und nicht definierter Schneide berücksichtigt werden, wobei die Werkzeuge entweder eine messerkopfförmige Schneide oder eine schneckenförmige Geometrie aufweisen. Mit diesem Rechenansatz ist es Beulker möglich, auch Hüllschnittabweichungen zu berechnen und in weiteren Auslegungsfragen zu berücksichtigen. Michael Baxmann entwickelt derzeit eine Methode zur funktionsorientierten Tolerierung der Zahnflankentopographien. Die laufenden produktionstechnologischen Untersuchungen von Alexander Klein haben eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der trockenen Kegelradfräsbearbeitung mit beschichteten Hartmetallwerkzeugen zum Gegenstand. Verwandt damit ist die Entwicklung eines Simulationstools für die Kegelradbearbeitung durch Uwe Rütjes, da sie die rechnergestützte Untersuchung der Spanungsgeometrien und Zerspankenngrößen zum Ziel haben. 6.3.6.5 Kegel- und Stirnradläppen Über die Feinbearbeitung von Kegelradgetrieben durch Einlaufläppen führt Christian Grünberger [Grün1968] bereits im Jahre 1968 systematische Untersuchungen durch. Er erforscht den Zusammenhang zwischen den technologischen Einstellparametern und den resultierenden Materialabträgen, die er in Nomogrammen und Diagrammen dokumentiert. Darüber hinaus untersucht er ebenfalls die Auswirkungen des Läppergebnisses auf das Laufverhalten des Kegelradgetriebes. Ergänzend dazu führt Peter Sulies [Suli1970] Untersuchungen über das Einlaufläppen von breitenballigen Stirn- und Kegelradgetrieben durch. Dabei legt er den Schwerpunkt auf die Darlegung der Zusammenhänge zwischen der Maschineneinstellung und der Zahnbreitenkorrektur, die beim Einlaufläppen erzeugt bzw. beibehalten werden soll. 6.3.6.6 Zahnradschaben Das Weichschaben ist immer noch eine wirtschaftliche Technologie für die Feinbearbeitung von Stirnrädern in großer Stückzahl. Aufgrund der geometrischen Komplexität des Werkzeugs und der daraus resultierenden hohen Werkzeugherstellungskosten sind sehr hohe Standmengen für eine wirtschaftliche Anwendung unerlässlich. Davon motiviert untersucht Udo Schapp [Scha1970] schon Anfang der 1970er Jahre den Einfluss der Schnittbedingungen und des Verschleißes auf die Verzahnungsqualität beim Zahnradschaben. In seiner Dissertation werden allgemein gültige Angaben über das Verschleißverhalten eines Schabrades gemacht und damit Einflussgrößen herausgestellt, die die Wirtschaftlichkeit in hohem Maße bestimmen. Fünf Jahr später dokumentiert Karl Buschhoff [Busc1975] die erforderlichen Maßnahmen zur Verbesserung der

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Verzahnungsqualität beim Zahnradschaben durch eine genauere Anpassung des Werkzeuges an das Werkrad. Basierend auf der Erkenntnis, dass eine enge Beziehung zwischen den Berührungsverhältnissen und der erzielbaren Verzahnungsqualität besteht, entwickelt er eine neue Schabradauslegung. Er kann in experimentellen Untersuchungen bestätigen, dass diese zur Verbesserung der erzielbaren Werkstückqualität beitragen. Neue Ansätze zur Schabrad-Standzeitverbesserung und Produktivitätserhöhung untersucht Tobias Schröder im Rahmen seiner Arbeiten zur Analyse der Verschleißmechanismen beim Zahnradschaben. Der Einfluss des Werkzeugverschleißes auf die Werkstückqualität ist dabei ebenfalls Gegenstand der Untersuchungen. 6.3.6.7 Umformtechnische Herstellung von Verzahnungen Neben den zahlreichen spanenden Fertigungstechnologien mit geometrisch bestimmter und unbestimmter Schneide werden auch Um- und Urformverfahren für die Zahnradherstellung erforscht. In seiner Dissertation stellt Gottfried Bartsch [Bart1986] seine Forschungsergebnisse über kaltprofilgewalzte Zylinderräder für Leistungsgetriebe vor. Im Zuge seiner Untersuchungen zur Technologie und zum Bauteilverhalten erkennt er, dass das diskontinuierliche Grob-Verfahren, das in der Praxis zum Präzisionswalzen von Wellen-Mitnehmerprofilen eingesetzt wird, prinzipiell zwar die besten Voraussetzungen zur Herstellung von Zylinderradverzahnungen bietet, dass aber die herkömmlichen Methoden zur Walzrollenauslegung entscheidende Unzulänglichkeiten aufweisen. Er folgert, dass sich eine gezielte Entwicklung des Walzrollenprofils mit der notwendigen Flexibilität und Genauigkeit nur durch die rechnerische Generierung korrigierbarer Profile in Verbindung mit der NC-Schleiftechnik verwirklichen lassen kann. Das Verfahren kann sich jedoch zur Zahnradherstellung nicht durchsetzen. Zehn Jahre später, als die FE-Methode bereits ein weit verbreitetes numerisches Werkzeug zur Simulation von Umformvorgängen geworden ist, untersucht Jin Hong Li [Li1995b] die Wirkflächenreibung für die Finite-Elemente-Simulation der Kalt-Massivumformung von Zahnrädern, um durch genauere Kenntnis der Reibverhältnisse zu einer Verbesserung der Berechnungsgenauigkeit beizutragen. Dazu werden in Modellversuchen zum Ringstauchen, Schrägstauchen und Durchdrücken die Reibkennwerte ermittelt, die für die numerische Berechnung benötigt werden. Eine ähnliche Motivation hat auch Günther Munzinger [Munz2000] für die Berechnung des Reibwertgradienten in der Wirkfuge zur Bestimmung der Werkstoffverteilung im Bauteil beim Schmieden eines Zahnrades in Schichtverbundtechnik. Claudio Dahmen beschäftigt sich im Rahmen seiner Arbeit mit der „Fertigungstechnologie und Bauteilverhalten drückgewalzter Innenverzahnungen“ für Automatik-PKWGetriebe. Mit dem Drückwalzen steht somit eine Fertigungstechnologie zur Verfügung, mit der Innenverzahnungen spanlos hergestellt werden können [Dahm2005]. 6.3.6.8 Pulverschmieden von Verzahnungen Eine Fertigungstechnologie, bei der Gestaltelemente des Radkörpers und der Verzahnung gleichzeitig erzeugt werden können, ist das Pulverschmieden. Zur Schaffung von Grundlagenwissen verfasst Klaus Vossen [Voss1987] seine Dissertation zum

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Pulverschmieden von gerad- und schrägverzahnten Zylinderrädern und prüft darin die Verfahrenstechnologie und das Bauteilverhalten. Die Optimierung des Bauteilverhaltens beabsichtigt dabei die Erzielung einer möglichst hohen Zahnfuß- und Zahnflankentragfähigkeit, da eine Substitution der konventionellen spanenden Fertigung nur dann sinnvoll sein kann, wenn neben konkurrenzfähigen Herstellkosten ebenso eine mindestens gleichwertige Bauteilfestigkeit gewährleistet ist. Ebenfalls mit der Technologie des Pulverschmiedens befasst sich Gerhardt Alfons Röber [Röbe1991]. In seiner Dissertation über das Pulverschmieden von Zahnrädern in Schichtverbundtechnik veröffentlicht er seine Erkenntnisse über die beanspruchungsgerechte Herstellung der Bauteile und deren Bauteilverhalten. Bei seinen Untersuchungen legt er einen Schwerpunkt auf die Analyse der Gefügestruktur in der randnahen Schicht und bewertet die Eigenspannungen, den Härteverlauf und die Gefügestruktur. In experimentellen Untersuchungen bestimmt er die Zahnfußund Zahnflankentragfähigkeit ebenso wie die Verzahnungsqualität nach dem Schmieden und nach der Feinbearbeitung. Die aufgrund der verfahrensbedingten Bauteilporosität vorliegende Problematik der geringeren Bauteiltragfähigkeit veranlasst Gerhard Kotthoff [Kott2003], neue Verfahren zur Tragfähigkeitssteigerung von gesinterten Zahnrädern aufzuzeigen, zu bewerten und Hinweise für ihren industriellen Einsatz zu geben. Neben dem Verfahren zur Dichteerhöhung im gesamten Bauteilquerschnitt durch optimierte, in der Alpha-(Ferrit-)Phase gesinterte Legierungen wird eine Verfahrensentwicklung zum gezielten Verdichten der Randzone gesinterter Rollen und Zahnräder durchgeführt. 6.3.6.9 Grundlagen der Hartfeinbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide Die von Gerd Ackerschott [Acke1989] durchgeführten und im Jahre 1989 abgeschlossenen Untersuchungen zu alternativen Hartfeinbearbeitungsverfahren liefern Kenntnisse über die Grundlagen der Zerspanung einsatzgehärteter Stähle mit geometrisch bestimmter Schneide. In experimentellen Untersuchungen mit verschiedenen Schneidstoffen analysiert er den Spanbildungsmechanismus, die Zerspankräfte und die Temperaturbeeinflussung in der Werkstückrandzone. Darauf aufbauend untersucht Karl Michael Kaiser [Kais1992] die Möglichkeiten der Substitution kostenintensiver Schleifverfahren für die Hartfeinbearbeitung von Verzahnungen durch Zerspantechnologien mit geometrisch bestimmter Schneide. Er analysiert die Technologie des Schälwälzfräsens und des Kegelradverzahnungs-Hartfräsens im Hinblick auf das Werkzeugverschleißverhalten, die erzielbaren Werkstückqualitäten sowie die Randzoneneigenschaften in Abhängigkeit von den Schnittparametern. In seiner Dissertation kann er 1992 nachweisen, dass durch die Wahl geeigneter Schnitt- und Werkzeugparameter sowie den Einsatz der Schneidstoffe PCBN und beschichtetes Hartmetall für das Schälwälzfräsen und Kegelrad-Skiving hohe Produktivitäten erzielbar sind. Die Hartzerspanung ist ebenfalls Gegenstand der experimentellen Untersuchungen von Georg Weber. Er überprüft die Einflüsse der Zerspanparameter beim Schälwälzfräsen, Schälwälzstoßen und Hartdrehen auf die thermische Beeinflussung der Werkstückrandzone und auf den Werkzeugverschleiß.

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6.3.6.10 Wälz- und Profilschleifen von Stirnradverzahnungen Die wichtigste Technologie zur Feinbearbeitung gehärteter Zahnräder ist das Schleifen mit seinen vielfältigen Verfahrensarten. Zur Verbesserung der Verzahnungsqualität mit den Möglichkeiten der topologischen Zahnflankenmodifikationen hat die NCTechnik maßgeblich beigetragen. Auch die technologischen Entwicklungen auf dem Gebiet der Schleifstoffe (insbesondere CBN), der Bindungen, der Schleifmittelherstellung und der Abrichttechnologie haben die Produktivität der Schleifverfahren sehr begünstigt. Die Untersuchungen zum Schleifen von Stirnrädern beginnen bereits vor den Untersuchungen zum Schälwälzfräsen. Sehr schnell wird als Hauptproblem des Zahnradschleifens das Auftreten von Schleifbrand erkannt, welches bis heute eine hohe Relevanz besitzt. Schon 1976 beschäftigt sich Hartmut Kosche [Kosc1976] am WZL mit dem schadensfreien Verzahnungsschleifen von einsatzgehärteten Zylinderrädern aus 16MnCr5. Aufbauend auf einer Erfassung und Bewertung von Schleifschäden werden industriell angewendete Prüfverfahren zur Schleifbranddetektion einander gegenübergestellt und gemäß ihrer Brauchbarkeit eingestuft. Es zeigt sich, dass sowohl zerstörungsfreie als auch zerstörende Prüfverfahren nur zur Feststellung eines erheblichen Schleifbrandschadens geeignet sind. Die oftmals geringen Randzonenveränderungen können damals wie heute nur schwer erfasst werden. Darüber hinaus unterliegt die Schleifbrandbeurteilung maßgeblich dem subjektiven Urteil des Prüfers. Leo H. M. Meijboom [Meij1979] veröffentlicht seine Untersuchungen zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit beim Wälzschleifen durch Verbesserung des Zerspanvorganges. Ziel der Arbeiten ist es, das Wälzschleifen mit Doppelkegelscheibe und das kontinuierliche Wälzschleifen auf mögliche Leistungssteigerungen hin zu untersuchen. Anhand theoretischer Betrachtungen zu den auftretenden Kontaktverhältnissen und der Zerspankinematik erfasst er den Einfluss der einzelnen Verfahrensparameter auf die geometrischen und kinematischen Gegebenheiten des Zerspanvorganges. Hierauf aufbauend untersucht er den Einfluss verschiedener Prozesseingangsgrößen auf das Schleifergebnis und beurteilt dies sowohl unter technologischen als auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten. Der Einzug der NC-Technik in den Bereich der Werkzeugmaschinentechnik führt auch beim Zahnradschleifen dazu, auf komplizierte und bedingt flexible mechanische Abrichtgeräte mehr und mehr zu verzichten. Aus diesem Grund widmet sich Heinz-Ulrich Gogrewe [Gogr1980] parallel zu den Arbeiten von Meijboom der Entwicklung eines numerisch gesteuerten Abrichtsystems und liefert damit einen Beitrag zur Automatisierung des Abrichtvorganges für Profilschleifscheiben zum Schleifen schneckenförmiger Profile. Entsprechend der Themenstellung besteht die Aufgabe in einer Systemanalyse sowie einer Erarbeitung der Grundlagen als auch der Entwicklung und Realisierung eines Abricht-Steuerungssystems zum Profilieren von Schleifscheiben für die Herstellung schneckenförmiger Profile. Ebenfalls beschäftigt sich Gogrewe mit Fragestellungen der Ergonomie und der einfachen Bedienung der Abrichtsteuerung. Mitte der 1980er Jahre verfügen die Schleifmaschinen über NC-Achsen, wodurch es möglich wird, die Schleifscheiben flexibel und schnell zu profilieren. Diese neue

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Verfahrenstechnologie entwickelt Hans Dieter Schäfer [Schä1985] für das Profilschleifen von Zahnrädern weiter. In umfassenden technologischen Untersuchungen kann er die Zusammenhänge von Schleifscheibenspezifikation, Schleifscheibentopografie und Bearbeitungsparametern auf die Qualität der Verzahnung und deren Randzoneneigenschaften beim Tief- und Pendelschleifen zeigen. Darüber hinaus untersucht Schäfer den Einfluss der Wärmebehandlung und der Bearbeitungsbedingungen auf das Schleifergebnis, um Wärmebehandlungs- und Bearbeitungszustände abzuleiten, die weitestgehend unempfindlich gegenüber Schleifbrand sind. Er stellt fest, dass durch die gezielte Zufuhr von Kühlschmierstoff in den Schleifspalt die Gefahr von Schleifbrand trotz höherer Schleifparameter reduziert werden kann. Schäfer führt zusätzlich Prüfstandsuntersuchungen durch, in denen er gezielt mit Schleifbrand versehene Zahnräder auf Zahnfuß- und Zahnflankentragfähigkeit untersucht. Hierdurch kann er erste Erkenntnisse über die Auswirkung von Schleifbrand auf das Einsatzverhalten von Zahnrädern gewinnen. Ähnlich der Entwicklung von Hartmetallwerkzeugen führt auch im Bereich der Schleiftechnik der Einsatz hochharter Schleifmittel, wie dem kubisch kristallinen CBN, zu neuen Fertigungsmöglichkeiten. Dies und die Weiterentwicklung der Werkzeugmaschinentechnologie auf dem Gebiet des Zahnflankenprofilschleifens veranlasst Tobias Boucke [Bouc1994], das Zahnflankenprofilschleifen mit keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben wissenschaftlich zu untersuchen. Ziel seiner Arbeit ist es, die für das Zahnflankenprofilschleifen erforderliche technologische Grundlage zur Einsatzvorbereitung und zum Einsatzverhalten keramisch gebundener CBN-Scheifscheiben anhand eines Analogieprozesses zum Profilschleifen bereitzustellen. In seinen Untersuchungen gelingt es Boucke, die Struktur der keramisch gebundenen Schleifscheiben sehr offen zu gestalten, wodurch die Standzeit der Schleifscheiben gesteigert und die Gefahr von Schleifbrand reduziert werden kann. Der breite industrielle Einsatz gelingt dem Schneidstoff CBN in galvanischer Bindung. Hierzu werden auf einen metallischen Grundkörper Schleifkörner aufgebracht und mittels einer Nickelschicht fixiert. Einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung des Prozessverständnisses und zur Berechnung von Werkstück-, Werkzeug- und Maschinendaten liefert Christian Escher [Esch1996] mit seinen Forschungsarbeiten über die Simulation und Optimierung der Erzeugung von Zahnflankenmodifikationen an Zylinderrädern. Eschers Arbeit strebt ein Simulations- und Optimierungssystem der Zahnradbearbeitung an, mit dem im ersten Schritt die aus beliebig modifizierter Werkzeugtopografie und Maschinenkinematik resultierende Zahnflankentopografie von Zylinderrädern berechnet werden kann (Abb. 6.13). Um die hohe Standzeit dieser Schleifwerkzeuge weiter zu steigern, entwickelt Bernd Kempa [Kemp1999] ein Modell zum Zahnflankenprofilschleifen mit galvanisch gebundenem CBN, mit dem Kenngrößen, wie Spanungsgeometrie und die Anzahl aktiver Kornschneiden in Abhängigkeit von der Schleifscheibenbelegung, analysiert werden können. Mit Hilfe des erstellten Modells und einer Vielzahl technologischer Untersuchungen macht er umfangreiche Analysen zur Erarbeitung eines fundierten Prozessverständnisses. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden die Grundlage für die weitere Optimierung des Zahnflankenprofilschleifens mit galvanisch gebundenem CBN.

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Abb. 6.13 Darstellung der Simulationsergebnisse zur erzeugten Werkstückgeometrie [Esch1996]

Aber auch die konventionellen Schleifmittel werden stetig weiterentwickelt. Neben herkömmlichen Korunden kann der Verfahrensanwender Sol-Gel-Korunde einsetzen. Diese setzen sich beim Profilschleifen großmoduliger Zahnräder oder Zahnräder mit einer geringeren Stückzahl durch. Leider tritt jedoch im industriellen Einsatz immer wieder Schleifbrand auf den Zahnflanken auf, der nicht vorhersehbar zu sein scheint. Dies veranlasst Heiko Schlattmeier [Schl2003], die technologischen Grundlagen für das diskontinuierliche Zahnflankenprofilschleifen mit Korund zu erarbeiten, wobei er einen besonderen Schwerpunkt auf die Untersuchung der Schleifbrandphänomene legt. Er entwickelt einen Analogieprozess, mit dem die Zerspanbedingungen an einzelnen Stellen der Profilgeometrie systematisch untersucht werden (Abb. 6.14). Die technologischen Ergebnisse bilden die Basis für ein Schleifkraftmodell, mit dem unterschiedliche Prozessstrategien analysiert und die Orte mit der höchsten Schleifbrandgefahr vorherbestimmt werden können. Erweiterte technologische Untersuchungen im Realprozess haben zum Ziel, die Einflüsse von Schleifscheibenspezifikationen und Bearbeitungsparametern auf das Prozessverhalten und die im Werkstück erzeugten Randzoneneigenschaften zu ermitteln. Die Anwendung des Modells ermöglicht es ihm, gezielt Prüfzahnräder mit Schleifbrand an unterschiedlichen Orten herzustellen und erste Untersuchungen zur Flankentragfähigkeit durchzuführen. Die Problematik des Schleifens mit möglichst hohem Zeitspanungsvolumen bei gleichzeitiger Vermeidung von Schleifbrand ist Gegenstand der aktuellen Forschungsarbeiten von Christof Gorgels.

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6.3.6.11 Verzahnungshonen Dem Anwender steht mit dem Verzahnungshonen ein Verfahren zur Feinstbearbeitung gehärteter Zahnflanken von Zylinderrädern zur Verfügung, mit dem er aufgrund des verfahrenscharakteristischen Achskreuzwinkels geräuschgünstige Oberflächenstrukturen erzeugen kann. Vielfach wird das Verfahren deshalb mit geringen Mate-

Abb. 6.14 Analogieprozess zum diskontinuierlichen Zahnflankenprofilschleifen [Schl2003]

rialabträgen einem Verzahnungsschleifen nachgeschaltet, um die Oberflächenstruktur zu verbessern. Derzeit bestehen Bestrebungen, den Einsatzbereich des Prozesses zu erweitern und das Verfahren zukünftig mit gesteigerten Materialabnahmen eigenständig im Anschluss an die Wärmebehandlung einzusetzen. Dazu führt Thomas Köllner [Köll1999] theoretische und experimentelle Untersuchungen durch, um die Leistungsfähigkeit und Flexibilität des Verfahrens nachzuweisen. Damit soll eine Wissensbasis geschaffen werden, die eine Grundlage für die Werkzeug- und Prozessauslegung darstellt. Seine Arbeit „Verzahnungshonen: Verfahrenscharakteristik und Prozessanalyse“ enthält zunächst theoretische Betrachtungen, um das Verfahren technologisch einzuordnen und wichtige Prozesszusammenhänge aufzeigen zu können. Es folgen experimentelle Untersuchungen der technologischen Bedingungen, um Haupteinflussgrößen auf die Materialabnahme und Oberflächengüte zu ermitteln. Abschließend werden die gewonnenen Erkenntnisse an einer industriellen Applikation zusammengeführt, um die theoretischen Untersuchungen zu verifizieren. Die komplexen Eingriffsverhältnisse beim Verzahnungshonen und die nur schwer vorherzusagenden Kontaktbedingungen zwischen dem innenverzahnten Werkzeug und

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dem außenverzahnten Stirnrad bewegen Hermann Yakaria [Yaka2004] dazu, eine Arbeit zur geometrischen und nichtlinear elastischen Zahnkontaktanalyse beim Verzahnungshonen anzufertigen. Ziel der Arbeit ist es, die in den Kontaktbereichen vorliegende Kraftverteilung zwischen Honwerkzeug- und Werkstückflanken beim Verzahnungshonen mit Hilfe der FE-basierten rechnerischen Zahnflankenkontaktanalyse unter Berücksichtigung des nicht linearen Werkstoffverhaltens des Honwerkzeuges zu ermitteln. Hierzu führt Yakaria zunächst Grundlagenuntersuchungen mit verschiedenen Honringmaterialien durch, um die für die Berechnung erforderlichen Werkstoffkennwerte zu ermitteln. Im Anschluss an die Erstellung seines Modells unternimmt er Prozessstudien mit verschiedenen technologischen Bedingungen. Ergebnis seiner Untersuchungen ist die Berechnung der Pressungsverteilung zwischen Honwerkzeug und Werkstück. Zur Steigerung der Produktivität beim Verzahnungshonen untersucht Dragan Vucetic die Spanbildungsmechnismen beim Leistungshonen von Verzahnungen mit Honwerkzeugen verschiedener Bindungsart in Grundlagenuntersuchungen sowie den Einfluss der Abrichtparameter auf den Abrichtwerkzeugverschleiß und das Honergebnis. 6.3.6.12 Fügeverfahren Klebstoffe werden zunehmend zur Herstellung konstruktiver Elemente in Luft-, Raumfahrt und auch Fahrzeugindustrie eingesetzt. Die Entwicklung moderner anaerober Klebematerialien und die damit verbundene einfache sowie kostengünstige Herstellung von Welle-Nabe-Verbindungen führen auch im Maschinenbau zu einem wachsenden Interesse an der Klebetechnik. Dies gilt besonders für Welle-ZahnradVerbindungen. Die Ausnutzung der durch das Kleben erreichbaren Vorteile erfordert eine sichere Vorausberechnung der übertragbaren Last. Daher setzt sich Helmut Krick [Kric1996] in seiner Arbeit zum Schrumpfkleben von Welle-Zahnrad-Verbindungen mit der Entwicklung eines rechnerischen Verfahrens zur dauerfesten Auslegung schrumpfgeklebter Welle-Zahnrad-Verbindungen auseinander. Mit dieser Anforderung liegen die Untersuchungsschwerpunkte einerseits auf der Ermittlung versagensrelevanter Beanspruchungskenngrößen, andererseits in der theoretischen Feststellung der Relationen zwischen äußerer Belastung, Bauteilgeometrie und Klebeschichtbeanspruchung. 6.3.7 Berechnungsprogramme In grundlagenorientierten und industrienahen Forschungsvorhaben entsteht in der Gruppe „Verzahnmaschinen und Getriebeberechnung“ eine Vielzahl von Berechnungsprogrammen. Diese werden stetig weiterentwickelt und unterstützen den Getriebeingenieur bei der Auslegung von Verzahnungen mit optimalem Einsatzverhalten und der Optimierung der erforderlichen Fertigungsprozesse, weswegen sie wertvolle Auslegungshilfen für die Industrie darstellen. Im Rahmen der Berechnung des Einsatzverhaltens steht die Zahnkontaktanalyse im Vordergrund. Diese kann zum einen lastfrei erfolgen. Zum anderen kann die Zahnkontaktanalyse auch unter Last durchgeführt werden. Hierbei liegt ein besonderer Schwerpunkt der Abteilung „Getriebetechnik“ in der Finite-Elemente-basierten

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Zahnkontaktanalyse, bei der durch die Anwendung der FE-Methode insbesondere die Steifigkeitseigenschaften der Verzahnungen ermittelt werden können. Die Fertigungssimulation gliedert sich in die Bereiche „Simulation der Zahnradherstellung“ und „Prozesssimulation“. Bei der „Simulation der Zahnradherstellung“ steht die Ermittlung und Beurteilung der kinematischen Achsbewegungen der Verzahnmaschinen sowie der Geometrie der Verzahnung und der erzeugten Flankentopografien im Vordergrund. Die „Prozesssimulation“ dagegen betrachtet die Bearbeitungsprozesse mit ihren Schnittkräften und das Werkzeugverschleißverhalten. 6.3.7.1 Zahnkontaktanalyse 6.3.7.1.1 VENUS Eine wesentliche Anforderung an heutige Leistungsgetriebe ist neben der kleinen Baugröße und der hohen Tragfähigkeit eine minimale Geräuschanregung im Zahneingriff. Grund für die Geräuschanregung sind Störungen der theoretischen Eingriffsverhältnisse zwischen Rad und Ritzel. Die Geräuschemission ist auf die vorliegenden Fertigungs- und Montageabweichungen zurückzuführen. Um eine gezielte Verzahnungsauslegung und -fertigung zur Reduzierung des Getriebegeräusches zu erzielen, muss die Kontaktgeometrie im Zahneingriff exakt analysiert werden. Voraussetzung für den sinnvollen Einsatz der Zahnkontaktanalyse ist neben der Verzahnungsmakrogeometrie die Berücksichtigung der exakten Verzahnungsgeometrien mit den vorliegenden Korrekturen und Fertigungsabweichungen. Mit der Software VENUS (Abb. 6.15), die mit einer benutzerfreundlichen Oberfläche ausgerüstet ist, steht ein Werkzeug zur Bestimmung der lastfreien Zahnkontaktanalyse von Stirnradgetrieben unter Berücksichtigung der Fertigungs- und Montageabweichungen sowie der Verzahnungsmodifikationen zur Verfügung. Dieses erlaubt, die Beurteilung des Laufverhaltens bereits in der Konstruktionsphase bei der Auslegung von gezielten Flankenmodifikationen vorauszusagen. Ergebnisse der lastfreien Zahnkontaktanalyse sind Drehfehlerverläufe, Tragbildformen im Einzel- und Mehrfacheingriff sowie die Fourieranalysen der Drehfehlerverläufe. Hierzu wird auch der Einfluss benachbarter Zahneingriffe auf das Laufverhalten aufgrund der Abweichungen der benachbarten Zahnflankentopografien, Teilungsfehler oder Taumeln sowie Exzentrizitäten der Zahnradpaarung mit der Software VENUS erfasst. Unter Vorgabe aller geometrischer Abweichungen beider Verzahnungen wird die Zahnkontaktanalyse damit zu einer exakten Einflankenwälzprüfung. Die Abweichungsdaten können hierfür direkt von einer Koordinatenmessmaschine importiert werden. Neben der Ausgabe der beschriebenen Kenngrößen in Form von Diagrammen erlaubt die Software VENUS auch eine akustische Wiedergabe des entstehenden Geräusches. Der Anwender kann auf diese Weise einen ersten akustischen Eindruck über die Auswirkung der einzelnen Einflussparameter wie Taumel-, Teilungsfehler oder Profil- und Flankenlinien-Winkelabweichungen erhalten.

6. Zahnrad- und Getriebeuntersuchung (ab 1950)

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Abb. 6.15 Leistungsumfang des Programms VENUS

6.3.7.1.2 FE-Stirnradkette Zu Beginn der Verzahnungsauslegung, d. h. der Festlegung der Verzahnungsgeometrie, steht die Betrachtung der Festigkeit gegenüber Zahnbruch und Pittingbildung im Vordergrund. Für die Vorauslegung der Makrogeometrie steht das Programm ZAREX zur Verfügung, das auf den Berechnungsstandards nach DIN/ISO und AGMA basiert. Ein umfangreiches und wirkungsvolles Tool zur Nachrechnung von Verzahnungen stellt das Programmsystem FE-Stirnradkette dar (Abb. 6.16). Dabei kann neben der Makrogeometrie insbesondere die Kontaktgeometrie hinsichtlich des zu erwartenden Lauf- und Beanspruchungsverhaltens beurteilt werden. Anschließend können anforderungsgerechte Flankenkorrekturen bzw. Toleranzfelder ausgelegt werden. In der lastfreien Zahnkontaktanalyse mit STIRAK wird die Kontaktgeometrie infolge der vorliegenden Flankenabweichungen und -korrekturen bestimmt. Vermessene oder durch Schleifsimulation mit dem Programmsystem CASTOR erzeugte Flankentopografien können ebenfalls eingelesen und berücksichtigt werden. Im Anschluss daran wird die lastbedingte Verformung des Gesamtsystems (Zahn, Radkörper und Welle-Lager-System) in der Zahnkontaktanalyse erfasst. Die Last- und Spannungsverteilung sowie die Hertzschen Flankenpressungen werden zur Beurteilung des Beanspruchungsverhaltens der Verzahnung auch unter Berücksichtigung der Zahnflankenkorrekturen ermittelt. Das Lasttragbild, der Drehfehler- und der Steifigkeitsverlauf werden zur Beurteilung des Laufverhaltens der Verzahnung bestimmt.

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Abb. 6.16 Leistungsumfang des Programms FE-Stirnradkette

Darüber hinaus ist es möglich, den lastbedingten Eintrittsstoß mit STIRAK zu analysieren und geeignete Profilkorrekturen zu dessen Verminderung auszulegen. Durch Variationsrechnungen können optimale Flankenkorrekturen bzw. Toleranzfelder ermittelt werden. Die FE-Stirnradkette findet in der Industrie umfangreiche Anwendung. 6.3.7.1.3 ALKAEoS Der Zahneingriff ist aufgrund der hohen spezifischen Belastung und der komplexen geometrischen und kinematischen Verhältnisse der kritischste Bereich für die Leistungsübertragung einer Zahnradpaarung. Im Zahneingriff können verschiedene physikalische Effekte die relevanten Verzahnungseigenschaften signifikant beeinflussen. Das resultierende Last- und Laufverhalten lässt sich somit in erster Linie ursächlich auf die vorliegende, abweichungsbehaftete Kontaktgeometrie des Zahneingriffs zurückführen, welche durch fertigungs-, montage- und lastbedingte Abweichungen beeinflusst wird. Die gezielte Beeinflussung der Kontaktgeometrie ermöglicht daher die Optimierung des Einsatzverhaltens der Radpaarung. Das Werkzeug zur Beurteilung der Bewegungsübertragung und des Laufverhaltens einer beliebigen Zahnradpaarung ist dabei die Zahnkontaktanalyse lastfrei und unter Last. Die Ausbildung des Tragbildes, die Verlagerungsempfindlichkeit, das Drehübertragungsverhalten und die Verzahnungssteifigkeit können durch die Wahl der globalen Grundgeometrie und durch die Gestaltung der Flankenkontaktgeometrie gezielt beeinflusst werden. Deshalb wird ein Zahnkontakt-Analysewerkzeug realisiert, mit dem die genannten Einflussgrößen und Anregungsmechanismen im Zahneingriff beliebiger Zahnradgetriebe (Stirn-, Kegel-, Innen- und Kronenradgetriebe sowie Beveloidverzahnungen) lastfrei

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und unter Last untersucht werden können. Hierbei findet ein Flächenkontaktmodell Anwendung, welches im Unterschied zum bisherigen Linienkontaktansatz auch bei konkav-konvexem Kontakt einsetzbar ist und neue Möglichkeiten eröffnet. Ergebnisse der Zahnkontaktanalyse sind u.a. Wälzabweichungen, Tragbildformen, Pressungen und Frequenzanalysen. Um eine höchstmögliche Genauigkeit bei der Abbildung der Verzahnungseigenschaften zu erreichen, werden alle geometrischen Abweichungen wie die Topografie sämtlicher Zahnflanken, Teilungsfehler, Taumeln und Exzentrizitäten berücksichtigt.

Abb. 6.17 Leistungsumfang von ALKAEoS

Hierfür wird eine Mehrfachüberrollung der Verzahnungen durchgeführt, damit alle Zahneingriffe mindestens einmal in Kontakt getreten sind. Um jedoch zusätzlich eine möglichst tolerante Auslegung der Verzahnung für sich ändernde Lastzustände und Fertigungsqualitäten zu realisieren, können Einzelabweichungen innerhalb eines Toleranzbereichs berücksichtigt werden. Damit ermittelt die Zahnkontaktanalyse die Berechnungsergebnisse automatisch über eine Vielzahl geometrischer Zustände des Getriebes innerhalb der freigegebenen Toleranzen. Dabei können die zugrunde liegenden Abweichungs- und Geometriedaten aus topografischen Messungen stammen oder mittels Berechnungsprogrammen erzeugt worden sein.

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6.3.7.2 Fertigungssimulation 6.3.7.2.1 SPARTApro Das kontinuierliche Wälzfräsen ist eines der leistungsfähigsten Fertigungsverfahren für Verzahnungen. Jedoch ist eine Abschätzung der Werkzeugstandzeit aufgrund der fehlenden Kenntnis der komplexen Spanungsgeometrie oftmals nicht möglich. Darum ist es erforderlich, die Spanungsgeometrie und die kinematischen Freiwinkel für das Wälzfräsen zu ermitteln. Aus diesen Daten können mit Hilfe der statistischen Auswertung anschließend spezielle Kennwerte gewonnen werden, wie z. B. die maximale Spanungsdicke. Mit diesen kann eine Abschätzung des Verschleißes und die Bestimmung der Werkzeugstandzeit vorgenommen werden.

Abb. 6.18 Zerspansimulation mit SPARTApro auf Basis der Durchdringungsrechnung

Zur Ermittlung der Verzahnungsgeometrie und damit auch der Spanungsgeometrie müssen die Maschinenkinematik beim Fertigungsprozess des Zahnrades und die Geometrie des verwendeten Werkzeuges betrachtet werden. Die durch die Maschinenkinematik und Werkzeugkontur definierte Hüllfläche der Schneidenbewegung relativ zum Werkstück ist die Voraussetzung zur Bestimmung der entstehenden Zahnradgeometrie. Mit Hilfe der Durchdringungsrechnung wird die Zahnradgeometrie auf die vorliegende Werkzeughüllfläche zurückgesetzt und dabei die entsprechende Information über die Spanungsgeometrie ermittelt. Mit der Software SPARTApro steht ein Programm zur Verfügung, das die Spanungsgeometrien von Stirnrädern auf Basis der Durchdringungsrechnung für Fertigungsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide berechnet. Als Eingabedaten sind dabei die zu fertigende Verzahnungsgeometrie,

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die Werkzeuggeometrie und die kinematischen Daten der Werkzeugmaschine notwendig. Ausgegeben werden Spanungsgeometrien sowie eine Übersicht über die effektiven Freiwinkel an der Schneide im Verlauf der Bearbeitung. Das Programm liefert die Daten, die für eine Schnittkraftberechnung und Werkzeugverschleißprognose erforderlich sind. 6.3.7.2.2 CASTOR & POLLUX Zahnradpaarungen werden in modernen Leistungsgetrieben mit Blick auf optimales Geräusch- und Lastverhalten ausgelegt. Aus diesem Grund werden die Verzahnungen nach der Wärmebehandlung häufig hartfeinbearbeitet. Durch eine Hartfeinbearbeitung können Verzahnungsfehler verringert und Flankenmodifikationen aufgebracht werden. Zur Hartfeinbearbeitung von Zahnrädern existiert eine Vielzahl verschiedener Verfahren. Bei jedem Verfahren treten zwischen Werkzeug und Werkstück unterschiedliche Kontaktbedingungen auf. Durch diese Kontaktbedingungen kommt es bei jedem Verfahren zu charakteristischen Abweichungen der Zahnflankentopografie infolge der Bearbeitung. Mit der Software CASTOR ist es möglich, für verschiedene Verfah-

Abb. 6.19 Leistungsumfang von CASTOR & POLLUX

ren eine Bearbeitung zu simulieren und somit die Einflüsse verschiedener Kinematiken und Werkzeuggeometrien auf die erzeugte Zahnflankentopografie zu untersuchen. Zur Minimierung verfahrensbedingter Verzahnungsabweichungen kann das Optimierungsprogramm POLLUX eingesetzt werden. Mit Hilfe dieses Programmmoduls kann die Kinematik oder die Werkzeuggeometrie zur Erzeugung einer Flankenmodifikation

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errechnet werden, um mögliche Abweichungen, z. B. eine Verschränkung, zu minimieren. Zur Berechnung der Modifizierungen wird eine Soll-Topografie der Verzahnung vorgegeben. Zusätzlich werden die für die Erzeugung zur Verfügung stehenden Achsen an der Bearbeitungsmaschine mit Grenzwerten für die Verfahrwege und -winkel definiert. Die berechneten Maschinenkinematiken können in einem neutralen Austauschformat ausgegeben und an eine Werkzeugmaschine übertragen werden. Zur Verifizierung der berechneten Ergebnisse sind reale Untersuchungen durchgeführt worden. Eine gute Übereinstimmung der Berechnungsergebnisse mit der simulierten Zahnflankenkontur ist erzielt worden.

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Steuerungstechnik (ab 1962) MIRCO VITR MANFRED WECK

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Gliederung 7.1 Einleitung 7.2 Der Weg zur Computerbasierten Numerischen Steuerung 7.3 NC-Programmierung und Datenmodelle 7.4 Steuerungsentwicklung 7.5 Adaptive Control und Steuerungstechnische Kompensationen 7.6 Überwachung und Diagnose 7.7 Fertigungsplanung und Steuerung von Fertigungssystemen (Leittechnik) 7.8 Prozessoptimierung und Projektierung von Steuerungssystemen 7.9 Benutzerunterstützung

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7.1 Einleitung Mit dem Aufkommen der numerischen Steuerungen Anfang der 1950er Jahre in den USA wird sehr deutlich, dass die Wirtschaftlichkeit und Produktivität von Werkzeugmaschinen nicht mehr allein von der optimalen mechanischen Struktur und den Maschinenelementen wie Führungen, Lager usw. abhängt. Der mit alpha-numerischen Zeichen offline programmierbaren Maschine gehört eindeutig die Zukunft. Dies erkennt Opitz, der sich oft in den USA aufhielt, sofort. So ist es nicht verwunderlich, dass sich seit dieser Zeit auch das WZL dieser wichtigen Thematik annimmt. Die einzelnen Entwicklungsstufen der Steuerung gemäß der jeweils verfügbaren Steuerungstechnologie, angefangen von der Relaissteuerung über die pneumatische Steuerung, die diskrete Schalttechnik (TTL) bis hin zu den Rechnersteuerungen heutiger Prägung, werden von den WZL-Mitarbeitern bearbeitet. Mit wachsender Funktionalität, integriert in heutige Rechnersteuerungen, gehen die Aufgaben der NC-Steuerungen weit über die reine Bewegungsführung der Achsen und die Schaltaufgaben hinaus. Überwachung und Diagnose von Maschinen, Prozess und Steuerung, Kompensation von mechanisch und thermisch bedingten Fehlern, Werkzeugkorrekturen auch bei komplexen Spline-Interpolationen, Kollisionsvermeidung, Fertigungsablaufplanung, Verbindung zum Leitrechner u. a. m. sind typische Aufgaben, die eine moderne NC-Steuerung übernimmt. 7.2 Der Weg zur Computerbasierten Numerischen Steuerung Die ersten Arbeiten auf dem Gebiet der Steuerungstechnik werden Ende der 1950er und Anfang der 1960er Jahre am WZL durchgeführt. Klaus Jüstel [Jüst1962] beschreibt in seiner Dissertation den Aufbau und die Betriebseigenschaften numerischer Punktsteuerungen für Werkzeugmaschinen mit relativ digitalen und lagecodierten Wegmesssystemen. Jüstel kommt zu dem Ergebnis, dass der Herstellungsaufwand für Steuerungen mit inkrementalen und lagecodierten Wegmesssystemen durch Verwendung ähnlicher Baugruppen etwa gleich ist. Der Vorschlag, Zählersteuerungen mittels Störimpulsunterdrückern und besonderer Schaltungen aufzuwerten, soll diese hinsichtlich ihrer Ausfall- und Positionsfehler auf das Niveau von absoluten Steuerungen bringen. Jüstel weist nach, dass Störeinflüsse beherrschbar sind und dass die Vorteile der Impulszählung auch ohne Nullpunktkontrollen voll ausgenutzt werden können. Die Definition der Bearbeitungsaufgabe erfolgt zu dieser Zeit noch mit einfachen Lochstreifenkarten (Abb. 7.1). Ein etwas anderes Ziel verfolgt Manfred Aßmus [Aßmu1969]. Er untersucht welche Möglichkeiten für den Aufbau einer einfachen numerischen Punktsteuerung aus pneumatischen Bauelementen bestehen. Dazu werden die zum Aufbau einer numerischen Steuerung in Frage kommenden, pneumatischen Bauelemente hinsichtlich ihres statischen und dynamischen Verhaltens untersucht. Basierend auf den Untersuchungen baut Aßmus ein pneumatisches Wegmesssystem auf, welches ohne Energieumsetzer direkt mit den vorhandenen pneumatischen Logikelementen gekoppelt werden kann und somit ein Minimum an Bauaufwand garantiert. Die Funktionsfähigkeit der entwickelten Steuerung wird mittels praktischer Untersuchungen an einem Positioniertisch verifiziert.

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Abb. 7.1 Verschlüsselung der Ziffern und Zeichen und programmierter Lochstreifen [Jüst1962]

Anfang der 1970er Jahre werden vom WZL zum ersten Mal weltweit Prozessrechner für die Steuerung von Werkzeugmaschinen eingesetzt. Rechner übernehmen die Funktion der diskreten Hardware in NC-Steuerungen. Man nennt die neue Steuerungsgeneration „CNC“ (Computerised Numerical Control). Ziel von Till Derenbach [Dere1973] ist es, die typischen Eigenschaften von computerbasierten NC-Steuerungen, ihre Schwächen und Stärken, anhand theoretischer und praktischer Beispiele zu erörtern. Der notwendige praxisnahe Bezug wird mit dem Aufbau einer NC-Systembasis zur numerischen Steuerung eines Konturdrehbearbeitungsprozesses hergestellt. Die hierbei verfolgten Lösungsprinzipien werden zusammen mit den zur Auswahl stehenden Lösungsmöglichkeiten erörtert, wobei die wesentlichen Merkmale und die spezifischen Vorzüge rechnergestützter Steuerungen zutage treten sollen. Auf der Grundlage dieser Erfahrungen wird abschließend die Einsatzberechtigung von computerbasierten NC-Steuerungen anhand bedeutender Vorteile für Anwender und Hersteller ausgewiesen. Darüber hinaus werden künftige Aufgabenbereiche genannt, die, bei Übernahme durch den Steuerrechner, die Wirtschaftlichkeit des NC-Systemeinsatzes noch deutlicher unterstreichen. Das Ziel seiner Arbeit sieht Bernd Grünert [Grün1975] in der Verbesserung des Preis/Leistungsverhältnisses der computerbasierten NC. Um dies umzusetzen, schlägt Grünert zur Reduzierung der Hardware von Maschinensteuerungen die Verlagerung der Anpasssteuerungsfunktion in die NC vor. Dies führt zu einer deutlich effektiveren Rechnerauslastung. Durch die Entwicklung eines Hilfsprogramms, das über die Steuerungsbedientafel beliebige Änderungen der Anpasslogik erlaubt, wird eine höhere

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Flexibilität erreicht. Weiterhin wird durch eine Auswertung von Informationen aus dem NC-Systemprogramm, dem Anpassprogramm und aus dem Fehlerdiagnoseprogramm die Möglichkeit der automatischen Generierung fertigungsprozessrelevanter Daten möglich. 7.3 NC-Programmierung und Datenmodelle Die in den USA entwickelte Programmiersprache „APT“ (Automatically Programmed Tools) zur halbautomatischen Generierung des NC-Codes für die Maschinensteuerung ist ausschließlich auf die Erstellung der geometrischen Informationen der NCSätze eines Programms ausgerichtet. Es ist die Idee der Professoren Opitz, Stute (Stuttgart) und Spur (Berlin), diesen Ansatz um den technologischen Teil (Schnittgeschwindigkeiten, Vorschübe, Schnitttiefen usw.) zu erweitern. Es entsteht ein Industriearbeitskreis unter der Leitung des WZL, der in eine eigenständige Firma überführt wird. Der Firmenname EXAPT steht für Extended APT. Diese Firma hat bis heute Bestand und ist in Aachen angesiedelt. Die erste Arbeit am WZL zum Thema der NC-Programmierung ist die Dissertation von Wolfgang Maßberg [Maßb1965] aus dem Jahr 1965. Maßberg beschreibt, wie die Wahl des Fertigungsverfahrens die Wahl des Programmierverfahrens bestimmt. Hierzu sollen statistische Erhebungen als Grundlage für eine Codierung der Vielgestaltigkeit von Werkstücken dienen. Maßberg schreibt den wirtschaftlichen Vorteil numerischer Fertigung weitgehend der Vielgestaltigkeit des Werkstücks zu. Je komplizierter ein Werkstück ist, desto größer sieht er den Nutzen numerisch gesteuerter Maschinen. Wirtschaftlich betrachtet, sieht Maßberg den Einfluss numerischer Werkzeugmaschinen nicht nur an der Maschine selbst, sondern im gesamten Fertigungsprozess und damit in der gesamten Organisation. Um die Wirtschaftlichkeit dieser Überlegungen zu untermauern, entwickelt Maßberg in seiner Arbeit eine Codierung für verschiedene Gruppen der vielgestaltigen Werkstücke. Damit muss die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung nicht mehr für jedes Werkstück einzeln durchgeführt werden, sondern ist auf wenige Gruppen reduziert. Ziel von Wilhelm-Hans Engelskirchen [Enge1968] ist es, ein System zu schaffen, das einen benutzerfreundlichen Umgang mit fertigungstechnisch orientierten Programmen gestattet. Sowohl das Erstellen als auch die Wartung des gesamten Datenbestandes sollen vereinfacht werden. Die in der Arbeit beschriebene Programmiersprache (EXAPT) erlaubt es, ohne spezielle Kenntnisse der Programmierung, Änderungen an den Daten vorzunehmen. Fehler werden vom System automatisch erkannt und somit vermieden. Durch ein baukastenartiges Konstrukt aus standardisierten Programmteilen, kann der Postprozessor rationalisiert werden. Dies führt automatisch zu einem wirtschaftlicheren System. 1974 gibt Rolf Schäfer [Schä1974] verschiedene Vorschläge für die Einführung und den Einsatz von NC-Programmiersystemen. Zur Vereinfachung der Auswahl wird eine Methodik entwickelt, die sowohl die Eigenschaften der vorhandenen Programmiersysteme als auch die Anforderungen des jeweiligen Betriebes berücksichtigt. Hierbei wird vor allem auf den Systemzugriff über ein Terminal eingegangen. Vorteile der Dialogprogrammierung werden anhand eines BASIC-EXAPT-Systems demonstriert.

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Wegen des Bedarfs eines langfristig einsetzbaren NC-Systems schlägt Schäfer ein erweiterbares, modulares System vor. Im Rahmen der Arbeit von Heinz-Herbert Brechtel [Brech1975] wird ein Konzept für den Aufbau eines flexiblen, universellen und wirtschaftlichen Programmsystems unter Berücksichtigung der Rechnerunabhängigkeit entwickelt. Dieses wird am Beispiel eines Programmiersystems zur rechnergestützten Programmierung numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen realisiert und mit bestehenden Systemen, hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit verglichen. In einem Modularsystem, in dem in sich abgeschlossene, logische Funktionen von Modulen ausgeführt werden (Abb. 7.2), nimmt die Datenübertragung zwischen den Einzelmodulen untereinander und zwischen Modul und Ablaufsteuerung eine wichtige Rolle ein. Deshalb wird eine universelle Form der Datenübertragung durch Trennung von Daten- und Instruktionsteil entwickelt. Diese Modularisierung bietet dem Softwarehersteller und Anwender eine wesentlich flexiblere Anpassung an die aktuellen Bedürfnisse. Ziel der Arbeit von Ulrich Fischer [Fisc1977a] ist ein durchgängiges Planungssystem, welches in der Lage ist, bei einem NC-Arbeitsvorgang die Daten der dazugehörigen Zwischenzustände, also jeweils des Anfangs- und Endzustands eines Arbeitsvorgangs weiterzugeben. Eine Verringerung des Eingabeaufwands ohne Verlust der Allgemeingültigkeit, kann hier nur durch Verlagerung der Ermittlungsvorgänge auf den Rechner gelingen. Dies geschieht über die Kopplung an CAD-Systeme, die auf die Bestimmung der Arbeitsvorgangsfolge und der Zwischenzustände des Werkstücks angewiesen sind. Jeweils zwei aufeinander folgende Zwischenzustände bilden als Roh- und Fertigteilbeschreibung die Eingabeinformationen für das nachfolgende NC-Programmiersystem RESINC. Während der Rechner alle schematischen Tätigkeiten übernimmt, können fehlende Informationen mit einer interaktiven, grafischen Benutzerschnittstelle ergänzt werden. Auf diese Weise ergibt sich gegenüber herkömmlichen Programmiersystemen eine Zeiteinsparung um bis zu 90 %. Außerdem sind nun zur Programmbedienung keine Spezialkenntnisse mehr erforderlich. Der bisher zur NC-Programmierung eingesetzte G-Code (DIN 66025/ISO 6983) ist auf die Zeit der Lochstreifenprogrammierung zurückzuführen und erfüllt nicht die Forderungen moderner NC-Technik. Die ersten NC-Programme waren entsprechend den zur Verfügung stehenden Algorithmen, der Rechnerleistung und Speichermedien rein sequenziell aufgebaut. Anstatt das Werkstück und die zu seiner Fertigung notwendigen technologischen und organisatorischen Informationen zu beschreiben, enthalten sie eine starre Abfolge einzelner NC-Sätze mit Verfahranweisungen und Schaltbefehlen für eine bestimmte Werkzeugmaschine. Bei der NC-Programmierung müssen die Werkstückinformationen in diese Befehle konvertiert werden, was in einem Datenverlust resultiert und somit die Möglichkeiten bei der Fertigung einschränkt. Um die Schwachstelle des Verlustes von Geometrie- und Technologieinformationen beim Datenaustausch zwischen der Planung und der numerisch gesteuerten Fertigung zu beheben, wird am WZL seit Mitte der 1990er Jahre in enger Zusammenarbeit mit internationalen CAD/CAM-Herstellern, Endanwendern, namhaften Steuerungsherstellern wie Siemens und dem ISW in Stuttgart im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte (OPTIMAL, MATRAS, STEP-NC, IMS STEP-NC) eine neue, moderne Programmier-

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Abb. 7.2 Aufbau einer Basis-Modulkombination [Brech1975]

schnittstelle namens STEP-NC (ISO 14649) entwickelt. Im Gegensatz zur konventionellen Programmierschnittstelle basiert STEP-NC auf Bearbeitungsmerkmalen, sogenannten Features (z.B. Taschen, Bohrungen, Nuten). Auf der Grundlage eines Features wird die Bearbeitung schrittweise in Bearbeitungsaufgaben definiert. Durch die Kombination mehrerer Features und ihrer Bearbeitungsschritte lassen sich alle Operationen beschreiben, die ausgehend vom Rohmaterial zur Fertigung eines Werkstücks notwendig sind. Aufgrund des höheren Informationsniveaus an der Steuerung erlaubt dieser Standard die Realisierung neuer, autonomer Maschinenfunktionalitäten. 1999 entwickelt Nils Brouër [Brou1999] am WZL die Steuerung und Datenschnittstelle einer Autonomen Produktionszelle (APZ). Die im Rahmen der Arbeit entwickelte Datenschnittstelle (Abb. 7.3) zeichnet sich durch ein hohes semantisches Niveau aus und bildet die Basis für die Realisierung autonomer Funktionen. Die Autonomie wird

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durch technische Maßnahmen in drei Bereichen erreicht. Erstens wird durch technische Maßnahmen zur Störungstoleranz ein sicherer Prozessverlauf realisiert und somit eine Grundvoraussetzung zur Autonomie geschaffen. Zweitens wird durch eine Verlagerung bisher zellenextern durchgeführter Aufgaben, wie Planungsfunktion oder Endkon-

Abb. 7.3 Aufbau der featureorientierten Programmierschnittstelle [Brou1999]

trolle der gefertigten Werkstücke in die Zelle, diese in die Lage versetzt, autonom gegenüber anderen innerbetrieblichen Einheiten ihre Aufgaben zu verrichten. Der dritte Bereich schließlich ist der der Autonomie durch Benutzerunterstützung. Ziel ist hier, dem Facharbeiter technische Mittel an die Hand zu geben, die es ihm ermöglichen, sein Know-how für den Prozess nutzbar zu machen. Neben Brouër gehört auch Oliver Schulze [Schu2000] zu den ersten, die sich der Entwicklung eines leistungsfähigen Datenmodells zur Schließung der Informationslücke zwischen NC-Programmierung und Werkstatt zuwenden. Basierend auf einer Analyse der Benutzeranforderungen sowie heutiger Datenschnittstellen und NC-Steuerungen wird ein objektorientiertes Datenmodell entworfen, welches eine umfassende Beschreibung der Bearbeitungsaufgabe erlaubt, ohne eine bestimmte Organisation des Arbeitsablaufs für seine Anwendung vorauszusetzen. Statische Datenobjekte zur Beschreibung von Werkstück, Bearbeitung und technologischen Randbedingungen werden von einem dynamischen Programmteil ausgeführt. Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit wird dabei eine Trennung der Geometriedaten von den übrigen Datengruppen vorgenommen. Das neue Datenmodell besteht aus einem verfahrensunabhängigen Basismodul, welches durch verfahrensspezifische Datensätze an die jeweiligen Fertigungsverfahren angepasst wird.

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Jochen Wolf setzt die Arbeiten an STEP-NC fort und beschäftigt sich in diesem Rahmen insbesondere mit der Definition von Datenmodellen für den STEP-NC ISO Standard. In der STEP-NC-Normungsgruppe trägt er maßgeblich zur Definition von Datenmodellen zum Fräsen, Drehen, Drahterodieren, Konturschneiden und zum tasterbasierten Messen bei. Basierend auf den STEP-NC-Datenmodellen entwickelt er einen STEP-NC-Interpreter für die WZL-eigene Steuerung WZL-NC, der es ermöglicht, mit der Steuerung STEP-NC-Programme abzuarbeiten. Zudem ist er auch an STEP-NCUmsetzungen für Steuerungen der Firmen Indramat und Siemens beteiligt. Zur Programmierung und Programmanpassung auf Basis von STEP-NC entwickelt er eine neue Version eines Tools zur werkstattorientierten Programmierung (WOP-Tool), welches eine bearbeitungsparallele 3D-Darstellung des Bearbeitungsvorgangs erlaubt. Basierend auf den Geometrieinformationen des STEP-NC-Datenmodells, entwickelt Wolf zudem eine steuerungsintegrierte, laufzeitparallele Online-Bahnumplanung, die die Werkzeugbahnen und somit die Schnittwerte automatisch an die aktuellen Bearbeitungsbedingungen anpassen kann. Aktuell beschäftigt sich Mirco Vitr mit Themen der NC-Steuerungsentwicklung zur Flexibilisierung der Fertigung sowie der Optimierung der Prozesskette, ausgehend von den Konstruktionsdaten des Computer Aided Design (CAD) über die Fertigungsplanung mittels Computer Aided Manufacturing (CAM) hin zur Fertigung auf der NC-Maschine. Die Arbeiten umfassen Methoden zur automatischen Berücksichtigung von Lageabweichungen des Werkstücks in der Steuerung, basierend auf kamerabasierter Lageerkennung des Werkstücks und der Spannmittel in der Maschine in Kombination mit der Entwicklung von Funktionalitäten zur steuerungsintegrierten online Kollisionsvermeidung. Auf dem Gebiet der Fertigungsplanung und Werkzeugbahnberechnung untersucht Vitr Ansätze zur CAM-NC-Kopplung zur Bestimmung optimaler, auf die kinematischen und dynamischen Eigenschaften der speziellen Maschine zugeschnittenen Werkzeugbahnen sowie zur Realisierung eines konsistenten, bi-direktionalen Datenflusses zwischen Fertigungsplanung und Fertigung. 7.4 Steuerungsentwicklung Das ursprüngliche Konzept der numerischen Steuerung ist bis heute durch die technologische Entwicklung der Hard- und Software vielfach erweitert und optimiert worden. Numerische Steuerungen ermöglichen dank vielfältiger Fähigkeiten, z. B. auf den Gebieten der kinematischen Transformation, der Geschwindigkeitsführung und der Interpolation der berechneten Werkzeugbahnen, die Fertigung sehr komplexe Bauteilgeometrien in kürzester Zeit und werden heute für die unterschiedlichsten Fertigungsverfahren eingesetzt. Heinz-Ulrich Gogrewe [Gogr1980] stellt in seiner Arbeit ein numerisch gesteuertes Abrichtsystem zum Profilieren von Schleifscheiben zum Schleifen schneckenförmiger Werkstücke vor. Mit dieser Entwicklung werden verschiedene Ziele angestrebt: die Profilierung von Schleifscheiben für ein breites Profilspektrum ohne zeitaufwändige Veränderungen am Abrichtgerät, hohe Profilgenauigkeit am Werkstück, die Möglichkeit zur alternativen Eingabe von Werkzeug- und Werkstückprofildaten, Korrektur der systematischen Schleiffehler über die Abrichtsoftware, softwaremäßige Einstellung der

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Bahngeschwindigkeit für den Abrichtdiamanten, einfache Bedienung der Abrichtsteuerung, Qualitätssicherung durch Erfassung des aktuellen Scheibendurchmessers und des Diamantverschleißes, Möglichkeit zur Kopplung von Maschinen- und Abrichtsteuerung, Möglichkeit zur Zentralisierung der Profilgenerierung und Pofildatenverwaltung und -korrektur in einem Betrieb. Durch den tatsächlichen Einsatz in einer Schneckenschleifmaschine wird der effektive Einsatz des Systems unter Beweis gestellt. Anfang der 1980er Jahre war man bestrebt, die Funktionalität und Leistung von Rechnersteuerungen zu erhöhen. Der Gedanke der Mehrprozessorsteuerungen wurde vom ISW in Stuttgart unter der Leitung von Professor Stute und dem WZL aufgegriffen. In einem BMBF-Verbundprojekt wurde die Architektur einer Mehrprozessorsteuerung (MPST) definiert. Im Vordergrund stand die Standardisierung des Rechnerbusses. Karl-Heinz Werth [Wert1982] war in das Projekt eingebunden. Er erarbeitet ein modulares Mehrprozessor-Steuersystem, das den Ansprüchen von Fertigungsanlagen und NC-Systemen für Nicht-Standardanwendungen gerecht wird. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Darstellung der internen Verknüpfungen der einzelnen Bausteine, d. h. auf der Festlegung geeigneter Interprozessorkommunikationsund Synchronisationsverfahren. Das transparente Busprotokoll (MPST-Bus) ist aufwärtskompatibel zu den bestehenden Hardwarevereinbarungen. Bei der Entwicklung eines einheitlichen Konzepts führt Werth ein Monitorkonzept ein, das den Auftragsannahme- und Auftragsrückmeldemechanismus beauftragbarer Funktionen eindeutig beschreibt und den Zugriff auf die gemeinsame Datenstruktur BF-Kontrollblock regelt. Somit verdeutlicht die Arbeit, dass zum Aufbau fest gekoppelter Mehr-Mikroprozessorsysteme spezielle Hardwarevorkehrungen notwendig sind. Noch wichtiger allerdings ist ein allgemeingültiges, geschlossenes Softwarekonzept, da die bestehenden Konzeptionen eine bestimmte Hardwareumgebung voraussetzen. Die Firmen Gildemeister, Liebherr u. a. bauten MPST-Steuerungen über viele Jahre nach diesem Standard. 1987 stellt Bodo Frentzen [Fren1987] eine neue, sicherheitsgerichtete PLC-Steuerung auf Mehrkanalbasis vor (Abb. 7.4), die z. B. in Pressen Anwendung finden kann. Diese Prototypensteuerung stellt die Grundlage für den Aufbau programmierbarer Steuerungen dar, die höchsten Sicherheitsanforderungen genügen. Die entwickelte Systemsoftware kann auch dann weitgehend übernommen werden, wenn eine Minimierung der Hardware vorgenommen wird. Dies ist aus wirtschaftlichen Gründen und auch im Hinblick auf die Verfügbarkeit notwendig, da diese umso höher ist, je weniger Platinen und Bauteile eingesetzt werden. Der Nachteil, dass im Vergleich zu einer einkanaligen Steuerung die Verfügbarkeit geringer ist, kann damit gemindert werden. Die Verfügbarkeit der Steuerung ist dennoch höher als bei einer Relais-Steuerung, da keine beweglichen und damit verschleißbehafteten Bauteile Verwendung finden. Zur Entwicklung einer fehlertolerierenden NC-Steuerung ermittelt Frentzen die Fehlererkennungsmaßnahmen anhand einer NC-Steuerung nach dem Fail-Safe-Prinzip. Im Gegensatz zu den ersten Steuerungen, die nur zwei oder drei Achsen gleichzeitig ansteuern konnten, liegt der Fokus heute vielfach auf der 5-achsigen Simultanbearbeitung. Um hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten und Oberflächengüten erzielen zu können, sind Datenformate erforderlich, die eine kontinuierliche und geschwindigkeits- sowie beschleunigungsstetige Repräsentation der Werkzeugbahnen erlauben.

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Abb. 7.4 Struktur der entwickelten Steuerung [Fren1987]

Als erster beschäftigt sich Friedrich Klein [Klei1995] mit der Bearbeitung von Freiformflächen durch 5-achsiges Fräsen. Mittels einer Darstellung der mathematischen Grundlagen und Algorithmen beschreibt Klein die Strukturen und den Steuerungskern, die eine schnelle Bearbeitung auf Basis von Splines und NURBS (Non Uniform Rational Basis-Splines) erlauben. Weitere Teile der Entwicklung sind eine Programmierschnittstelle, die sowohl komplexe geometrische als auch technologische Elemente umfasst und die Konzeption und Realisierung neuer Funktionen, die insbesondere für schnelle, numerisch stabile und genaue Berechnung von NURBS erforderlich sind. Durch die erzielten Resultate können Erweiterungen heutiger Steuerungssysteme und -schnittstellen ohne die Forderung nach wesentlich leistungsfähigerer und damit kostenintensiverer Hardware ermöglicht werden. 1997 wendet sich Matthias Fauser [Faus1997] der Entwicklung von Methoden zur Führungsgrößenerzeugung für numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen zu, die auch den Anforderungen der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung gerecht werden. Um glatte und gleichmäßige Oberflächen zu produzieren, muss nach Fauser auch die Glätte der Führungsgrößen verbessert werden. Hierfür ist eine splinebasierte Datenverarbeitung vorgesehen. Das entwickelte, durchgängige Gesamtkonzept umfasst die Informationsverarbeitung von der Schnittstelle zwischen NC-Programmiersystem, numerischer Steuerung und Interpolation. Mit einem Algorithmus zur Transformation von Splines für Fräsbahnen und Bewegungsabläufe können die Kurvenverläufe deutlich glatter und hinsichtlich der Steuerungsstruktur einfacher werden. Des Weiteren wurde die Bandbegrenzung der Führungsgröße bei der Geschwindigkeitsführung (Abb. 7.5) mit-

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Abb. 7.5 Vorgehensweise bei der Geschwindigkeitsführung [Faus1997]

tels Berechnungsverfahren zur Auslegung von Beschleunigungsverfahren und zur Anpassung der Bahngeschwindigkeit an den Konturverlauf angepasst. Die Entwicklung neuer Maschinenkinematiken erfordert auch neue Steuerungslösungen. Damit verbunden ist auch das Ziel der Arbeit von Peter Krüger [Krüg2004], ein Steuerungs- und Regelungskonzept für parallele Kinematiken zu entwickeln und praktisch zu überprüfen, das den physikalischen Besonderheiten von Maschinen mit paralleler Kinematik optimal Rechnung trägt. Die entwickelten Verfahren generieren Führungsgrößen, die den Fähigkeiten der Antriebe angepasst sind, die auftretenden Antriebskräfte der Kinematik berücksichtigen und die notwendigen Regelfaktoren online anpassen. Ausgehend von einer Analyse der aktuellen NC-Verfahrenskette entwickelt Henning Schulze-Lauen [Schu2002] einen Algorithmus zur globalen Erkennung und Vermeidung von Kollisionen zwischen Werkzeug und Werkstück (Abb. 7.6). Die globale Kollisionserkennnung wird durch einen „Closest-Feature-Algorithmus“ erreicht, der mit einem Verfahren zur adaptiven Subdivision auf die Spline-Flächen des Werkstückmodells angewendet wird. Um einerseits die Algorithmen der Bahnerzeugung optimal zu unterstützen, andererseits auch eine Einbindung in künftige offene Fabrikarchitektur zu ermöglichen, stellt das entwickelte NC-Programmiersystem konsequent auf ein neues Bearbeitungsmodell, das sogenannte „Workingstep-Modell“. Das neu entwickelte Datenmodell bildet die zentrale Klammer zwischen äußerer und innerer Offenheit des NC-Programmiersystems, effizienten Berechnungsalgorithmen und einer anwendungsorientierten Benutzerschnittstelle. Das entwickelte System überwindet die Ineffektivität aktueller NC-Programmierung für fünfachsiges Fräsen.

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Abb. 7.6 Struktur der Fräsbahnerzeugung und Kollisionsvermeidung [Schu2002]

Bereits im Jahre 1992 wurde im Rahmen des europäischen ESPRIT-Programms das Forschungsprojekt OSACA (Open System Architecture for Controls within Automation Systems) gestartet. Im Rahmen dieses Projektes sowie des im Jahre 1995 unter Führung des VDW initiierten Projekt HÜMNOS (Hersteller-übergreifende Module für den Nutzer-orientierten Einsatz der offenen Steuerungsarchitektur) verfolgt das WZL zusammen mit dem Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) in Stuttgart, unter der Leitung von Professor Pritschow, das Ziel, die Grundlagen für eine herstellerübergreifende offene Steuerungsarchitektur zu definieren. So wurde ein umfangreicher Satz an Spezifikationen für Schnittstellen und Mechanismen für offene Steuerungen definiert und in Prototypsteuerungen und Anwendungen auf seine Praxistauglichkeit überprüft. Die OSACA-Architek-

Abb. 7.7 OSACA-Systemplattform

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tur ist charakterisiert durch die Trennung von Hardware, Systemsoftware und Anwendungssoftware, durch die Verfügbarkeit einer einheitlichen Programmierschnittstelle sowie durch den modularen Aufbau von Anwendungssoftware. Hard- und Systemsoftware bilden die Systemplattform, die beliebige Anwendungsmodule mit steuerungstechnischer Funktionalität aufnehmen kann (Abb. 7.7). In seiner Dissertation von 2002 erarbeitet Claus Hardebusch [Hard2002] die Grundlagen, um einen problemorientierten Softwareentwicklungsprozess für offene Steuerungssysteme zu ermöglichen. Dabei soll der Entwickler von der Auseinandersetzung mit softwaretechnischen Details befreit werden. Der für die Entwurfsphase entwickelte Spezifikationseditor unterstützt textuelle und grafische Eingabemöglichkeiten sowie eine zielgerichtete Führung des Benutzers durch die einzelnen Schritte der Modellerstellung. Durch eine automatisierte Codegenerierung kann sich der Anwendungsprogrammierer voll auf die Realisierung seiner spezifischen Algorithmen konzentrieren. Der abschließende Test der Software wird durch einen neu entwickelten Datenmonitor praxisnah unterstützt. Durch Zusammenführung der Daten der verteilten Prozesse können Abläufe systemweit verfolgt werden. Ziel von Jens Brühl [Brüh2003] ist die Verbindung unterschiedlicher am Markt verfügbarer Schnittstellen offener Steuerungssysteme. Schwerpunkt bilden dabei Migrationslösungen, die eine schrittweise Integration herstellerübergreifender Spezifikationen und Schnittstellen in marktgängige Produkte ermöglichen. Die wichtigsten Merkmale offener Steuerungen (Abb. 7.8) sind Kommunikationssystem, Referenzarchitektur und Systemintegration. Basierend auf dieser Grundlage wird ein Ansatz zur Abbildung zweier Schnittstellen aufeinander entwickelt, die sowohl auf Plattformebene als auch auf Anwendungsebene realisiert werden kann. Allgemein werden die Klassen für die Kommunikationsobjekte Variable, Event und Prozess, deren Dienste

Abb. 7.8 Innere und äußere Offenheit [Brüh2003]

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in Form von Proxy- und Stub-Objekten auf die jeweils andere Plattform abbilden, definiert. Als einheitliche Steuerungsarchitektur wird für die Realisierung die herstellerübergreifende Spezifikation von OSACA verwandt. Es wird gezeigt, dass mit vertretbarem Aufwand bereits auf dem Markt etablierte Produkte durch eine Erweiterung in Form eines Gateways an einen einheitlichen Standard anzupassen sind. Fokus der Arbeit von Jörn Neuhaus [Neuh2003] ist der Konfigurationsprozess zur Integration neuer Funktionalitäten unter steuerungstechnischen Aspekten. Dieser soll durch die Nutzung von Plug-and-Play-Mechanismen auch ohne steuerungssherstellerspezifisches Wissen durchführbar sein. Für eine computerunterstützte Konfiguration müssen die Werkzeugmaschinenmodule für einen Computer interpretierbar beschrieben sein. Dies geschieht mit Hilfe einer in dieser Arbeit beschriebenen Referenzarchitektur für mechanische und steuerungstechnische Werkzeugmaschinenmodule. Neuhaus beschäftigt sich mit der Erstellung dieses Baukastensystems für die mechanischen Module und ihre steuerungstechnischen Pendants. Im Anschluss wird auf die Konfigurierung von Werkzeugmaschinen unter mechanischen und steuerungstechnischen Aspekten, auf Basis der OSACA-Plattform, eingegangen. Andreas Kahmen [Kahm2005] beschäftigt sich mit der Entwicklung einer herstellerübergreifend offenen, echtzeitfähigen Integrationsplattform für Anwendungen zur Prozess- und Maschinenzustandsüberwachung. Diese Plattform ist in unterschiedliche Zielsysteme integrierbar und zeichnet sich durch einheitliche Schnittstellen zur Integration von Überwachungsanwendungen aus. Die Integrationsplattform setzt auf bestehenden Standards wie OPC, CORBA und OSACA auf und nutzen deren Lösungsansätze, da diese bereits Akzeptanz gefunden haben und teilweise schon in den Zielsystemen verfügbar sind. Mit Hilfe der im Rahmen der Arbeit entwickelten Integrationsplattform ist die Anpassung der Schnittstellen von Überwachungssystemen an herstellerspezifische Steuerungskonzepte nicht mehr erforderlich. Aktuell bearbeitet im Bereich der offenen Steuerungsentwicklung Markus Voss das von der EU geförderte Projekt OCEAN. Ziel dieses Projektes, welches auf der Weiterführung des OSACA-Ansatzes basiert, ist die Entwicklung einer echtzeitfähigen Kommunikationsplattform für verteilte, komponentenbasierte Steuerungssysteme. Die Kommunikationsplattform setzt auf eine Open Source Implementierung von CORBA (Common Object Request Broker Architecture), einem Standard der OMG (Object Management Group), auf. Dadurch soll insbesondere kleinen und mittelständischen Steuerungsherstellern eine Plattform für die effiziente und kostengünstige Entwicklung modularer Steuerungssysteme bereitgestellt werden. 7.5 Adaptive Control und Steuerungstechnische Kompensationen In den 1970er Jahren war die Forschung national und international sehr stark von den Ideen der selbstanpassenden Prozesssteuerung (Adaptive Control) geprägt. Man war der Meinung, dass durch das Ausnutzen der Grenzen von Werkzeug und Maschine (ACC = Adaptive Control Constraint) sowie durch Nutzung kostenbasierter Optimierungsmodelle (ACO = Adaptive Control Optimisation) ein beträchtlicher Beitrag zur wirtschaftlichen Nutzung der Maschinen geleitet werden könnte. Wenn auch die Idee richtig war, so scheiterte der AC-Gedanke jedoch an der technischen Umsetzbar-

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keit. Sensorik und steuerungstechnische Realisierung stießen auf unüberwindbare Schwierigkeiten. Mittlerweile sind diese Schwierigkeiten beseitigt, so dass viele der damals gemachten Überlegungen heute erst ihre Verwirklichung finden. Egon Gieseke [Gies1973] entwickelt 1973 für die numerisch gesteuerte Drehbearbeitung, ausgehend von den technologischen Gegebenheiten, ein Regelungssystem, welches in Verbindung mit einem Rechnerprogrammsystem eine selbsttätige Schnittaufteilung und Grenzregelung ermöglicht (Abb. 7.9). Aufgrund der Abhängigkeit der optimalen Regelparameter von der Spindeldrehzahl, schlägt Gieseke die Nutzung eines adaptiv gesteuerten Reglers vor.

Abb. 7.9 Achsparallele Schnittaufteilung mit programmierbarer konstanter Schnitttiefe a0 [Gies1973]

Rolf Engels [Enge1975] beschreibt in seiner Arbeit zum funkenerosiven Senken wie die abtragenden Fertigungsverfahren wirtschaftlich optimiert werden. Diese meist mit adaptiven Regelungen verbundenen Optimierungen sollen hier durch verbesserte Einstell- und Zustandsgrößen des Funkenerosionsprozesses ergänzt werden. Zur Schaffung der mess- und regeltechnischen Vorraussetzung für das hier beispielhaft verwendete ACO-System werden vier Sensoren entwickelt und gebaut, die es ermöglichen, aus dem Prozess charakteristische Messgrößen in Form analoger und digitaler Signale zu gewinnen. Durch eine Beschränkung auf die Einstellgrößen Sollwertspannung, Reglerverstärkung und Tastverhältnis sowie auf die zur Zeit online erfassbaren Zustandsgrößen Wirkverhältnis, Zündverzug, Leitfähigkeit und Stabilität des Spannungsregelkreises in einer praktischen Versuchsreihe ist es Engels möglich, den Nachweis zu erbringen, dass der Einsatz des ACO-Systems die Verschleißwerte reduzieren und die Abtragrate optimieren kann. Dies führt auch zu einer verbesserten Wirtschaftlichkeit. In der Dissertation von Werner Müller [Müll1976] steht die Konzipierung, Verwirklichung und Erprobung von Sensoren für fremd- und selbsterregte Schwingungen im

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Mittelpunkt. Die Signalerfassung erfolgt hier nicht über besondere Schwingungsaufnehmer, sondern über die bei der Grenzregelung ohnehin vorhandenen Schnittkraftoder Schnittmomentsensoren. Hierauf aufbauend werden Konzipierung, Ausführung und Erprobung von Sensoren für technologische Grenzregelungen ACC sowie für die ergänzenden Ausbaufunktionen „Schwingungsfreie Bearbeitung“, „Automatische Schnittaufteilung“ und „Überfahren der Leerwege im Eilvorschub“ beschrieben. Die vorgestellten Vorgehensweisen und Problemlösungen bilden eine der Voraussetzungen für den Aufbau geschlossener, leistungsfähiger adaptiver Grenzregelsysteme. Im Mittelpunkt der Arbeit von Matthias Gather [Gath1977] steht ein Adaptive Control System, dass bei automatischer Vermeidung von Ratterschwingungen eine maximale Zerspanleistung liefert (Abb. 7.10). Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung einer Strategie zur Stabilisierung des Fräsprozesses mittels Drehzahländerung und Schnitttiefenreduzierung. Als sinnvolle Ergänzung zur Ratterstrategie und Drehmomen-

Abb. 7.10 Bestimmung der Stabilitätsgrenze aufgrund dynamischer Messungen [Gath1977]

tregelung wird die automatische Schnittaufteilung angeführt. Voraussetzung für die Vermeidung von Unterschneidung des Werkstückmaterials durch die Fräserschneiden sind nach Gather praxisgerechte Sensoren zur Erfassung der Schnitttiefe, des Fräsbogens und des eventuellen Unterschnitts. Friedel Breuer [Breu1982] setzt auf den Arbeiten von Gieseke auf. Durch die Entwicklung und Erprobung steuerungstechnischer Zusatzeinrichtungen kann er auf die genaue Maßeinhaltung des Rohteils bei NC-Drehbearbeitung verzichten und damit wirtschaftlicheres Arbeiten erlauben. Das aufgebaute ACC-System, bestehend aus Dreh-

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maschine, Grenzregelung, Schnittkraftsensor und automatischer Schnittaufteilung, ist vor allem für eine einfache und sichere Handhabung konzipiert. Alle für den Betrieb relevanten Daten können auf dem NC-Lochstreifen vorgegeben und durch ein einfaches Kontrollverfahren überprüft und korrigiert werden. Ein weiterer Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einem automatischen Schnittaufteilungssystem mit optoelektronischer Rohteilvermessung, welches ausschließlich über das Werkstückprogramm gesteuert und von einem Überwachungssystem gesichert wird. Da die Gussputzerei innerhalb eines Gießereibetriebs den personalintensivsten Arbeitsbereich mit den ungünstigsten Arbeitsbedingungen darstellt, zielt die Arbeit von Jens-Peter Fürbaß [Fürb1987] auf eine Optimierung des Gussputzens ab. Im Gegensatz zu bisherigen Forschungsarbeiten, die bei der Automatisierung mittlerer und kleiner Losgrößen angewandt wird, sollen hier beliebige Stückzahlen berücksichtigt werden. Es werden Prinzipien für Programmierverfahren vorgestellt, die sich des Problems komplexer Konturverläufe und fehlender Geometrieinformationen der zu entgratenden Konturbereiche annehmen (Abb. 7.11). Dafür werden ein Messtaster und ein Joystick entwickelt. Eine Kraftbeaufschlagung im Steuergriff vermittelt der Bedien-

Abb. 7.11 Datenfluss zwischen den Systemkomponenten zum automatischen Gussputzen [Fürb1987]

person ein intuitives Gefühl für die Tätigkeit. Weiterhin wird ein Sensor entwickelt, der für die verschiedenen Entgratverfahren, Stirn- und Umfangsfräsen, prozessbegleitend den Prozessverlauf überwacht. Damit ist eine wichtige Vorraussetzung für eine flexible Automatisierung der Putzarbeit geschaffen. Wilfried Schäfer [Schä1993] diskutiert in seiner Arbeit die Möglichkeiten und Gren-

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zen steuerungstechnischer Kompensationsmaßnahmen thermischer Einflüsse bei der Zerspanung (Abb. 7.12). Die gewonnen Messdaten des thermischen Maschinenverhaltens bilden die Grundlage eines Modells, das aufgrund von Temperaturerfassungen die Maschinenverformung vorhersagt. Noch bessere Kompensationsergebnisse lassen sich über eine direkte messtechnische Bestimmung der thermischen Verlagerung bei kurzzeitiger Arbeitsunterbrechung erzielen. Im Gegensatz zu einer indirekten Kom-

Abb. 7.12 Kompensationseinrichtung [Schä1993]

pensation ist bei einer direkten Erfassung der thermischen Relativverlagerung ein Messzyklus erforderlich. Mit einer Kombination aus beiden Verfahren lässt sich das indirekte Verfahren in gewissen Zeitabständen an die Realität heranführen, sodass dessen Effektivität beträchtlich gesteigert werden kann. 7.6 Überwachung und Diagnose Ein weiteres wichtiges Feld der Steuerungstechnik ist bis heute der Bereich der Überwachung und Diagnose. Überwachungs- und Diagnosesysteme werden zur Zustandskontrolle des Prozesses wie auch der gefährdeten Maschinenkomponenten eingesetzt. Häufig enthalten sie Methoden zur Fehlererkennung und eventuell zu deren Beseitigung. Bereits seit den 1980er Jahren beschäftigen sich die Wissenschaftler am WZL mit diesen Themen. Im Jahre 1985 stellt Lutz Kühne [Kühn1985] aufbauend auf Ergebnissen von Schwachstellenanalysen an Fertigungseinrichtungen ein universelles Überwachungs- und Diagnosesystem vor. Hierbei wird vor allem auf frühzeitige Erkennung sich anbahnender Fehler und Maßnahmen für das gezielte Abschalten von Folgefehler hervorrufenden Anlagenkomponenten eingegangen. Mit einer vorbeugenden Instandhaltung können die Reparatur- und Wartungsarbeiten in organisatorisch bedingte Brachzeiten verlagert werden. Verschiedene Verfahren zur Überwachung der Maschinenzustände, wie

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Methoden der Mustererkennung zur Fehlerlokalisierung, finden hier Anwendung. Die Bedienung des Überwachungssystems erfolgt im Dialog mit dem Rechnersystem und setzt somit keinerlei Programmierkenntnisse voraus. Hans Mehles [Mehl1987] stellt sich die Aufgabe, ein Analyseverfahren zu entwickeln, das möglichst universell eine praxisgerechte und wirtschaftliche Überwachung von Fertigungseinrichtungen und Prozessen bei spanenden Werkzeugmaschinen erlaubt. Obwohl die benutze Cepstrumanalyse (Abb. 7.13) ca. die doppelte Analysedauer wie die Frequenzanalyse in Anspruch nimmt, bietet sie den Vorteil, z. B. alle Oberwellen eines Signals in einer einzigen Kennzahl (Gamnitude) zu vereinigen. Um mit der Cepstrumanalyse dennoch den Anforderungen kurzfristiger Signaländerungen

Abb. 7.13 Zeitsignal, Spektrum und Cepstrum beim Wälzfräsen [Mehl1987]

gerecht zu werden, entwickelt Mehles einen Kammfilter, der eine schnelle Aussage zulässt. Die in dieser Arbeit gefundenen Erkenntnisse und Ergebnisse eröffnen dem Entwickler von Überwachungskonzepten für Fertigungseinrichtungen und Bearbeitungsprozessen spanender Werkzeugmaschinen neue Möglichkeiten für den Einsatz des Cepstrumverfahrens. Gisela Kiratli [Kira1989] konzipiert und realisiert ein wissensbasiertes System zur Diagnose und Bedienunterstützung bei komplexen Fertigungseinrichtungen. In diesem Rahmen zeigt sie Möglichkeiten zur Anwendung wissensbasierter Systeme in der Produktionstechnik auf. Bezogen auf die Fertigungstechnik werden zunächst die angesichts der wirtschaftlichen Zwänge bestehenden Forderungen an die Diagnose komplexer Produktionssysteme untersucht, um daraus ein Anforderungsprofil für wissensbasierte Diagnosesysteme abzuleiten. Das entwickelte Konzept wird dabei ganz

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unter den Aspekt der Wissensakquisition als Hinderungsgrund für den breiteren Einsatz von Diagnosesystemen gestellt. Wilfried Reuschenbach [Reus1992] beschreibt ein System, das das Ziel hat, die Verfügbarkeit von verketteten Produktionseinrichtungen zu steigern. Zur Analyse der Störungsursachen wird ein automatisches Stördatenerfassungssystem mit wissensbasierter Diagnose erstellt (Abb. 7.14). Ein Diagnosebus dient zur Kommunikation mit allen üblichen Steuerungen. Da aus Reuschenbachs Sicht eine komplett automatische Erfassung wirtschaftlich nicht sinnvoll ist, schlägt er eine Ergänzung durch Benutzereingaben vor. Diese werden in einer zentralen Datenbasis im Diagnoserechner gemeinsam verwaltet und bilden dort die Grundlage für verschiedene Funktionen. Diese sind im

Abb. 7.14 Aufbau des Programmsystems [Reus1992]

Rahmen von drei Programmmodulen realisiert: DATAMAN zur Verwaltung von Daten, der Systemkonfiguration und der automatischen Datenerfassung, NEXPERT OBJECT ist eine Expertensystemshell, die der Analyse neuer, unbekannter Fehler dient und das letzte Modul, FLEXDIAG, ist vor allem für die Kommunikation der einzelnen Programmteile und der Kommunikation mit dem Benutzer zuständig. Ziel der Arbeit von Christian Boge [Boge1994] ist es, eine leistungsfähige Methode zum Entwurf von prozessorientierten Überwachungsverfahren zu entwickeln und Strukturen zur Implementierung der gewonnenen Verfahren in Überwachungssysteme bereitzustellen. Für den Aufbau prozessbeschreibender Merkmalsvektoren wurde ein Programmsystem zur Rechnergestützten Merkmalfindung (REMERK) entwickelt. Dieses stellt wichtige Analysefunktionen sowie Merkmalberechnungsverfahren zur Verfügung und erlaubt durch die Bereitstellung grafischer Methoden eine Entdeckung und Bewer-

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tung von Merkmalen. Als Klassifikationsalgorithmus dient das Back-Propagations-Netz. Diese Netzform ist in der Lage, auch sehr komplexe Muster voneinander zu unterscheiden. Als Sprache für die symbolische und strukturierte Formulierung von Überwachungsaufgaben stellt Boge die Programmiersprache MOLA zu Verfügung, die mit dem entwickelten Mola-Tabellen-Interpreter MOTINT real umgesetzt wird. Gegenstand der Dissertation von Michael Kaever [Kaev2004] ist die Konzepterarbeitung und Realisierung eines vollständig und durchgängig steuerungsintegrierten Fertigungsprozess-Überwachungssystems, das auf Standardkomponenten der Steuerungs- und Antriebstechnik basiert, eine maximale Ausnutzung des Integrationspotenzials sicherstellt, für die breite industrielle Praxis tauglich ist, den Anforderungen der jeweiligen Anwendungen und der verschiedenen Anwender gerecht wird und damit eine echte Alternative zu bestehenden konventionellen Überwachungssystemen darstellt. Volker Plapper [Plap2003] arbeitet auf dem Gebiet der Maschinenzustands- und Prozessüberwachung an dem Ziel, ein steuerungsintegriertes System zur Überwachung von Schäden in mechanischen Vorschubachsen zu entwickeln. 7.7 Fertigungsplanung und Steuerung von Fertigungssystemen (Leittechnik) Mit dem Einsatz verketteter NC-Maschinen in Form flexibler Fertigungssysteme (FFS) gilt es, Hard- und Software für die Steuerungsstrukturen zu entwickeln. Das WZL ist von Anfang an in die komplexe und interessante Aufgabe eingebunden. Während man sich anfangs mit kostengünstigen Hardwarestrukturen (Rumpfsteuerung) auseinandersetzt, wird später die Leitstandssoftware mit dem Einsatz von Workstations und PC-Rechnern zum Schwerpunkt der Forschungsarbeiten. Schon Anfang der 1980er Jahre beginnt man mit der Entwicklung und Programmierung der modularen Leitstandssoftware „KOSMOS“ (konfigurierbare operative Software für die Material- und Informationsfluss Organisation in Systemen der flexiblen Fertigung). Dieses Programm wird bis heute fortentwickelt, wobei nicht nur der Funktionsumfang erweitert, sondern auch alle Softwaresprachen-Entwicklungen mit durchlebt werden müssen. Beginnend mit der Sprache PASCAL, über BASIC und C hin zu C++ und JAVA, ist heute mit der Leitstandssoftware ein hoher Stand erreicht, der auch industriell in der Luftfahrtbranche umgesetzt werden kann. Anfang der 1970er Jahre beschreibt Peter Lücke [Lück1970] die Bestrebung, neben der Fertigung als Teil des gesamten Produktionsprozesses auch die Konstruktion und Fertigungsplanung zu automatisieren. Ziel ist die Entwicklung eines vollautomatischen Produktionsablaufs. Hierzu werden mögliche Verfahren aufgeführt, um diese Umstellung bestmöglich zu realisieren. Das Hauptaugenmerk liegt auf den Komponenten, die in Anbetracht der technischen Entwicklung als erste realisiert werden können. Nach Ansicht von Lücke ist der Einsatz von Prozessrechnern zur direkten numerischen Steuerung von Werkzeugmaschinen am besten geeignet (Abb. 7.15). Lücke sieht hier jedoch noch Optimierungsbedarf. Der erste Prozessrechner, der für die NCAufgabe eingesetzt wird, stammt aus Aachen von der Firma Krantz, die zu diesem Zeitpunkt leistungsfähige Rechner auf den Markt bringt. Diese sind jedoch sehr teuer, weshalb wirtschaftliche Lösungen gesucht werden. Im WZL verfolgt man den

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Abb. 7.15 Möglichkeiten des Anschlusses von DNC-Maschinen an einen Prozessrechner [Lück1970]

Gedanken der Aufgabenteilung. Ein zentraler Rechner übernimmt die Datenverteilung auf mehrere Werkzeugmaschinen. Er führt die Grobinterpolation für alle Maschinen durch, während die Feininterpolation für die Achsbewegungen und die Schaltfunktionen von sogenannten Rumpfsteuerungen an jeder Maschine ausgeführt werden. 1972 liefert Winfried Rehr [Rehr1972] einen Beitrag zum Prozessrechnereinsatz in der Fertigungstechnik und beschreibt die neu entwickelte Rumpf- und NC-Steuerung innerhalb eines DNC-Systems. Rehr stellt die Frage, ob trotz des erfolgreichen Einsatzes von NC-Steuerungen in der Einzel- und Kleinserienfertigung überhaupt noch eine weitere Rationalisierung durch die Einführung von DNC-Systemen erfolgen kann. Die Wirtschaftlichkeit wird mit unterschiedlichen Lösungsansätzen für verschiedene Aufgaben gezeigt. Die größten Einsparungen lassen sich durch einen modularen Aufbau der Programme und durch die Rumpfsteuerung, die eine Rationalisierung der Steuerungshardware erlaubt, realisieren. Elmar Verhaag [Verh1975] gibt Mitte der 1970er Jahre in seinem Beitrag zur Auslegung von Rumpfsteuerungen zu bedenken, dass der Informationsfluss bei den bisherigen Automatisierungsbestrebungen nur in eine Richtung, nämlich von der Arbeitsvorbereitung bis zur Bearbeitung, berücksichtigt wird. Ziel seiner Arbeit ist es, durch ein kostengünstiges DNC-System mit Rumpfsteuerung auch die Gegenrichtung zu automatisieren. Durch die Verlagerungen von Funktionen aus der NC in einen übergeordneten Rechner bietet die Rumpfsteuerung zusätzliche Schnittstellen zum Datenaustausch im Prozess (Abb. 7.16). Mit der Weiterführung dieser Idee erstellt Verhaag ein modulares, flexibles Steuerungssystem, das neben dem Ersatz herkömmlicher NC-Systeme auch die Funktion eines komfortablen und zuver-

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Abb. 7.16 Funktionsaufteilungen zwischen Rechner und NC-Steuereinheit bei DNCSystem mit konventionellen NC-Steuerungen (BTR) und Rumpfsteuerungen [Verh1975]

lässigen Prozessperipheriesystems zur Lösung mess- und regelungstechnischer Probleme übernimmt. Als allgemeine Zielrichtung für komplexe Steuersysteme gibt Verhaag eine Dezentralisierung und die weitgehende Verwendung standardisierter Hard- und Softwarekomponenten an. Ulf Christer Bäck [Bäck1975] leistet einen Beitrag zur integrierten Informationsverarbeitung im Fertigungsbereich. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der online Betriebsdatenerfassung und Fertigungslenkung im Rahmen rechnergeführter Fertigungsanlagen. Als weiterer Schwerpunkt wird gezeigt, wie der Informationsfluss von der Fertigungssteuerung zum Prozess und zurück über den betriebsnahen Prozessrechner geschlossen werden kann. Durch die Integration von online Betriebsdatenerfassungsund Fertigungslenkungssystemen sieht Bäck eine Steigerung der Flexibilität und damit auch der Wirtschaftlichkeit der Fertigungsbetriebe, vor allem bei Einzel- und Kleinserienfertigung. Das Fertigungslenksystem erhält von einem übergeordneten Planungssystem entsprechende Sollwerte und führt selbständig die Verwaltung und Ausgabe arbeitsbezogener Daten in der Fertigung durch. Bäck versteht das Fertigungssystem als Bindeglied zwischen Arbeitsvorbereitung und Fertigung. Die Arbeit von Alfred Schüring [Schü1975] beschränkt sich auf die Analyse und Synthese flexibler Fertigungssysteme. Diese sind durch eine Automatisierung der Informationsflüsse zur Datenverteilung an die gekoppelten Maschinen und zur Materialflusssteuerung gekennzeichnet. Der Analyse dient hier die Echtzeit-Simulation. Dies geschieht mit Hilfe eines eigens entwickelten, programmierbaren Prozesssi-

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mulators. Hierzu wählt Schüring aus verschiedenen Hilfsmitteln zur Systementwicklung und -analyse das ihm besonders geeignet erscheinende, mathematisch-numerische Modell aus. Anhand mehrerer Simulatoren können die Vorteile des programmierbaren Echtzeit-Prozesssimulators, eines Prozessrechners, der anstelle des nachzubildenden Prozesses mit dem Fertigungsrechner gekoppelt ist, gezeigt werden. Eine zentrale Kenngröße der Untersuchung ist die Reaktionszeit aufgrund einer Steuerdatenanforderung, welche auch die Auslastung der Maschine beeinflusst. Starke Belastungen können hier zu deutlichen Verzögerungen führen. Georg Klingenberg [Klin1981] erläutert unterschiedliche Simulationsverfahren zur Analyse des Zeitverhaltens des Materialflusses von flexiblen Fertigungssystemen und stellt die wesentlichen Unterschiede zwischen zeitkontinuierlicher und zeitdiskreter Simulation heraus. Dabei werden die für die zeitkontinuierliche Simulation üblicherweise eingesetzten Hilfsmittel wie Analogrechner bzw. Digitalrechner mit Simulationsprogramm in Bezug auf die praxisnahe Anwendbarkeit untersucht. Durch Simulation der Prozessabläufe können die im Planungs- und Realisierungsstadium benötigten Daten unter vertretbarem Aufwand ermittelt werden. Die Beschreibung erfolgt algorithmisch, nach dem „mathematischen Modell“. Somit ist eine Bearbeitung mit Rechnereinsatz möglich. Obwohl Digitalrechner aufgrund ihrer Steuerung durch spezielle Programmiersprachen Nachteile in der Anwendbarkeit haben, arbeiten sie doch wesentlich präziser als analoge Rechner. Die Nachteile in der Anwendbarkeit von Simulationsverfahren zur zeitkontinuierlichen Simulation verlieren durch die Entwicklung des Programmsystems UNIDYN ihre Bedeutung. Kurt-Günter Zenner [Zenn1981] befasst sich schwerpunktmäßig mit dem Entwurf und Aufbau eines modularen Prozesssteuerungssystems für DNC-Realisierungen. Die hierbei verfolgte Zielrichtung ist es, die Probleme der NC-Schnittstellenanpassung, des Aufbaus der Datenübertragungsstrecken sowie der Organisation der Prozesssteuerungssoftware im Fertigungsrechner anwendergerecht und wirtschaftlich zu lösen. In Verbindung mit dem Einsatz eines standardisierten Prozessperipheriesystems mit Ringleitungsstruktur, das dem Konzept des entwickelten Modellsystems weitgehend entspricht, und der Softwarerealisierung in einer höheren Programmiersprache zeigt Zenner neue Wege, wie die Aufgaben der prozessnahen Informationsverarbeitung einfacher zu bewältigen sind. 1982 leistet York Tüchelmann [Tüch1982] seinen Beitrag zur Beurteilung der Wirtschaftlichkeit von DNC-Systemen, wobei die Bewertung des zu erwartenden Nutzens vor der Einführung eines DNC-Systems im Vordergrund steht. Das entwickelte Instrumentarium hilft einem potenziellen DNC-Anwender die durch den Einsatz eines DNCSystems zu erwartende Kostenreduzierung im NC-Fertigungsbereich quantifizieren zu können. Darüber hinaus werden insbesondere hinsichtlich der DNC-systemspezifischen Wirtschaftlichkeitseinflussgrößen Entscheidungshilfen für die Auslegung der Hardund Softwarekomponenten eines DNC-Systems gegeben, wobei gleichzeitig die zu erwartenden Entwicklungs- bzw. Investitionskosten abgeschätzt werden. Neben der Weiterentwicklung der NC-Steuerungen ist die Leitstandssoftware zur Steuerung und Überwachung flexibler Fertigungssysteme (FFS) bis heute Gegenstand der Forschung. Anfang der 1980er Jahre stellt Eli Kohen [Kohe1986] unter dem Aspekt

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der universellen Anwendbarkeit ein umfassendes Konzept für eine konfigurierbare operative Software für die Material- und Informationsfluss Organisation in Systemen der flexiblen Fertigung (KOSMOS) vor (Abb. 7.17). Nach einem Überblick über die Aufgaben der Steuerungssoftware folgt eine detaillierte Analyse der Anforderungen an eine universelle Steuerungssoftware. Anhand von Beispielen wird die prinzipielle Vor-

Abb. 7.17 Struktur der COSMOS Steuer- und Überwachungssoftware [Kohe1986]

gehensweise bei der Entwicklung einer parametrierbaren Software erläutert. Ein auf diesen Entwurfskriterien aufbauendes Programmsystem und die hierbei verwendeten Parameter werden vorgestellt und die Funktionsfähigkeit der realisierten Software wird anhand von Versuchen an einem realen System nachgewiesen. Aktuelle Marktanforderungen zielen nach Norbert Lange [Lang1993] vor allem auf die Steigerung der Produktivität sowie die Steigerung der Flexibilität ab. Die unter dem Arbeitstitel COSMOS entwickelte Steuerungssoftware für flexible Fertigungssysteme bietet durch den modularen und dezentralen Aufbau die Möglichkeit, die zur FFSAnlagensteuerung erforderliche Software preisgünstig und schnell bereitstellen zu können. Zudem wird die Verfügbarkeit der Produktionsanlage erhöht, da auch die steuerungstechnischen Komponenten der Produktionsanlage entkoppelt werden. Zusätzlich wird eine bessere Inbetriebnahme und Wartbarkeit sowohl der Steuerungssoftware als auch des flexiblen Fertigungssystems selbst erzielt. Weiterhin können Softwaremodule von anderen Herstellern durch die offene Steuerungsarchitektur integriert werden.

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Ziel der Arbeit von Manuel Antonio López Valdés [Lópe1994] ist die Entwicklung eines Softwarewerkzeugs für das COSMOS FFS-Leitstandssystem, das eine benutzerdefinierte, für jeden Anwender individuell gestaltbare Bedienoberfläche ermöglicht. Eine wichtige Vorraussetzung ist hier die Austauschbarkeit im Netzwerk. Nur so wird die Bedienfunktionalität des Gesamtsystems harmonisch und die Bedien- und Visualisierungsseitigkeit arbeitsplatzunabhängig. Wichtig ist nicht nur das softwareergonomische Gestaltungsprinzip, sondern auch das Konfigurationssystem, das die uniforme Bedienfunktionalität für die unterschiedlichen Ein/Ausgabe- und Steuer- bzw. Leitstationen im Gesamtsystem durch die Anwendung immer wiederkehrender Interaktionsmethoden schafft. Aufgrund von Beobachtungen des Werkstattpersonals wird auf Interaktion mit piktographischen Darstellungen und Spracheingabe bei der Benutzerführung gesetzt. Aufgrund der Annahme, dass die Bedürfnisse von Anwendern mit spezieller, angepasster Software erfüllt werden können, entwickelt Thomas Koch [Koch1996b] drei verschiedene Ansätze zur Steigerung der Produktivität bei der Entwicklung von Zellrechnersoftware für flexible Fertigungssysteme bei gleichzeitiger Verbesserung der Softwarequalität. Diese sind eine Verbesserung der Wiederverwertbarkeit von Software, eine methodische Vorgehensweise bei der Softwareentwicklung und die Reduzierung des Entwickleraufwands durch entsprechende Werkzeuge. Die daraus resultierende Softwarearchitektur ist ein Client-Server-Konzept, das die Aufteilung der Gesamtfunktionalität auf mehrere kooperierende Funktionseinheiten vorsieht. Durch die direkte Ausführbarkeit von Aktionsnetzen in Verbindung mit wiederverwendbaren Server-Bibliotheken beschränkt sich der Aufwand für die Implementierung der Zellenrechnersoftware auf die Ergänzung noch nicht vorhandener Funktionen. Hanno Schell [Sche1996] verfolgt das Ziel, unter Berücksichtigung der spezifischen Fähigkeiten von Fertigungsmaschinen und Handhabungseinrichtungen eine Bewertung von Bauteilen und Fertigungsfolgen in frühen Phasen der Produktplanung zu ermöglichen. Um Produktentwicklungen und alternative Handhabungs- und Fertigungsfolgen zu bewerten, wird eine Methode entwickelt, die aufbauend auf der Multi-Criteria-Analyse unscharfe Daten verarbeiten kann. Die Vorgehensweise ist dreigeteilt und gliedert sich in die allgemeine Überprüfung der Herstellbarkeit der zu fertigenden Werkstücke, die Überprüfung der automatisierten Handhabbarkeit sowie die Bewertung der bei der Produktion möglichen Fertigungsfolgealternativen. Für die Umsetzung wird der Featureansatz zur Beschreibung von Werkstücken in frühen Phasen erweitert, ein regelbasierter Fuzzy-Controller zur Überprüfung der Griffsicherheit entwickelt und ein grafischer Fertigungszelleneditor zur Entwicklung alternativer Fertigungsfolgen konzipiert (Abb. 7.18). 1997 stellt Michael Hummels [Humm1997] ein Konzept zur rechnerunterstützten, benutzerorientierten Fehlerbehandlung vor. Auf Basis der Analyse, warum die Akzeptanz „wissensbasierter Fehlerbehandlungsverfahren“ bisher recht gering ist, entwickelt Hummels ein System, welches – bis auf wenige Ausnahmefälle – die Schlussfolgerungen bei der Fehlerbehandlung dem Benutzer übergibt. Zwar wird als Ausgangssymptom für Fehlerbehandlungen die Fehlermeldung der Steuerung oder des Benutzers herangezogen, weitere Symptom- oder Faktenüberprüfung wird allerdings dem Benut-

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Abb. 7.18 Programmmodule zur Beurteilung alternativer Handhabungs- und Fertigungsfolgen im Hinblick auf die Produktgestalt [Sche1996]

zer überlassen, wobei dieser sich vorab implementierter Unterstützungsfunktionen bedienen kann. Am Beispielsystem COSMOS zeigt Hummels, dass eine Synchronisierung der Fehlerbehandlungsaufgaben unbedingt erforderlich und möglichst von jedem Steuerungsrechner aus verwendbar sein soll. Ziel der Arbeit von René Langen [Lang1997] ist die Weiterentwicklung der COSMOSSoftware, d. h., ein ganzheitliches Konzept zur Unterstützung eines Entwicklers bei der Erstellung von Fertigungsleittechnik zu liefern. Der erste Schwerpunkt liegt dabei auf der Modellierungsmethode, die eine einfache, schnelle und flexible Realisierung von Anwendungen der Fertigungsleittechnik, z. B. Ablauf-, Betriebsmittel- oder Zellensteuerung, unterstützt. Hierbei soll vor allem auf Wiederverwendbarkeit, Abbildungsvermögen und Handhabbarkeit geachtet werden. Neben der Modellierung wird ein effizientes und kostengünstiges Softwareentwicklungswerkzeug benötigt. Dieses grafisch-interaktive Werkzeug ist aufgrund der durchgängigen Anwendungserstellung in

Abb. 7.19 Architektur der integrierten Entwicklungsumgebung [Lang1998]

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der Lage, aufwändige Tätigkeiten wie die Codegenerierung zu automatisieren, Modelländerungen zu vereinfachen und eine Wiederverwendbarkeit zu gewährleisten (Abb. 7.19). Zuletzt zeigt Langen die Funktionalität seiner Entwicklung beispielhaft an einer Werkstückflusssteuerung. In der Arbeit von Karsten Sonnenschein [Sonn1998] werden die wesentlichen Anforderungen an ein Feinplanungssystem für flexible Fertigungssysteme herausgearbeitet. Aufgrund abnehmender Planbarkeit der Auftragslage müssen, neben der Behandlung geplanter Ereignisse, auch ungeplante Ereignisse berücksichtigt werden. Bei der Entwicklung wird vor allem auf die Pausen im Schichtmodell, die Auftragsverteilung auf sich ersetzende Arbeitsplätze, begrenzt zur Verfügung stehende Paletten und Fertigungshilfsmittel, die Nutzung alternativer Fertigungsfolgen, die begrenzte Aufnahmekapazität von Paletten sowie reihenfolgeunabhängige Rüstaufwände und Transportzeiten geachtet. Zur Abbildung der Fertigungsabläufe dienen Sonnenschein farbige Fuzzy-Petri-Netze, die speziell für die Fertigungsplanung erweitert wurden. Aus dem Datenreferenzmodell einer definierten Abbildungsvorschrift können diese automatisch erzeugt werden. Zusätzlich kann eine Fuzzy-Entscheidungskomponente zur Entscheidungsfindung bei nicht eindeutig zu bewertenden Prozess- und Zielgrößen dienen. Gegenstand der Dissertation von Axel Peters [Pete2000] ist die Konzeption und Entwicklung von Methoden und Werkzeugen zur Beherrschung automatisierter Fertigungsabläufe in flexiblen, verketteten Produktionsanlagen, die den hohen Anforderungen hinsichtlich Visualisierung, Interaktion und Benutzerunterstützung gerecht werden. Als Basis sieht Peters hierfür bei einer hochautomatisierten Fertigung (FFS) ein benutzerorientiertes Bedienkonzept. Wichtig ist dabei, dem Informationssystem zur Visualisierung und Steuerung des Fertigungsprozesses besonderen Wert beizumessen und mit diesem System die Eingriffsmöglichkeiten in allen Situationen optimal zu unterstützen. Neben verschiedenen Aspekten der Konfigurierbarkeit, Informationsdarstellung sowie Softwareskalierbarkeit findet auch eine Interaktionsmöglichkeit zur Fehlerbehebung in Ausnahmesituationen Berücksichtigung. Im Gesamtkonzept ergänzen sich dann das benutzerorientierte Fertigungsleitsystem, die Integration eines datenbankzentrierten Informationsmanagements, ein benutzerorientiertes Bediensystem, ein interaktives Störungsmodul und ein Fertigungsleitstand. Aktuell arbeiten auf dem Forschungsgebiet der Fertigungsleittechnik Frank PosselDölken, Tilman Buchner und Kamil Fayzullin an der Zielsetzung der Flexibilisierung von Automatisierungskonzepten durch intelligente PC-basierte Softwarelösungen zur Ablaufsteuerung und -optimierung. Zum AWK 2005 wird die nunmehr 4. Generation der WZL-Leitsoftware COSMOS vorgestellt, die sich durch ihre einfache Programmierbarkeit und Projektierbarkeit für unterschiedliche Ablaufsteuerungsprobleme flexibler Fertigungssysteme und Fertigungszellen auszeichnet. Andere wichtige Forschungsthemen sind die technische Optimierung und Feinplanung der Fertigungsabläufe in flexiblen Fertigungssystemen und die Verkürzung des Produktionsanlaufes automatisierter Produktionsanlagen durch systematische Vorabverifizierung von Abläufen in Simulationsumgebungen. Als Testfeld für die Arbeiten im Bereich der Leittechnik dient das ständig aktualisierte, Integrierte Fertigungs- und Montagesystem (IFMS),

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in dem auch Arbeiten zur vertikalen Integration von Informationssystemen in der Produktion seit mehr als 20 Jahren durchgeführt werden. 7.8 Prozessoptimierung und Projektierung von Steuerungssystemen In Kombination mit der Steuerungstechnik sind auch die vorgelagerten Bereichen der Projektierung und der Steuerungsentwicklung von großer Bedeutung. Zahlreiche Forschungsvorhaben und Entwicklungen des WZL beschäftigen sich in diesen Bereichen mit der Optimierung der Prozesse. Hans-Henning Winkler [Wink1973] legt ausgehend von der aktuellen Situation Entwicklungstendenzen in der Produktion dar und deckt Möglichkeiten bzw. Grenzen auf, auftretende Probleme insbesondere der spanenden Fertigung mit Hilfe überbetrieblicher Informationszentren zu lösen. Am Beispiel des Informationszentrums für Schnittwerte (INFOS) werden die Planung, Organisation und der Betrieb technologischer Informationszentren und ihr Beitrag zur Informationsautomatisierung untersucht. Arne Kohring [Kohr1993] versucht den Test der Softwareentwicklung für die Anpasssteuerung von Werkzeugmaschinen (Speicherprogrammierbare Steuerungen; SPS) schon in einer Phase zu ermöglichen, wenn die Maschine noch nicht zur Verfügung steht. Hierzu ist eine detaillierte Analyse der SPS-Softwareentwicklung notwendig. Dabei soll die Untersuchung nicht auf die eigentliche Softwareentwicklung beschränkt sein, sondern muss das gesamte Umfeld einschließen. Hieraus folgt, dass im Mittelpunkt systematischer Softwareentwicklungsprozesse in Maschinenbauunternehmen ein Pflichtenheft erstellt werden muss, welches an das jeweilige Produktspektrum des Unternehmens angepasst ist. Dieses Pflichtenheft muss dynamisch anpassbar sein und rechtzeitige, realitätsnahe Softwaretests berücksichtigen. Die Software-Testphase für die SPS wird mit einem Simulationsrechner durchgeführt, der die noch nicht zur Verfügung stehende Werkzeugmaschine darstellt (Abb. 7.20). Stefan Aßmann [Aßma1996] greift die Arbeiten von Kohring auf und konzipiert Maßnahmen zur Verbesserung der abteilungsübergreifenden Zusammenarbeit bei der Projektierung des Datenflusses komplexer Maschinen und Anlagen. Obwohl diese Projektierungsvorschläge auch ohne spezielle Hilfsmittel anwendbar sein sollen, ist für komplexe Aufträge eine effiziente Rechnerunterstützung wünschenswert. Dieses System, welches als „dynamisches“ Pflichtenheft zu verstehen ist, soll eine durchgängige, bereichsübergreifende Informationserstellung und -verwaltung ermöglichen, um die Auftragsabwicklung unter Zeit-, Kosten- und Qualitätsaspekten zu optimieren. Beim entwickelten Konzept werden sämtliche Angebots-, Auftrags- und Dokumentationsunterlagen aktuell und konsistent verwaltet und sind von jedem Arbeitsplatz direkt verfügbar. Stephan Pühl [Pühl1999] konzipiert und realisiert ein EDV-System, das die interdisziplinäre Entwicklung eines marktgerechten Produktes unterstützt. Ziel dieses Object Management Systems ist es, alle Informationen, die im Laufe der Produktentwicklung entstehen bzw. in diesem Prozess berücksichtigt werden müssen, den beteiligten Mitarbeitern empfängergerecht zu Verfügung zu stellen. 2004 präsentiert Roman Klement [Klem2004] einen neuartigen Lösungsansatz für die Entwicklung und Nutzung von Produktdatenmanagement (PDM)-Systemen. Basierend

7. Steuerungstechnik (ab 1962)

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Abb. 7.20 Prinzipieller Aufbau einer Testumgebung für SPS-Programme [Kohr1993]

auf der Technologie der Softwareagenten wird eine Architektur für ein PDM-System entworfen, die einerseits dem Anspruch der unternehmensweiten Verfügbarkeit der Produktdaten, andererseits der Dezentralität der Erstellung und Verarbeitung der Daten gerecht wird. Somit werden die Produktdaten wieder zu den Applikationen gebracht, mit denen sie erstellt und gepflegt werden. Aktuelles Kernthema auf dem Gebiet von SPS und Motion Control ist der Forschungsbereich der „virtuellen Steuerung“. Dieser hat die vollständige Integration der virtuellen Steuerung zum Ziel, wobei neben der virtuellen NC und PLC ebenfalls das mechatronische Maschinenverhalten einzelner Komponenten eine entscheidende Rolle spielt. Hierbei ist eine genaue Kenntnis und ein Abgleich zwischen Messung und Simulationsmodell der zu untersuchenden mechatronischen Komponenten erforderlich, um später – vor dem Aufbau und der Inbetriebnahme der realen Produktionsanlage – am Simulationsmodell realistische Aussagen über eine verbesserte Maschinenfunktion oder eine reduzierte Nebenzeit treffen zu können. Neben der Erstellung der erforderlichen Verhaltensmodelle ist ein Ziel von Werner Herfs die Entwicklung und Umsetzung eines Testautomaten zur Verifizierung von SPS-Anwenderprogrammen (Abb. 7.21). Darüber hinaus beschäftigt er sich in seinem Arbeitsgebiet SPS und Motion Control sowohl mit der hardwareunabhängigen, aufgabenorientierten Umsetzung von SPSgesteuerten Handhabungsaufgaben als auch mit der Definition von baukastenorientierten Automatisierungssystemen. Die Erfahrungen aus der Bewertung der Softwarequa-

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lität fließen unter anderem in die vergleichende Untersuchung unterschiedlicher Motion-Control-Systeme ein, die bis heute hauptsächlich in steuerungstechnischen Lösungen für Produktions- oder Verpackungsmaschinen eingesetzt werden. 7.9 Benutzerunterstützung Trotz umfassender Funktionalitäten und autonomer Entscheidungsfähigkeiten der heutigen Steuerungen ist der Mensch nach wie vor ein zentraler Bestandteil des Fertigungsprozesses. Aus diesem Grund ist am WZL auch der Bereich der Benutzerunterstützung von großer Bedeutung. Hier werden Lösungen entwickelt, die den Benutzer mit den passenden Informationen versorgen und die Kommunikation mit der Maschine vereinfachen. Robert Mertens [Mert1994] zeigt Möglichkeiten, wie durch den Einsatz alternativer Ein-/Ausgabemedien an NC-Werkzeugmaschinen das facharbeiterspezifische Erfahrungswissen gefördert bzw. in den Bearbeitungsprozess einbezogen werden kann (Abb. 7.22). Vor dem Hintergrund der wirtschaftlichen Aspekte (z. B. der Qualitätssicherung, des zeitoptimierten Einsatzes der Fertigungseinrichtung) sowie der Attraktivitätssteigerung der Facharbeit werden neuartige Formen der technischen Unterstützung des Benutzers an NC-Werkzeugmaschinen vorgestellt. Bei einer Analyse akustischer Signale wird mittels Einsatz eines Spezialfilters aus dem Bereich der tech-

Abb. 7.21 Steuerungstechnischer Aufbau der virtuellen Steuerung und Anbindung des Testautomaten

nischen Akustik eine anwendergerechte Signaldarstellungsform zur Prozesszustandsanalyse entwickelt, die dem Benutzer gestattet, verschiedene akustische Signale gleichzeitig und verständlich wahrzunehmen. Als weitere Hilfe zur Erleichterung der Maschinenhandhabung werden ein elektronisches Handrad und ein Joystick mit Über-

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tragung der Prozesskräfte vorgestellt. Rainer Daude [Daud2000] versucht die Barrieren zwischen technologisch und handwerklich sehr gut ausgebildeten Werkern und der informationstechnisch geprägten Maschinen- und Prozesssteuerung mit einem Interaktionssystem für Facharbeiter zu reduzieren. Als zentrale Problembereiche mit hohem Unterstützungsbedarf hinsichtlich neuartiger Ein- und Ausgabeelemente sieht Daude das Einrichten, Einfahren, die Prozessbeobachtung und -überwachung sowie das Störungsmanagement. Bei der Entwicklung werden vor allem Mobilität, Multimedialität, Multimodalität, Maschinenund Prozesskopplung und Konfigurierbarkeit berücksichtigt. Das entwickelte mobile Maschinen- und Prozessinteraktionssystem erlaubt dem Werker ein ortsunabhängiges „hands-free“-Arbeiten an einem Produktionssystem ohne Blick- und Kopfbewegung. Dieses setzt sich aus einem Head-Mounted-Display (HMD) zur visuellen Darstellung, einem System zur Sprachsteuerung, einem sprachfähigen Feedback-System und kraftgekoppelten Bedienelementen zur taktilen Rückmeldung zusammen (Abb. 7.23). Wie schon teilweise seine Vorgänger, beschäftigt sich auch Hendrik Hoymann am WZL mit Sprachverarbeitung im Produktionsumfeld. Im Rahmen des europäischen

Abb. 7.22 Integration des Systems zur Prozessbeobachtung in die numerische Steuerung der Werkzeugmaschine [Mert1994]

Projektes TOSCA entwickelt er Lösungen zur Strukturierung von Befehlsräumen, die bestimmte Sprachbefehle nur in definierten Zuständen der Steuerung zulassen. Mit diesem Ansatz können die Robustheit der Spracherkennung und die Erkennungsrate deutlich verbessert werden [Hoym2005]. Als Beitrag zur Steigerung der Autonomie einer autonomen Produktionszelle (APZ) befasst sich Christian Wenk [Wenk2005] mit der Entwicklung einer auf Internet-Tech-

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MIRCO VITR, MANFRED WECK

nologien basierenden Maschinenbedienoberfläche, die eine flexibel anpassbare, dezentrale Informationsbereitstellung und -darstellung unterstützt. Das Systemkonzept der Maschinenbedienoberfläche besteht aus vier Komponenten: einer Plattform zur Bereitstellung der kommunikations- und datentechnischen Voraussetzungen, einem Gateway zur Anbindung der Maschinenbedienoberfläche an unterschiedliche Steuerungen, einer Visualisierungskomponente zur graphischen Aufbereitung der Grunddaten der Bedienoberfläche und ein oder mehreren Visualisierungsmodulen, in denen

Abb. 7.23 Systemarchitektur des mobilen Maschinen- und Prozessinteraktionssystems [Daud2000]

die graphische Darstellung der applikationsspezifischen Daten erfolgt. Dieses vierteilige Systemkonzept stellt einen herstellerübergreifenden Betrieb, die Beherrschung einer hohen Funktionsvielfalt sowie die Einbindung der Bedienoberfläche in den betrieblichen Informationsfluss sicher. Insbesondere bei Fehlerbehebungs- und Wartungstätigkeiten erfordert die Komplexität heutiger Produktionsanlagen neue Ansätze, um den Benutzer schnell und ziel-gerichtet zu unterstützen. Zur Benutzerunterstützung sollen auch neue Technologien wie Augmented Reality (AR) zum Einsatz kommen, die auf der Überlagerung von computergenerierten Datenobjekten mit betrachteten realen Objekten basiert. So erforscht Dirk Jahn benutzerorientiert und anwendungsgetrieben AR-Technologien zur Unterstützung von Arbeitsprozessen und realisiert diese in ersten Prototypen. Aktuell wird in diesem Zusammenhang am WZL in erster Linie untersucht, welche Randbedingungen geschaffen werden müssen, um eine Technologie wie Augmented Reality für den Service an Produktionsanlagen effektiv einzusetzen. Simon Draht, Ulrich

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Haberland und Marco Lescher beleuchten insbesondere Aspekte, die den automatisierten und semantisch korrekten Zugriff auf Informationen sowie die intuitive redaktionelle Aufbereitung der AR-basierten Informationen ermöglichen sollen.

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NC-Technik und Programmiersysteme (ab 1965) WILHELM HANS ENGELSKIRCHEN, WALTER EVERSHEIM

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WILHELM HANS ENGELSKIRCHEN, WALTER EVERSHEIM

Gliederung 8.1 Einleitung 8.2 Das Programmiersystem EXAPT 8.3 Informationszentrum für Schnittwerte (INFOS) 8.4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen zur NC-Technik 8.5 Rechnergestützte Arbeitsplanung – Computer Aided Process Planning (CAPP)

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8.1 Einleitung Anfang der 1950er Jahre werden in den USA die ersten numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen (Numerical Controlled Machine Tools) entwickelt und gebaut. Dies ist der Beginn des sogenannten Zeitalters der NC-Technik. Die mit Lochstreifen digital gesteuerten Werkzeugmaschinen sind anfänglich für zwei Einsatzgebiete vorgesehen. Zum einen sollen komplizierte Teile (Holme, Spanten) aus dem Flugzeugbau automatisiert spanend bearbeitet werden, um die hohen Qualitätsansprüche auch bei wiederholter Fertigung quasi unabhängig von der Qualifikation und Konzentration des Maschinenbedieners zu erfüllen. Zum anderen soll eine wirtschaftliche Fertigung auch bei Einzel- und Kleinserienfertigung mit automatisierten Werkzeugmaschinen (NC-Maschinen) ermöglicht werden. Opitz erfährt von dieser Entwicklung im Werkzeugmaschinenbau durch seine guten Kontakte zum Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, USA. Professor Milton C. Shaw vom MIT bringt die Erkenntnisse und Erfahrungen mit, als er im Jahr 1957 einer Einladung von Professor Opitz zu einer Gastprofessur am WZL folgt. Hieraus entstehen gleich mehrere Impulse für neue Forschungslinien am WZL, nämlich: • neuartige Vorschubantriebe (z. B. Schrittmotoren), • neuartige Schlittenführungen, • Programmiersysteme für NC-Werkzeugmaschinen. Während die komplexen Vorschubantriebe und Schlittenführungen noch an anderer Stelle (vgl. Kapitel 4 zum Thema Antriebstechnik) vertiefend behandelt werden, soll hier im Folgenden das Programmiersystem EXAPT und seine Entwicklung beschrieben werden. 8.2 Das Programmiersystem EXAPT Anfang der 1960er Jahre greift Opitz die Ideen von Douglas T. Ross und seines Kollegen Wilhelm Simon, der an der TU Berlin das Institut für Produktionstechnische Automatisierung leitet, auf und startet zusammen mit den Kollegen Günter Spur, Wilhelm Simon, beide TU Berlin, und Gottfried Stute, Universität Stuttgart, die Entwicklung der Programmiersprache EXAPT. Damit ist der Beginn einer ganz neuartigen Forschungsrichtung, nämlich der Entwicklung und Erprobung von Software am WZL und an den Partnerinstituten in Berlin und Stuttgart, eingeläutet. Das in den USA entwickelte und eingesetzte maschinelle, d. h. computergestützte Programmiersystem APT (Automatically Programmed Tools) unterstützt lediglich die schwierige Aufgabe, Werkzeugwege zu berechnen und zu ermitteln. Opitz und seine Mitarbeiter erkennen sehr früh, dass für das Steuerprogramm einer NC-Werkzeugmaschine neben diesen Geometrie- bzw. Werkzeugwegbeschreibungen weitere Festlegungen zu treffen und „manuell“ den Steuerprogrammen hinzuzufügen sind. Diese Zusatzinformationen müssen als Befehle oder Kommandos im Steuerlochstreifen codiert abgelegt werden. Wesentliche Bestandteile derartiger Zusatzbefehle sind Schnittaufteilung, Schnittgeschwindigkeit/Drehzahl, Vorschubgeschwindigkeit etc. Mit dem Programmiersystem EXAPT (Extended Subset of APT) entsteht eine Software, die den Programmierer für NC-Maschinen möglichst vollständig unterstützen

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WILHELM HANS ENGELSKIRCHEN, WALTER EVERSHEIM

soll. Markante Besonderheiten dieses Programmiersystems sind die Erweiterungen des Geometrieprozessors durch einen Technologieprozessor für die spanenden Verfahren Drehen, Bohren und Fräsen, der die fertigungstechnischen Daten, wie Schnittaufteilung, Schnitttiefe, Schnittgeschwindigkeit, Drehzahl, Vorschubgeschwindigkeit,

Abb. 8.1 EXAPT-Programmiersystem: Ausstellungsschaubild des Technologieprozessors von EXAPT-2 auf der 10. EWA in Hannover 19671

1

Spur 2004, a.a.O. S. 421.

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8. NC-Technik und Programmiersysteme (ab 1965)

automatisch ermittelt und die geeigneten Werkzeuge auswählt. Ein Postprozessor übernimmt schließlich die Umsetzung bzw. Anpassung der teileorientierten Programme an die spezifischen Gegebenheiten der jeweiligen Steuerung und Werkzeugmaschine. Die Entwicklung von EXAPT wird in enger Zusammenarbeit mit der deutschen und europäischen Werkzeugmaschinenindustrie durchgeführt. Bei den in den 1960er und 1970er Jahren durchgeführten Untersuchungen und Forschungsarbeiten kommt den Wissenschaftlern am WZL zugute, dass sie auf die Werkstückdatenbank und das Teileklassifizierungssystem, die im Rahmen der Gruppentechnologie und Teilefamilienfertigung entwickelt wurden, zurückgreifen können. Für häufig auftretende Formelemente, die übrigens später im Zusammenhang mit Computer Aided Design (CAD) „Features“ genannt werden, können komplette Programmroutinen oder Unterprogramme definiert werden, die bei Wiederholung zusammen mit aktuellen Parametern wie „Konserven“ wiederzuverwenden sind. Um die Programmierung der am weitesten verbreiteten Werkzeugmaschinenarten (wie Drehmaschinen, Bohrmaschinen, Fräsmaschinen und Bohr- und Fräswerke), die zunächst mit NC-Steuerungen versehen werden, mit dem neuen EXAPT-System zu unterstützen, werden drei Programmteile entwickelt: EXAPT 1 für Bohr- und einfachste Fräsaufgaben (vornehmlich Punkt- und Streckensteuerung) EXAPT 2 für Drehbearbeitungen (Strecken- oder Bahnsteuerung) EXAPT 3 für Bohr- und Fräsbearbeitung (Bahnsteuerung in 2 Achsen und Strecken- bzw. Punktsteuerung in einer senkrechten Ebene hierzu, auch 21/2 -D-Steuerung genannt).

Abb. 8.2 EXAPT-Struktur EXAPT 1 [Reck1967]

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Abb. 8.3 Planung des Arbeitsablaufes und des Werkzeugeinsatzes an einem Drehteil [Budd1970]

Im WZL entstehen aus den von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), dem Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken e.V. (VDW) und dem Landesamt für Forschung, NRW (LAF) 21/2 -D-Steuerung geförderten Projekten die folgenden Dissertationen: So beschreibt Dieter Reckziegel den „Aufbau einer Werkzeugsystematik für numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen unter besonderer Berücksichtigung der maschinellen Programmierung von Bohrwerken“ [Reck1967]. Wilhelm Hans Engelskirchen untersucht und entwickelt eine Methode zur „Anpassung rechnergestützter Programmierverfahren der Fertigungstechnik an numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen“ [Enge1968]. In weiteren Arbeiten [Grup1971, Döbn1973, Zölz1974] werden die EXAPT-Systeme unabhängig von den jeweiligen Rechenanlagen (Control Data, IBM, Siemens, Unival etc.) gestaltet und in die Fertigungsplanung überbetrieblich sowie an die Fertigungsbedingungen diverser Anwender anpassbar gemacht. Bernd Hirsch, Heinz Berger und Wolfgang Budde liefern mit ihren Dissertationen wertvolle Beiträge zum Aufbau des Technologieprozessors [Hirs1969, Berg1970, Budd1970]. Während Hirsch sich mit Zerspanvorgabewerten für NC-Drehmaschinen beschäftigt, untersucht Berger die Entscheidungs- und Auswahlprozesse für Technologiedaten bei Fräs- und Bohrbearbeitung. Budde bereitet die Entscheidungsregeln dahingehend auf, dass auf der Basis solcher Algorithmen eine rechnerunterstützte, automatische Werkzeugermittlung bzw. -auswahl erfolgen kann. Das Programmiersystem EXAPT hat im Jahr 1967 eine Reife erreicht, die erlaubt, nun dieses System auf der 10. Europäischen Werkzeugmaschinen-Ausstellung (EWA) in Hannover vorzustellen. Gleichzeitig wird der EXAPT-Verein als Spin-off-Unternehmen

8. NC-Technik und Programmiersysteme (ab 1965)

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in Frankfurt mit ständigem Sitz in Aachen gegründet. Diese professionell geleitete Institution übernimmt die Verbreitung, den Vertrieb, die Pflege und Weiterentwicklung des EXAPT-Systems sowie die Beratung von Werkzeugmaschinenherstellern, Anwenderfirmen und Computerherstellern. Dabei unterhält diese neue „Firma“ über ihre „Forschungsvereinigung Programmiersprachen“ (FVP e.V.), die auch bei der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen, Köln (AiF), akkreditiert ist, den engen Kontakt zu den Instituten WZL der RWTH Aachen, IFB der TU Berlin und ISW der Universität Stuttgart. Erst Mitte der 1970er Jahre gehen die EXAPT-Organisationen daran, die Programmiersysteme zu modularisieren. Am WZL schreibt Heinz-Herbert Brechtel [Brech1975] eine Dissertation mit dem Titel „Konzeption und Aufbau eines modularen Programmsystems, dargestellt am Beispiel eines Programmiersystems für numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen“. 8.3 Informationszentrum für Schnittwerte (INFOS) Aus den Arbeiten zum Technologieprozessor kristallisiert sich allmählich ein neuer Forschungsschwerpunkt heraus. Opitz führt die Arbeitsgruppe EXAPT mit den Forschern der Zerspantechnologie zusammen und treibt damit die Arbeiten für den Aufbau

Abb. 8.4 Einsatz und Weitergabe der Schnittwertmodelle im Rahmen des Informationszentrums für Schnittwerte [Pfau1974]

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Abb. 8.5 Überbetriebliches Informationszentrum und betriebliches Informationssystem [Wink1973]

eines „Informationssystems für Schnittwerte“ (INFOS) voran. Bereits die Dissertationen von Bernd Hirsch [Hirs1969], Hans-Henning Winkler [Wink1973], Dieter Helmut Pfau [Pfau1974] und Dieter Gebauer [Geba1980] bilden die vorbereitende Softwareplattform für diese Ergänzung des EXAPT-Systems. Gespeist wird das Informationssystem INFOS durch ein weltweit organisiertes Untersuchungsprogramm, in dem einschlägige Forschungsinstitute in Belgien, Großbritannien, Italien, USA und Deutschland optimale Schnittbedingungen für gängige Werkstoffe untersuchen. Diese INFOS-Datenbank wird einmal in Buchform veröffentlicht und zusammen als Informationszentrum mit dem EXAPT-Technologieprozessor gekoppelt [Wink1973]. Um das Informationszentrum für Schnittwerte (INFOS) weiter auszubauen und mit aktuellen Informationsdaten zu füllen, werden schon sehr frühzeitig die Benutzer in den INFOS-Arbeitskreis miteingebunden. Dies sind sowohl die Werkzeug-Schneidstoff-, Maschinen- und Werkstoffhersteller als auch die Anwender dieser Produkte. Die Mitglieder des Arbeitskreises erfassen Zerspandaten, die in der INFOS-Datenbank gespeichert, analysiert, aufbereitet und verdichtet werden, um sie den Anwendern firmenneutral oder maschinenbezogen wieder zur Verfügung zu stellen. Zur Verbesserung der Erstellung und Prüfung von Zerspaninformationen entwickelt Klaus Spira [Spir1978] ein automatisches System mit sicherer Messgrößenerfassung. Ludwig Josef Dammer [Damm1982] erweitert die sichere Zerspandatenbereitstellung auf das Messerkopfstirnfräsen.

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Nach Abschluss der Entwicklungsarbeiten wird das INFOS-System zur Vermarktung von EXAPT übernommen.2 8.4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen zur NC-Technik Neben der Weiterentwicklung des EXAPT-Programmiersystems beschäftigt man sich am WZL auch frühzeitig mit Wirtschaftlichkeitsfragen der NC-Bearbeitung. In den Arbeiten von Wolfgang Maßberg [Maßb1965], Peter Stehle [Steh1966] und Dirk Hormann [Horm1973] werden Kostenrechnungs- und Kalkulationsverfahren entwickelt, die bei Entscheidungen über konventionelle Fertigung und NC-Fertigung Anwendung finden. Hieraus entsteht die neue Forschungsrichtung „Technische Investitionsplanung“ bzw. Technologieplanung. Die neuen Arbeitsabläufe von der Programmierung über Bereitstellung, NC-Fertigung und Qualitätskontrolle erfordern andersartige, neue „Bilanzhüllen“ beim Wirtschaftlichkeitsvergleich mit einer Fertigung auf konventionellen Werkzeugmaschinen. Peter Stehle [Steh1966] entwickelt in seiner Dissertation den Kennwert „Relative Rentabilität“, der bei Investitionsentscheidungen über den Kauf numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen eine objektive, betriebswirtschaftlich fundierte Beurteilung erlaubt. Darüber hinaus liefern die zahlreichen Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen auf der Basis repräsentativer Teilespektren (vgl. Kapitel 5 zum Thema Werkstückstatistik) wichtige Hinweise, in welche Richtung und in welcher Weise die NC-Werkzeugmaschinen und ihre Steuerung zu entwickeln sind, damit eine wirtschaftliche Fertigung ermöglicht wird und größere Teilespektren für eine kostengünstige Fertigung auf NCMaschinen erschlossen werden [Witt1981, Maßb1965]. Die Ergebnisse derartiger Erhebungen werden sowohl von den Werkzeugmaschinenfabriken als auch von den Steuerungs- und Computerherstellern aufgegriffen. Die Neuentwicklungen erlauben drastische Kostenreduktionen für die NC-Komponenten. Anfang der 1960er Jahre beispielsweise kostet eine numerisch gesteuerte Achse ca. 100.000 DM. Das führt zu einer enormen Verteuerung der WerkzeugmaschinenInvestitionen. Häufig sind die Kosten für die NC-Ausstattung höher als die der Grundmaschinen. Auf der EWA 1967 sind bereits NC-Werkzeugmaschinen ausgestellt und zu kaufen, deren Kosten für die Steuerungen pro Achse bereits um den Faktor 10 reduziert sind. 8.5 Rechnergestützte Arbeitsplanung – Computer Aided Process Planning (CAPP) Das Programmiersystem EXAPT wird um Funktionen, wie Ablaufplanung, Werkzeugauswahl, Vorgangsfolgeplanung, erweitert. Hieraus entwickelt sich die Forschungsrichtung „Computer Aided Process Planning“ (CAPP) [Budd1970, Bach1973]. Die in den USA beginnende grafische Datenverarbeitung wird Ende der 1960er Jahre auch am WZL zum Forschungsthema.3 Jean-Pierre Lacoste und Matthias Baum untersuchen, welche Vorteile einer grafischen Dateneingabe beim EXAPT-System durch

2

INFOS-Stand der Arbeiten an Informationszentrum für Schnittwerte, REFA-Nachrichten, 26. Jg., Nr. 3, 1973.

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eine CAD/EXAPT-Kopplung zu erreichen sind [Laco1972, Baum1972]. Die ersten Arbeiten sind der Beginn einer Forschungsinitiative im WZL und bundesweit in Westdeutschland für CAD (Computer Aided Design), CAPP (Computer Aided Process Planning) und CAM (Computer Aided Manufacturing). Später, Mitte der 1980er Jahre, führt dies zu dem Forschungsschwerpunkt CIM (Computer Integrated Manufacturing), der im Kapitel 15 zum Thema Rechnereinsatz in Konstruktion näher erläutert wird.4

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Herwart Opitz (Hrsg.): 13. Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium 1968 „Besser, billiger, schneller produzieren“. Essen 1968. 4 Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium (Hrsg.): Produktionstechnik auf dem Weg zu integrierten Systemen. Düsseldorf 1987.

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EDM / ECM (ab 1950) GEORGIOS ANTONOGLOU, ANDREAS KLINK, FRITZ KLOCKE, DIETER LUNG, DIMITRIOS THOMAIDIS, HANS WILHELM OBRIG

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ANTONOGLOU, KLINK, KLOCKE, LUNG, THOMAIDIS, OBRIG

Gliederung 9.1 Einleitung 9.2 Funkenerosives Senken 9.2.1 Technologie (Grundlagen, Optimierung, Randzone, Mehrkanalbearbeitung) 9.2.2 Regelung, Generatoren 9.2.3 Die Kinematik im Erosionsprozess 9.2.4 Arbeitsmedien, Elektroden- und Werkstückwerkstoffe (leitende oder nicht leitende) 9.3 Funkenerosives Schneiden mit ablaufender Drahtelektrode 9.3.1 Grundlagen 9.3.2 Randzone 9.3.3 Drahtwerkstoffe 9.3.4 Mikrobearbeitung 9.4 Elektrochemisches Abtragen (ECM) 9.4.1 Grundlagen des ECM-Senkens 9.4.2 Schadstoffbildung und Elektrolytaufbereitung 9.4.3 Generatoren 9.4.4 Kombinierte Prozesse

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9. EDM / ECM (ab 1950)

9.1 Einleitung Unter dem Oberbegriff der elektrisch abtragenden Bearbeitungsverfahren ist das funkenerosive Abtragen EDM (electro discharge machining) durch Senken, Bohren und Schneiden sowie das elektrochemische Senken ECM (electro chemical machining) zusammengefasst.

Abb. 9.1 Abtragprinzip bei der funkenerosiven (oben) und elektrochemischen Bearbeitung (unten)

Die Funkenerosion ist ein Bearbeitungsprozess, der vorwiegend im Werkzeug- und Formenbau eingesetzt wird, um elektrisch leitfähige, mit konventionellen Verfahren nur schwer bearbeitbare Materialien mit kurzzeitigen, lokal begrenzten Funkenentladungen zu bearbeiten. Das funkenerosive Senken geschieht mit einer Werkzeugelektrode, die, z. B. bei einem Schmiedegesenk, der Form des herzustellenden Schmiedeteils entspricht. Im Falle eines Durchbruches, beispielsweise bei einer Spinndüse, spricht man von funkenerosivem Bohren. Beim funkenerosiven Schneiden dient ein ablaufender Metalldraht als Werkzeugelektrode. Das Werkstück wird quer zum Metalldraht nach der zu erzeugenden Kontur, z. B. eines Schnittwerkzeuges, geführt. Der Prozess findet in

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einer dielektrischen Flüssigkeit statt. Abtragleistung, Oberflächengüte und Werkzeugverschleiß sind von der Art der beteiligten Werkstoffe und von den elektrischen Arbeitsbedingungen abhängig. Beim elektrochemischen Senken erfolgt der Werkstoffabtrag am elektrisch leitenden Werkstück durch einen anodischen Auflösungsvorgang. Zwischen Werkstück und Werkzeug besteht während der Bearbeitung ein Spalt, der von der Elektrolytlösung durchströmt wird. Das Verfahren zeichnet sich durch hohe Abtragleistungen und ein verschleißfreies Werkzeug aus. Das ECM-Verfahren wird insbesondere in der Serienfertigung von Bauteilen, die keine mechanisch und thermisch beeinflusste Randzone aufweisen dürfen, angewandt. Die beiden abtragenden Fertigungsverfahren EDM und ECM zeichnen sich durch eine hohe Geometriefreiheit aus. Hierfür müssen geeignete Elektroden mit Negativform für die Senkverfahren und geeignete Drähte sowie realisierbare Verfahrwege für die

Abb. 9.2 Die erste Funkenerosionsmaschine des Werkzeugmaschinenlabors: die „WZL 54“

Drahterosion zur Verfügung gestellt werden. Abbildung 9.2 zeigt die erste Funkenerosionsmaschine, die im Werkzeugmaschinenlabor im Jahr 1954 entwickelt wurde. 9.2 Funkenerosives Senken 9.2.1 Technologie (Grundlagen, Optimierung, Randzone, Mehrkanalbearbeitung) In den 1950er Jahren besteht der Bedarf, Thermoelemente in Hartmetallschneiden zu platzieren, um Temperaturen zu messen. Ausgehend von den Arbeiten der russischen Forscher B. R. und N. J. Lazarenko aus dem Jahr 1944 und B. N. Solotych Mitte der

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1950er Jahre entwickeln die Mitarbeiter von Opitz eine Vorrichtung, um durch Feinbohrungen den Einbau von Thermofühlern in Hartmetallwerkzeugen zu ermöglichen.1 In einer systematischen Analyse der Zusammenhänge zwischen den Parametern Entladungsform, Entladungsleistung und Frequenz eines nach dem Schwingkreisprinzip aufgebauten Funkengenerators beschreibt Gottfried Stute [Stut1959] grundlegende Zusammenhänge für die Auslegung von Generatoren für die funkenerosive Bearbeitung. Des Weiteren erörtert Stute die Einflussgrößen des Prozesses sowie der beteiligten Werkstoffe auf das Arbeitergebnis. Die sich aus dem neuen Verfahren ergebenden Möglichkeiten führen zu dem Ansatz, das mechanische Schleifen zur Bearbeitung von Hartmetall mit der funkenerosiven Bearbeitung zu kombinieren. Paul Kips [Kips1960] kann die grundsätzliche Eignung dieser Verfahrenskombination aufzeigen. Wegen des erhöhten Aufwandes wird diese Linie für die praktische Anwendung aber zunächst nicht weiter verfolgt. An den inzwischen im WZL gebauten Maschinen zum funkenerosiven Bohren und Senken werden in der Folge umfangreiche Untersuchungen, sehr bald auch in Zusammenarbeit mit der Industrie, durchgeführt. Der elektrische Generator ist nach dem Prinzip eines elektrischen Schwingkreises aufgebaut. Karlheinz Ganser [Gans1961] untersucht die Einflüsse der Elektrodenwerkstoffe und Arbeitsbedingungen auf Abtragleistung, Werkzeugverschleiß, Oberflächengüte und Abbildungsgenauigkeit bei der Bearbeitung mit einer Anlage kleiner Leistung. Im Hinblick auf den Einsatz des Verfahrens für die Herstellung von Schmiedegesenken widmet sich Hans Wilhelm Obrig [Obri1961] dem Ziel, den Einfluss der obengenannten Parameter sowie der Spülung des Arbeitsbereiches mit dielektrischer Flüssigkeit auf das Arbeitsergebnis und dabei insbesondere die durch den thermischen Abtragprozess und das Dielektrikum bedingte Randzone (Abb. 9.3) zu erforschen. Durch den Einsatz von unter verschiedenen Bedingungen hergestellten Gesenken in der Produktion kann gezeigt werden, wann die Standmenge der Gesenke gleich oder besser gegenüber der konventionellen Herstellung ist. In den bisherigen Arbeiten und auch bei den Untersuchungen von Hans Schierholt [Schi1964] wird deutlich, dass die Kenngrößen der Funkenentladung entscheidenden Einfluss auf das Arbeitsergebnis haben. Der Generator ist nach wie vor die entscheidende Maschinenkomponente. Deshalb entwickelt Karl Poerschke [Poer1964] in der Folge nun Konzepte und Richtwerte für die Auslegung von Generatoren. Bernd Schumacher [Schu1966] führt diese Untersuchungen fort, allerdings mit den inzwischen neu eingeführten statischen Impulsgeneratoren. In diesen Arbeiten wird besonders das Abtragverhalten bewertet. Schumacher untersucht verschiedene Spülbedingungen, misst den Druck im Entladekanal, die Spaltweite und nimmt Einzelentladungen auf.

1

B. R., N. J. Lazarenko: Elektrische Erosion von Metallen. Moskau 1944. B. N. Solotych: Physikalische Grundlagen der Elektrofunkenbearbeitung von Metallen. Berlin 1955. Herwart Opitz, Heinrich Axer: Untersuchung und Weiterentwicklung neuartiger elektrischer Bearbeitungsverfahren. Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums NRW, Heft 295, 1956.

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Abb. 9.3 Breite der Randzone als Funktion der Entladungsarbeit [Obri1961]

Um eine Steigerung der Abtragleistung ohne gleichzeitige Verschlechterung der Oberflächengüte zu erreichen, muss die Zahl der Entladungen erhöht werden. Dies ist beispielsweise die Voraussetzung für die funkenerosive Bearbeitung großer Flächen, wie sie die Werkzeuge zur Blechumformung erfordern. Ernst-Wilhelm Kracht erarbeitet deshalb [Krac1970] die Grundlagen der Mehrkanalbearbeitung und berücksichtigt auch die Problematik der Vorschubregelung. Bei den Verfahren mit Mehrkanalbearbeitung wird die Werkzeugfläche aus mehreren isolierten Elektroden gebildet, die von je einem parallel arbeitenden Generator versorgt werden. Rainer Kurr [Kurr1972] erforscht die Möglichkeiten, das funkenerosive Verfahren zu automatisieren und den Arbeitsprozess zu optimieren, indem er die Auswirkungen der Variation der Prozessparameter untersucht. Hierbei weist er nach, dass die Impulsdaten Strom und Dauer sich direkt auf den Impulsabtrag, -verschleiß und die Oberflächengüte auswirken. Weiterhin analysiert Kurr die Regelparameter, die direkt oder indirekt die Stabilität des Erosionsprozesses beeinflussen und somit für die erzielbaren technologischen Kenngrößen und den Prozesswirkungsgrad ausschlaggebend sind. Schließlich beschreibt er die erste Ausbaustufe des in seinen Arbeiten entwickelten selbsttätigen Regelsystems für eine funkenerosive Senkmaschine, die für den Online-Betrieb mit einem Prozessrechner ausgelegt wurde. Die bisher durchgeführten Arbeiten machen deutlich, dass zum Aufbau des Prozessverständnisses weitere Grundlagen erarbeitet werden müssen. Einen Beitrag zur Klärung des Abtragsmechanismus liefern die Untersuchungen von Rafael Wertheim [Wert1975]. Durch das Studium von Einzelentladungen zeigt Wertheim die grundsätzlichen Zusammenhänge der Wärme- und Materialübertragungsvorgänge. Mit dieser Grundlage kann das auf der thermischen Erosionstheorie aufbauende theoretische Modell deutlich erweitert werden.

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Als Basis für die Optimierung des Prozesses untersucht Elmar Barz [Barz1976] die Zusammenhänge zwischen Abtragrate, relativem Verschleiß und den Stellgrößen. Hierfür steht ein System zur Verfügung, das über Sensoren zur Bewertung der momentanen Abtrag- und Verschleißbedingungen verfügt. Weiterhin wird ein Prozessrechner eingesetzt, der die mit Hilfe der Sensoren generierten Kenngrößen entsprechend der programmierten Software verarbeitet und die während der Bearbeitung vom Bedienungsmann nachzuführenden Stellgrößen ansteuert. Ein Vergleich der Ergebnisse von rechnergeführten und der von Hand optimierten Versuche zeigt, dass die technologischen Kenngrößen bei Handbetrieb nicht unterschritten werden. Die Grenze des Einsatzes dieses Systems ist im Feinschlichtbereich zu sehen, da dann die extrem kurzen Entladedauern in der Größenordnung der Schaltzeit bestimmter elektronischer Bauteile liegen. Die physikalisch bedingten Zusammenhänge bei einer Funkenentladung und ihre Möglichkeit zur Verbesserung des Arbeitsergebnisses greift Hans-Josef Enning [Enni1980] auf. Er stellt fest, dass der Werkzeugverschleiß an Kupferelektroden mit rechteckförmigen Stromimpulsen besonders zu Beginn der Entladung erfolgt. Dieser Verschleiß lässt sich durch eine Anpassung der Impulsleistung an die veränderliche Stromdichteverteilung reduzieren. Das von Enning realisierte Steuerungskonzept, das eine Anpassung der Entladeenergie an die Zündbedingungen jeder einzelnen Entladung gestattet, ermöglicht ein gleichmäßiges Abtrag- und Verschleißverhalten über einen weiten Verstellbereich der Anlage. Die Randzonenbeeinflussung durch die Funkenerosion und ihre Auswirkung auf das Bauteilverhalten sind für die praktische Anwendung der EDM-Technologie im Werkzeug- und Formenbau von zunehmender Bedeutung. Daher werden die Verfahrenseinflüsse auf die Oberflächenbeschaffenheit und die Festigkeit des Werkstückes eingehend von Wolf-Immo Jutzler [Jutz1982] untersucht. Für die Ausbildung der Randzone sowie die Eindringtiefe der Eigenspannungen und Mikrorisse erweist sich die Entladeenergie als entscheidende Einflussgröße. Jutzler führt Dauerfestigkeitsuntersuchungen mit erodierten Proben durch und sucht nach Möglichkeiten, die dynamische Festigkeit der Werkstücke zu steigern. Hierbei kommt er zu dem Ergebnis, dass die dynamische Festigkeit nur durch mechanisches Nacharbeiten der Oberfläche oder thermische bzw. thermochemische Nachbehandlung des Werkstücks wirkungsvoll verbessert werden kann. Dass man mit der Funkenerosion auch Polieren kann, weist Lothar Jörres [Jörr1989] nach. Im Mittelpunkt steht die systematische Analyse der auf den Polierprozess einwirkenden Einflussgrößen, die zur Erzielung eines guten Polierergebnisses bezüglich Oberfläche und Randzone sorgfältig festzulegen und aufeinander abzustimmen sind. Zum Verständnis der im Arbeitsspalt ablaufenden physikalischen Vorgänge werden ausgehend von den Grundlagen der elektrischen Entladung Erkenntnisse aus der Lichtbogenphysik hinsichtlich ihrer Übertragbarkeit auf das funkenerosive Polieren angewandt. Die ablaufenden thermoenergetischen Vorgänge im System Werkzeug – Arbeitsmedium – Werkstück untersucht und analysiert Franz-Josef Siebers [Sieb1993]. Durch Messungen mit Thermoelementen und durch Thermographieuntersuchungen ermittelt er die ablaufenden Zusammenhänge und kommt zu dem Schluss, dass neben den

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thermischen Prozessen auch die bei einer Entladung auftretenden Kräfte einen großen Einfluss auf den Abtragprozess haben, was er dann durch entsprechende Messungen belegt. Auch die funkenerosive Bearbeitung von Keramik ist Gegenstand der weiteren Forschung am WZL. Rainer Wilhelm Lenzen [Lenz1997] betrachtet den funkenerosiven Bearbeitungsprozess von siliziuminfiltriertem Siliziumkarbid (SiSiC), ausgehend vom Abtragverhalten, über den zeitbezogenen Abtrag und die Oberflächenausbildung bis zu den tribologischen Bauteileigenschaften. Er zeigt auch, dass die Erodierbarkeit nicht allein von der elektrisch notwendigen Leitfähigkeit eines Keramikwerkstoffs abhängt. In den folgenden Jahren werden die Entwicklungsarbeiten des WZL auf die Leistungssteigerung des Erosionsprozesses ausgerichtet. Dabei stehen die Einflüsse und die richtige Auswahl der Werkzeugelektrodenwerkstoffe und Arbeitsmedien im Vordergrund. Hierzu sind die Abläufe im Entladekanal und damit die Abtragmechanismen weiter zu analysieren. Zur Bestimmung der Temperatur im Plasmakanal führt Arnd Karden [Kard2000] Versuche durch. Er macht Ultrahochgeschwindigkeitsaufnahmen der Entladungen und untersucht das Abtrag- und Verschleißverhalten in Abhängigkeit von Elektrodenwerkstoff und Dielektrikum. Er ermittelt auch den Eigenspannungsverlauf in der Randzone und die Auswirkung auf die Dauerfestigkeit der Werkstücke. Karden kommt zu dem Ergebnis, dass Graphitelektrodenwerkstoffe gegenüber den metallischen Elektrodenwerkstoffen allgemein höhere Abtragraten und einen geringeren Verschleiß aufweisen. Dabei ist eine Komplettbearbeitung mit höchster Oberflächengüte möglich. Die thermischen und mechanischen Vorgänge bei der Funkenerosion werden anschließend von Mathias Klotz [Klot2004] modelliert und simuliert. Seine Arbeit stellt eine systematische Rückführung der bei der EDM-Bearbeitung unter Einsatz von Pulveradditiven auftretenden Phänomene auf die thermophysikalischen und elektrischen Kenngrößen der am Prozess beteiligten Werkstoffe dar. Klotz schafft somit einen Ansatz, systematisch die bei der Interaktion von Elektrodenwerkstoff, Additivwerkstoff und Werkstückwerkstoff auftretenden Phänomene zu beeinflussen und somit gezielten Einfluss auf die Ausprägung der Randzonenmorphologie funkenerosiv bearbeiteter Bauteile nehmen zu können. Insgesamt zeigt sich, dass mit Additivwerkstoffen im Dielektrikum höhere Abtragraten bei besserer Oberflächenqualität erreicht werden. Die aktuellen Forschungsarbeiten beim Funkenerosiven Senken sind auf die Mikrofunkenerosion ausgerichtet. Dabei stehen pulveradditivierte Dielektrika und verschiedene Elektrodenwerkstoffe im Mittelpunkt. Aber auch die Weiterführung der Modellierung des Abtragprinzips und der Energieverteilung im Arbeitspalt für das funkenerosive Senken sind Gegenstand der Untersuchungen, die z. Zt. von Dimitrios Thomaidis durchgeführt werden. 9.2.2 Regelung, Generatoren Die zunächst verwendeten Generatoren arbeiten mit Kondensatorentladungen, die von einem elektrischen Schwingkreis erzeugt werden und deren Leistung und Frequenz variiert werden können. Die Möglichkeit, die Form der Entladung zu beeinflussen, ist jedoch begrenzt.

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Aufbauend auf Grundlagenuntersuchungen beschreibt Hans Schierholt [Schi1964] die Anforderungen an die Impulsform und Regeleinrichtungen der verwendeten Generatoren. Karl Poerschke [Poer1964] führt diese Thematik weiter, indem er einen Beitrag zur Funkenerosion mit verschiedenen gesteuerten Generatoren liefert. In diesem Zusammenhang untersucht er auch die Regelung der Vorschubgeschwindigkeit. Mit den Problemen der Vorschubregelung bei der elektroerosiven Bearbeitung befasst sich auch Wolfgang Weigand [Weig1966]. Er vergleicht Regelsysteme mit dem Schwerpunkt auf der Auswertung von Regelsignalen und der Stabilität des Regelkreises. Hierbei resultiert aus dem regelungstechnischen Verhalten der Strecke ein Messverfahren, das ohne Aufnahme einer Ortskurve unter Berücksichtigung der nichtlinearen Glieder im Regelkreis eine Prüfung auf Stabilität über den gesamten Stellbereich bis zu Elektrodenabständen von einigen Mikrometern ermöglicht. Somit steht ein Kriterium für die Güte der Vorschubregelung, das messtechnisch einen Vergleich verschiedener Vorschubregelungen an unterschiedlichen Maschinen zulässt, zur Verfügung. Parallel laufen Entwicklungen zum Einsatz von Thyristoren beim Aufbau gesteuerter Impulsgeneratoren für die elektroerosive Bearbeitung. Das Leistungsverhalten und der Werkzeugverschleiß bei der funkenerosiven Bearbeitung von Stahl mit Schwingkreis- und Impulsgeneratoren wird von Bernd Schumacher [Schu1966] aufgegriffen. Der Vergleich der beiden Generatorentypen wird in Abbildung 9.4 dargestellt. Durch die Untersuchungen der Verschleißursachen und der Gründe für die Verzerrung der geometrischen Werkzeugform wird das Verständnis der komplexen Zusammenhänge vieler Parameter verständlich. Aufgrund der Ergebnisse seiner Untersuchungen ergeben sich Möglichkeiten zur Vereinfachung der Bedienbarkeit der Generatoren, die es gleichzeitig gestatten, den Arbeitsprozess weiter zu automatisieren. Einen zusätzlichen Beitrag zur Optimierregelung für das funkenerosive Senken leistet auch Rolf Engels [Enge1975], indem er Einstell- und Zustandsgrößen auswählt, um zunächst eine Grundstufe eines zukünftigen komplexeren Optimiersystems aufzubauen. Bereits auf dieser Grundstufe erreicht er durch die Maximierung der Abtragrate bei einer Verringerung des Werkzeugverschleißes eine Steigerung der Produktivität. Eine Optimierung des Arbeitsprozesses strebt Elmar Barz [Barz1976] an, indem er einzelne Optimierungsstrategien bei unterschiedlichem Prozessverhalten überprüft. Hierbei kommt der Optimierung der Sollwertspannung, des Tastverhältnisses, der Regelung der Durchflussmenge des Dielektrikums und der Optimierung der Reglerverstärkung eine besondere Bedeutung zu. Wie seine Vorgänger, versucht auch Heinrich Peuler [Peul1981] ein Regelungssystem für die funkenerosive Senkbearbeitung zu entwickeln, das zu einer verbesserten wirtschaftlichen Nutzung des Verfahrens beiträgt. Hierbei erreicht er durch den Einsatz eines Regelsystems, welches auf der Zündverzögerungszeit basiert, eine Erhöhung der Abtragrate, was zu einer Verkürzung der Bearbeitungszeit führt. Weiterhin werden Prozessentartungen durch eine kontinuierliche Überwachung des Prozesses vermieden. Michael Slomka [Slom1989] setzt den Schwerpunkt seiner Untersuchungen auf die Analyse des Zusammenhangs zwischen Prozesszustand und Pinolenbewegung bzw. Spaltweitenänderung. Hierbei entwickelt er einen adaptiven Regler für die Vorschub-

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Abb. 9.4 Abtragleistung als Funktion des Arbeitstromes If für verschiedene Generatortypen [Schu1966]

bewegung bei der Senkerosion und bei der Planetärerosion. In diesem Zusammenhang untersucht er die Grenzregelung ACC (Adaptive Control Constraint) und die Optimierregelung ACO (Adaptive Control Optimization). Auf der Basis dieser Grundlagenuntersuchungen am WZL strebt Jörg M. Dehmer [Dehm1992] eine adaptive Spaltweitenregelung durch einen digitalen Spaltweitenregler und eine Steuerung der Erosionsimpulse an. Hierbei hält die Prozessregelung einen vorgegebenen relativen Verschleiß exakt ein, wobei je nach Bearbeitungsbedingungen die höchstmögliche Abtragrate realisiert wird. Abtragrate und Verschleißrate können bei diesem System online bestimmt werden. Durch diese Optimierungen erreicht Dehmer einen erheblichen Fortschritt in der Bearbeitungsgeschwindigkeit, der Verschleißreduzierung und der Prozesssicherheit. Eine Alternative zu den herkömmlichen Optimierungsmethoden bietet Ralf Peter Raabe [Raab1998]. Im Rahmen seiner Dissertation entwickelt er ein System, das die Fuzzybzw. Neuro-Fuzzy-Control-Methode zur Regelung des Senkerosionsprozesses anwendet. Neben einer Fuzzy-Spaltweitenregelung und einer Fuzzy-Lichtbogenvermeidung wurde eine Mehrgrößenregelung realisiert, die die Ursachen für Prozessstörungen erkennt

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und so geeignete Parameter an den Prozessverlauf anpasst. Hierbei werden die Fuzzy-Regler mit Hilfe Neuronaler Netze optimiert. Insgesamt weist Raabe eine hohe Leistungsfähigkeit des entwickelten Fuzzy-Regelungssystems für schwierige Bearbeitungsaufgaben nach. 9.2.3 Die Kinematik im Erosionsprozess Die Funkenerosion ist durch ihre Eigenschaft, mit elektrischen Entladungen in beliebiger räumlicher Richtung abzutragen, kinematisch betrachtet sehr flexibel. Dabei werden am WZL besonders die Verfahrensvarianten der Planetär- und der Bahnerosion entwickelt. Bei der Planetärerosion tritt ein geringer Verschleiß der Formelektrode bei gleichzeitiger Verbesserung der Oberfläche bei der Herstellung dreidimensionaler Formen auf. Die kinematischen Verhältnisse der Planetärerosion und ihre Auswirkungen auf das Arbeitsergebnis analysiert Udo Behmer [Behm1988]. Unter Berücksichtigung der Geometrie der Formelektrode leitet er hierauf aufbauend Maßnahmen für eine technologisch orientierte Optimierung der Verfahrensauslegung ab. Hierbei wendet er geometrisch orientierte Regelanpassungsstrategien an und führt Leistungsanpassungen an die Eingriffsbedingungen im Planetärbetrieb durch. Mit der Bahnerosion setzt sich am WZL erstmalig Klaus Waßenhoven [Waße1992] auseinander. Er beschäftigt sich mit der eingehenden Prozessanalyse sowie der anschließenden Verfahrensauslegung und -optimierung beim mehrachsigen Bahnerodieren mit rotierender Stiftelektrode. Die charakteristischen Merkmale dieser Verfahrensvariante des funkenerosiven Senkens sind einerseits die kleine, aktiv am Werkstoffabtrag beteiligte Eingriffsfläche, andererseits die für die konventionelle Senkerosion bisher völlig untypische Rotationsbewegung der zylindrischen Werkzeugelektrode. Zur Optimierung des Arbeitsergebnisses ist eine Vielzahl auf den Abtragprozess einwirkender Einflussgrößen aufeinander abzustimmen, die zur Erzielung eines guten Arbeitsergebnisses bezüglich Abtrag, Verschleiß, Oberfläche und auch Randzone sorgfältig festzulegen sind. Zum Verständnis der im Arbeitsspalt ablaufenden physikalischen Vorgänge werden, ausgehend von den Grundlagen der elektrischen Entladung, Erkenntnisse aus der Lichtbogenphysik hinsichtlich ihrer Übertragbarkeit auf die funkenerosive Bearbeitung mit rotierender Stiftelektrode überprüft. 9.2.4 Arbeitsmedien, Elektroden- und Werkstückwerkstoffe (leitende oder nicht leitende) Das Arbeitsmedium übt bei der funkenerosiven Bearbeitung einen nachhaltigen Einfluss auf den Abtragprozess aus. Für das erosive Senken werden standardmäßig Medien auf Ölbasis eingesetzt. Dies führt jedoch zu Problemen bezüglich der Arbeitssicherheit, hinsichtlich der Entzündungsgefahr und der Entsorgung. In früheren Arbeiten werden bereits die Einflüsse der Zusammensetzung und Verunreinigung der Medien sowie der Spülung durch den Arbeitsbereich auf Abtragleistung, Formgenauigkeit und Ausbildung der Randzonen gezeigt. Alternativ können wässrige Arbeitsmedien eingesetzt werden, die eine gute Umweltverträglichkeit und zudem eine höhere Leistungsfähigkeit besitzen.

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Zunächst erarbeitet Franz-Josef Siebers [Sieb1993] eine Technologie für wässrige Arbeitsmedien, welche er hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit an Bauteilen aus der Praxis mit der herkömmlichen Bearbeitung für Ölmedien vergleicht. Hierbei gelangt Siebers zu dem Ergebnis, dass sich durch den Einsatz wässriger Medien sowohl ökonomische als auch ökologische Verbesserungen erreichen lassen. Dieses Ergebnis verwertet Rainer Wilhelm Lenzen [Lenz1997] in seiner Arbeit zur funkenerosiven Bearbeitung keramischer Werkstoffe, indem auch er kurz auf die Vorteile wässriger Arbeitsmedien eingeht. Im Rahmen der Oberflächenstrukturierung von Keramiken mittels Funkenerosion betrachtet Lenzen insbesondere die Mikrostrukturierung durch funkenerosives Schneiden und Senken. Weiterhin beschreibt er das tribologische Verhalten funkenerodierter SiSiC-Oberflächen. Bisher erzielte technologische Ergebnisse der funkenerosiven Senkbearbeitung werden von Arnd Karden [Kard2000] verwendet mit der Zielsetzung der Optimierung des Bearbeitungsergebnisses. Leistungssteigernde Elektrodenwerkzeug-Werkstoffe und Arbeitsmedien kommen zum Einsatz. Hierbei vergleicht er systematisch neue Graphitsorten mit Elektrolytkupferelektroden (Abb. 9.5).

Abb. 9.5 Einfluss des Elektrodenmaterials auf das Abtrag- und Verschleißverhalten [Kard2000]

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Aufbauend auf diesen grundlegenden Arbeiten zur Funkenerosion untersucht Mathias Klotz [Klot2004] die Auswirkung pulverförmiger Dielektrikumadditive auf die thermophysikalischen und elektrischen Kenngrößen des Werkstücks und das Prozessverhalten. 9.3 Funkenerosives Schneiden mit ablaufender Drahtelektrode 9.3.1 Grundlagen Forschungsarbeiten zum Leistungsverhalten und zur Genauigkeit des funkenerosiven Schneidens werden am WZL seit Anfang der 1970er Jahre durchgeführt. Prozessabhängige Fehler, wie Bauchung, Spurweitenänderung und Konizität der Schnittspur und ihre Vermeidung durch geeignete Parameterwahl, um die Genauigkeit zu verbessern, werden zum ersten Mal von Armin Weiß [Weiß1977] untersucht. Durch Kenntnis ursächlicher Zusammenhänge ist es möglich, solche Parameterkombinationen zu wählen, die eine optimale Ausnutzung der Leistungsfähigkeit des Verfahrens gestatten. Auch stellt Weiß eine lineare Zunahme der Schnittrate mit wachsendem Drahtdurchmesser fest und begründet dieses Verhalten mit der quadratischen Zunahme der thermischen Drahtbelastbarkeit gegenüber der nur linearen Zunahme des abzutragenden Volumens je Wegeinheit. Darauf aufbauend werden die Möglichkeiten zur Steigerung der Schneidleistung von Gerhard Hensgen [Hens1984] in seiner Arbeit diskutiert. Hensgen untersucht detailliert den Abtragmechanismus, den Polarisationseffekt und insbesondere den Einfluss der Drahtelektrode auf die Schnittgeschwindigkeit und die frontale Bauchung. Er stellt fest, dass der Materialabtrag bei den benachbarten kurzen Impulsen und hohen Strömen im Wesentlichen durch Werkstoffverdampfung realisiert wird. Darüber hinaus zeigt er, dass Zink als Beschichtungs- oder Legierungsmaterial der Drahtelektrode zu einer gezielten Spaltkontamination führt, einhergehend mit einem stabilen Prozessverlauf und hohen Schnittraten. Die Bearbeitung von elektrisch leitfähigen Keramiken ist ein Bereich, über den bis dahin noch keine Veröffentlichungen existieren und mit dem sich Ulrich Panten [Pant1990] in seiner Dissertation beschäftigt. Er findet heraus, dass der Materialabtrag nicht nur in einzelnen Fällen durch Aufschmelz-, Ausschleuder- und Wiedererstarrungsvorgänge beim Abschalten der Entladungen entsteht, sondern auch durch Abplatzen aufgrund von Thermoschock oder durch Herauslösen ganzer Körner durch das bevorzugte Abtragen der elektrisch besser leitenden Phase (Abb. 9.6). Am WZL wird die Technologie des funkenerosven Schneidens in den extremen Feinstschlichtbereich, um die Oberflächenrauheit und die thermische Randzonenbeeinflussung zu minimieren und so eine kostenintensive und genauigkeitsmindernde Nachbearbeitung zu eliminieren, erstmals von Rolf Siegel [Sieg1994] erweitert. Dabei kommt er zu dem Ergebnis, dass mit wachsender Impulsfrequenz bzw. sinkender Vorschubgeschwindigkeit sich die Oberfläche verbessert, ebenso wie eine hohe Drahtvorspannkraft und eine niedrige Drahtablaufgeschwindigkeit die Drahtelektrodenschwingungen minimieren und so zu einer verbesserten Werkstückoberfläche führen. Die Drahtschwingung ist auch die Ursache für die schlechteren Oberflächen bei wachsenden Werkstückhöhen.

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Abb. 9.6 Funkenerosiv hergestellte Zahnradpumpe aus Hochleistungskeramik [Pant1990]

Im Bereich der Werkzeugbearbeitung wird derzeit die Profilierung und Schärfung von feinkörnigen metallgebundenen Diamantschleifscheiben mittels Drahterosion von Andreas Klink untersucht. Diese Schleifscheiben werden später in der Präzisionsbearbeitung zum Schleifen in optischer Qualität verwendet. 9.3.2 Randzone Funkenerosiv geschnittene Bauteile weisen beim Einsatz konventioneller EDM-Technologien eine so ausgeprägte verfahrensbedingte thermische Randzonenbeeinflussung auf, dass eine Nachbearbeitung der Oberflächen im Allgemeinen unumgänglich ist. Die weiße Randzone funkenerosiv bearbeiteter Stahlwerkstücke ist im Wesentlichen sehr feinkristallin, obschon bei funkenerosiv geschnittenen Werkstücken lokale

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Bereiche mit amorpher Struktur nachgewiesen werden können [Sieg1994]. Weiterhin zeigt sich, dass die weiße Randzone ein Gefüge besitzt, welches durch Abschreckung einer sich weitab vom thermodynamischen Gleichgewicht befindlichen Schmelze entstanden ist. Mit Hilfe röntgenographischer Eigenspannungsmessungen weist Rolf Siegel nach, dass die bei der Randzonenausbildung vorherrschende Entladeenergie sowohl für die Höhe als auch für die Eindringtiefe der prozessbedingten Eigenspannungen verantwortlich ist. Den gleichen Zusammenhang beobachtet Tobias Nöthe [Nöth2000] in seinen Versuchen mit dünnen Drähten. Wie durch die geringeren Energien beim funkenerosiven Mikrodrahtschneiden zu erwarten, fällt die weiße Schicht allgemein dünner aus: sie liegt im Submikrometerbereich. 9.3.3 Drahtwerkstoffe Der Drahtelektrode als Werkzeug beim funkenerosiven Schneiden kommt eine hohe Bedeutung im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit zu. Seit 1978 wird am WZL der Einfluss unterschiedlicher Drahtwerkstoffe auf das Arbeitsergebnis analysiert. Die vielfältigen, teilweise untereinander verknüpften Kenngrößen des Drahtes und ihr Einfluss auf das Arbeitsergebnis werden von Gerhard Hensgen [Hens1984] untersucht. Dabei steht als wichtigste, das Arbeitsergebnis beschreibende Kenngröße die Schnittrate im Mittelpunkt. Er findet bei seinen Untersuchungen heraus, dass eine Zugfestigkeit von mindestens 300 N/mm2 notwendig ist, um den Draht mit einer Kraft vorspannen zu können, bei der die störenden Verformungen minimiert werden. Weiterhin verbessert sich das Erodierverhalten durch den Einsatz eines Drahtes mit höherer Leitfähigkeit, weshalb Hensgen vorschlägt, einen Drahtwerkstoff mit höherem Kupferanteil zu benutzen. Auch findet er heraus, dass der Abtragvorgang überwiegend durch Verdampfbarkeit und weniger durch Schmelz- und Siedetemperatur beeinflusst wird. Daher eignet sich besonders ein zinkbeschichteter Draht, um die Schneidleistung zu erhöhen. Solche zinkbeschichteten Drähte benutzt auch Nöthe für seine Dünndrahtversuche. 9.3.4 Mikrobearbeitung Das funkenerosive Schneiden mit dünnen Drähten wird bereits seit Anfang der 1980er Jahre mit Schwerpunkt im Werkzeug- und Formenbau eingesetzt. Dort dient es zur Herstellung miniaturisierter Aktivelemente. Ein wesentliches Hemmnis für die weitere Verbreitung des Verfahrens ist die mangelnde Prozesskenntnis. So gründet die Prozessauslegung in der Regel mehr auf individueller Anwendererfahrung als auf fundierten technologischen Kenntnissen und gestaltet sich daher zumeist sehr zeitaufwändig. Erschwerend kommt hinzu, dass bedingt durch die fortschreitende Miniaturisierung immer höhere Anforderungen hinsichtlich Mikrostrukturierbarkeit, Genauigkeit und Oberflächenqualität gestellt werden. Ferner verlangt der Einsatz drahterodierter Werkzeuge für die Produktion von Massenartikeln höchste Standzeiten und damit auch eine Minimierung der thermischen Randzonenschädigung. Im Vergleich zur konventionellen Drahterosion liegen bei einer Mikrobearbeitung mit dünnen Drähten wesentlich veränderte Prozessrandbedingungen vor. Diese bestehen in der Notwendigkeit sehr geringer Entladeenergien, der reduzierten thermischen

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und mechanischen Belastbarkeit dünner Drähte sowie dem mit sinkenden Strukturabmessungen wachsenden Anteil der Randzone. Am WZL wird dieser Bereich seit 1995 untersucht. Angepasste Bearbeitungstechnologien durch Prozessanalyse hinsichtlich Abtragmechanismus bei sehr geringen Entladeenergien sowie dem Verhalten im Haupt- und Nachschnitt werden von Tobias Nöthe [Noet2000] entwickelt. Insgesamt zeigen die Untersuchungen, dass die veränderten Prozessrandbedingungen bei der Mikro-Drahterosion spezifische Mechanismen bedingen und damit eine spezifische Wahl der Einstellparameter erfordern. Die genaue Abstimmung der Parameter im Bereich kleiner Entladeenergien ist hierbei der Schlüssel zur Prozessoptimierung. Georgios Antonoglou führt am WZL Untersuchungen im Bereich der Mikrobearbeitung mit dem Drahtschneiden von polikristalinen Diamanten (PKD) und Graphit durch. Ziel ist dabei die Technologieentwicklung für die Mikrobearbeitung von Werkzeugen und Senkelektroden. In diesem Zusammenhang wird der Einfluss der Generatoreinstellparameter und der Dielektrika auf das Arbeitsergebnis analysiert. Ein weiterer Schwerpunkt der Forschungen ist der Einsatz sehr dünner Drahtelektroden (Abb. 9.7).

Abb. 9.7 Durch Drahterosion geschnittenes Planetengetriebe

9.4 Elektrochemisches Abtragen (ECM) 9.4.1 Grundlagen des ECM-Senkens Mitte der 1950er Jahre wird erstmalig über das Senken mittels elektrochemischer Abtragvorgänge berichtet, und das WZL nimmt die Untersuchung dieser Technik als Ergänzung zur funkenerosiven Bearbeitung in sein Forschungsprogramm auf. Der Abbildungsvorgang zwischen der Werkzeugelektrode und dem Werkstück, d. h. der Verlauf des Bearbeitungsspaltes wurde zum ersten Mal im WZL von Helmut Kubeth [Kube1965] erfasst. Ausgehend von einer Betrachtung der elektrolytischen Zelle und der

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anodischen Auflösung von Metallen stellt er eine mathematische Beziehung auf, die den Abtragvorgang beim Einsenken des Werkzeugs in erster Näherung beschreibt. Die Richtigkeit der theoretischen Überlegungen wird durch praktische Versuche bestätigt. Die gewonnenen Erkenntnisse über die Ausbildung des Bearbeitungsspaltes dienen dazu, Wege zu einer systematischen Korrektur der Werkzeugelektrode herzuleiten. Um die Abbildungsgenauigkeit des Formwerkzeugs im Werkstück günstig zu gestalten, ist durch geeignete Wahl der Bearbeitungsparameter der Spalt klein zu halten. Die Auswahl geschieht bislang empirisch. Hermann Wilhelm Heitmann [Heit1966] erstellt zum ersten Mal Unterlagen, die nunmehr die Einengung der Variationsbreite der Bearbeitungsbedingungen für die einzelnen Fälle möglich machen. Aufbauend auf bekannten Gleichungen wird die Korrekturrechnung durch Einbeziehung der Leitfähigkeitsänderung des Elektrolyten verfeinert und in Versuchen praktisch überprüft. Heitmann erstellt zwei graphische Korrekturmethoden, die zur Vereinfachung der Werkzeugkorrektur beitragen. Dietrich Pahl [Pahl1969] erstellt seine Dissertation ebenfalls in diesem Aufgabenfeld. Er führt die Analyse der Abbildungsgenauigkeit beim elektrochemischen Senken weiter, um die kostspielige Entwicklung von Werkzeugen mit hoher Maß- und Formgenauigkeit zu reduzieren und so die Leistungsfähigkeit und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zu steigern. Pahl unterscheidet in seinen Betrachtungen zwischen passivierenden und nicht passivierenden Elektrolyten. Bei passivierenden Elektrolyten wird die Abtraggeschwindigkeit von der Stromausbeute beeinflusst. Er weist für passivierende Systeme die Abhängigkeit der Stromausbeute von den Parametern Salzkonzentration, Lösungstemperatur, Stromdichte, Elektrolytart und Werkstückmaterial nach. Da eine quantitative Erfassung der Stromausbeute wegen der Komplexität der elektrochemischen Anodenreaktionen, z. B. die Oxidschichtbildung, nicht möglich ist, stellt Pahl eine Methode zur einfachen Ermittlung der jeweiligen Stromausbeute vor. Dadurch ist der Anwender in der Lage, die theoretisch maximal mögliche Einsenkgeschwindigkeit im Voraus zu bestimmen. Aufbauend auf bereits angewendeten elektrochemischen Abtragverfahren und deren Gesetzmäßigkeiten untersucht Günter Pletzer [Pletz1970] die Möglichkeit der elektrochemischen Zahnflankenbearbeitung gehärteter Getrieberäder von Kraftfahrzeugen mit dem Ziel einer Qualitätsverbesserung. Untersuchungen zur Senkbarkeit verschiedenster Werkstoffe werden ebenfalls am WZL durchgeführt. So erarbeitet Helmut Degenhardt [Dege1972] eine Standardversuchsanordnung zur elektrochemischen Senkbarkeit. Hiermit lassen sich nun wichtige Kenngrößen für jeden Werkstoff ableiten. Weiterhin erforscht er die Grundlagen der Wechselstrommethode zur Bearbeitung von Wolframkarbid-Kobalt-Legierungen. Der charakteristische Unterschied zum elektrochemischen Senken mittels Gleichstrom besteht in der kathodischen Aktivierung der Hartmetalloberfläche während der Umpolung, durch die der Belag an Oxidschichten, der zur dauernden Passivierung der Oberfläche führen kann, abgebaut wird. Die experimentellen und analytischen Prozesszusammenhänge der ECM-Bearbeitung werden von Heinz-Josef Hümbs [Hümb1975] untersucht. Mit Hilfe einer standardisierten Vorrichtung werden systematisch die Einflussgrößen auf den Bearbeitungsprozess

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ermittelt und analysiert. Die Kenngrößen der elektrochemischen Senkbarkeit lassen sich bei eindeutig definierten Bearbeitungsbedingungen anhand einiger Kennlinien und Kenndaten für einen bestimmten Werkstoff exakt charakterisieren. Mit diesen Informationen baut Hümbs eine Datenbank auf, die Aussagen zur Senkbarkeit der technisch bedeutenden Werkstoffe enthält. Ausgehend von den vorhandenen Modellen zur Spaltberechnung entwickelt er ein erweitertes Berechnungsmodell, mit dem das Anwendungsspektrum in der Werkstoff- und Elektrolytwahl, in den Elektrolysebedingungen und in der berechenbaren Werkstückkontur ergänzt wird. Die werkstoff- und elektrolytspezifischen Einflüsse auf die elektrochemische Senkbarkeit ausgewählter Stähle und Nickellegierungen analysiert Heinz-Peter Lindenlauf [Lind1977]. Das Abtragverhalten des zu bearbeitenden Werkstückwerkstoffes ist einer der komplexesten Einflüsse auf die Ausbildung des Arbeitsergebnisses. Ursache dafür sind die vielfältigen und komplizierten Mechanismen der anodischen Elektrolyse. Joachim Neubauer [Neub1984] geht der Frage nach, inwieweit deckschichtbestimmende Reaktionsmechanismen Auswirkungen auf die elektrochemische Senkbarkeit haben. Er legt dabei den bestehenden Wechselwirkungsmechanismen zwischen werkstoff- und elektrolytspezifischen Einflussgrößen eine „atomistische“ Betrachtungsweise zugrunde. Aktuell wird am WZL das kontinuierliche elektrochemische Abrichten feinkörniger metallgebundener Schleifwerkzeuge von Andreas Klink untersucht. Zusammen mit der Profilierung der Schleifscheiben durch EDM kann so der Präzisionsbearbeitung ein geeignetes Werkzeug zum Schleifen in optischer Qualität zur Verfügung gestellt werden. 9.4.2 Schadstoffbildung und Elektrolytaufbereitung Die richtige Handhabung, Reinigung und Entsorgung der Elektrolyten und der ausfallenden Hydroxidschlämme stellt eine große Herausforderung dar, um den EC-Prozess lange betreiben zu können und die Umweltbelastung möglichst gering zu halten. Dafür wurden am WZL die Schadstoffbildung und ihre Einflussnahme auf den elektrochemischen Abtragprozess von Jost Friedrich [Frie1988] untersucht. Auf der Basis systematischer Versuche an einer ECM-Anlage sowie an Labor-Elektrolysezellen beschreibt er chemische und elektrochemische Vorgänge, die zur Bildung bzw. Vernichtung der Schadstoffe Chromat, Nitrit und Ammoniak beitragen. Hierdurch werden sowohl der Entsorgungsaufwand verringert als auch die Arbeitsplatzbedingungen an ECM-Anlagen verbessert. Dies trägt zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bei. Die Verfahrensentwicklung zur umweltgerechten Chrom(VI)-Reduktion (Abb. 9.8) führt Lutz Liebau [Lieb1992] durch. Er entwickelt ein Entgiftungsverfahren, welches in der Lage ist, die Abtragprodukte und Elektrolytlösungen aus den Betrieben der elektrochemischen Metallbearbeitung von den toxischen Chrom(VI)-Verbindungen durch elektrochemische Prozesse zu befreien sowie eine Nitritentgiftung durchzuführen, ohne Sulfationen oder andere elektrolytfremde Substanzen einzuschleppen. Liebau entwickelt schließlich einen geeigneten Verfahrensablauf und baut eine Pilotanlage auf.

9. EDM / ECM (ab 1950)

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Abb. 9.8 Pilotanlage zur umweltgerechten Chrom(VI)-Reduktion [Lieb1992]

9.4.3 Generatoren Auch die Forschung auf dem Gebiet der Generatoren zur elektrochemischen Metallbearbeitung wird am WZL vorangetrieben. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen implementiert Rainer Stockmann [Stoc1970] eine Überwachung der Arbeitsspannung. Durch den Einsatz eines Thyristorkurzschließers, der den hohen Kurzschlussstrom parallel zu den Elektroden ableitet, können Beschädigungen an Werkzeug und Werkstück auf ein Minimum reduziert werden. Außerdem untersucht er den Einsatz bipolarer Spannungsgeneratoren, um die Bearbeitung von gesinterten Metallen mit hohem Wolframcarbidanteil, die Passivierungsschichten ausbilden, zu verbessern. Alfred Schmitz [Schm1974] entwickelt eine Generatorprozesssteuerung zur Senkung der Formaufweitung beim elektrochemischen Honen, mit deren Hilfe die Abtragsgeschwindigkeit gezielt zu beeinflussen ist. Das spannungsgesteuerte EC-Honen mit Mittelspannungsnachführung liefert die besten Arbeitsergebnisse. 9.4.4 Kombinierte Prozesse Die EC-Bearbeitung kann sehr einfach und effektiv mit anderen Prozessen gekoppelt werden. Das elektrochemische Schleifen von Hartmetall und Schnellarbeitsstahl untersucht Ulrich Becker-Barbrock [Beck1966]. Dieses kombinierte elektrochemisch-mechanische Abtragverfahren zeichnet sich bei der Bearbeitung harter und zäher Werkstoffe durch hohe Abtragleistungen und geringen Schleifmittelverbrauch aus. Da der Werkstoffabtrag zum größten Teil auf elektrochemischem Weg erfolgt, unterliegt der

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Werkstückwerkstoff beim Abtragvorgang nur geringen mechanischen und thermischen Belastungen. Ein weiteres am WZL untersuchtes gekoppeltes ECM-Bearbeitungsverfahren ist das elektrochemische Honen. Zunächst werden nur Bohrungen bearbeitet, die wesentlich kürzer als das verwendete Werkzeug sind. Egbert Scholz [Scho1968] erweitert mit seiner Arbeit die Anwendung des ECM-Honens auf Bohrungen beliebiger Länge, ohne dass durch die elektrochemische Abtragkomponente bedingte Zylindrizitätsfehler entstehen. Außerdem weist er nach, dass die elektrochemische Abtragskomponente unter bestimmten Voraussetzungen wesentlich zu einer Verringerung vorhandener Formfehler beitragen kann. Es ist nun zwar eine kürzere Bearbeitungszeit bei verringertem Formfehler notwendig, das Maß der erforderlichen Aufweitung ist jedoch wesentlich größer als beim mechanischen Honen. Durch Prozesssteuerungsentwicklung verringert Alfred Schmitz [Schm1974] diesen Nachteil durch die Implementierung einer formfehlerabhängigen Spannungsteuerung und einer Mittelspannungsnachführung. Nicht parallel mit anderen Technologien in einer Bearbeitung realisiert, sondern als nachgeschaltetes Endbearbeitungsverfahren kann ECM ebenfalls eingesetzt werden. Die ECM-Endbearbeitung funkenerodierter Bauteile erforscht Michael Sparrer [Spar1996]. Er qualifiziert die elektrochemische Bearbeitung als automatisierbare Finishbearbeitung für hochbelastete Werkzeuge und Formen, bei denen die durch die Funkenerosion thermisch beschädigte Randzone entfernt werden muss.

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Gliederung 10.1 Ursprünge wissenschaftlicher Untersuchungen zum Schleifen 10.2 Grundlagenforschung zum Schleifen 10.3 Schleifverfahren 10.3.1 Hochgeschwindigkeitsschleifen und Außenrundschleifen zwischen Spitzen 10.3.2 Spitzenloses Außenrundschleifen 10.3.3 Flachschleifen schwer zerspanbarer Werkstoffe 10.3.4 Bandschleifen 10.3.5 Feinbearbeitung durch Feinschleifen und Honen 10.4 Abricht- und Schleifscheibenprüfverfahren 10.4.1 Abrichtuntersuchungen 10.4.2 Schleifscheibenprüfverfahren 10.5 Forschungen zum Kühlschmierstoffeinsatz beim Schleifen 10.6 Spanende Bearbeitung nicht metallischer, anorganischer Werkstoffe 10.7 Prozessüberwachung in der Feinbearbeitung 10.8 Planung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen 10.9 Derzeitige Forschungsaktivitäten

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10.1 Ursprünge wissenschaftlicher Untersuchungen zum Schleifen Im Mittelpunkt der ersten wissenschaftlichen Forschungen am WZL zum Schleifen stehen die Schleifwerkzeuge. Es geht bei diesen Untersuchungen nicht nur um die Schleiffähigkeit und die erreichbaren Oberflächengüten, sondern auch um Sicherheitsfragen. Aus diesem Umfeld leitet Helmut Goedecke Anfang der 1930er Jahre seine wissenschaftlichen Arbeiten ab. Er untersucht den Aufbau von Schleifwerkzeugen und stellt Korrelation zum Prozessverhalten her [Goed1936]. Goedecke arbeitet heraus, dass die Schleiffähigkeit ganz wesentlich von der Schneidenraumtopographie eines Schleifwerkzeugs abhängig ist. Dazu führt er lichtmikroskopische Analysen der Schleifscheibenoberflächen durch und entwickelt ein eigenes Messverfahren. Damit gehört die Arbeit von Goedecke zu den ersten umfassenden wissenschaftlichen Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Schleiftechnologie. Sein neu entwickeltes Messverfahren nutzt er zur Quantifizierung der räumlich verteilten Schneidenzahlen und er bildet die Belagtopographie auf einem Papierstempelstreifen ab, der lichtmikroskopisch ausgewertet wird. Erste Versuchsergebnisse zum Schleifen ergeben, dass durch konstante Schleif- und Abrichtbedingungen gleiche Schleifscheiben bzw. Gefügezustände erreicht werden können. Goedecke betrachtet außerdem den Einfluss des Kühlschmierstoffes hinsichtlich seiner Kühlschmierwirkung und auch der Benetzung der Schleifscheibe sowie die Auswirkung unterschiedlicher Schneidenzahlen auf den Arbeitsprozess. Werner Vits führt Ende der 1930er Jahre diese Arbeiten fort. Dabei kommt es ihm im Wesentlichen darauf an, den Einfluss der Kühlschmierung auf den Schleifscheibenverschleiß zu analysieren [Vits1939]. Er führt seine Versuche beim Werkzeugschleifen durch. Dabei zeigt er, dass sich Schleiföle gegenüber den Emulsionen sowohl mit Bezug auf die Leistungsfähigkeit (Standzeit) des Schleifkorns als auch im Hinblick auf die erzeugbaren Oberflächenqualitäten als vorteilhaft erweisen. Er stellt auch fest, dass bei großen Kontaktflächen der positive Einfluss des Schleiföls nicht mehr gegeben ist. Für zukünftige Neukonstruktionen von Werkzeugmaschinen empfiehlt er, Nassschleifeinrichtungen zu verwenden. Denn er hat experimentell nachgewiesen, dass beim Trockenschleifen die Gefahr unzulässiger thermischer Beeinflussungen der Werkzeugschneide, des „Ausglühens“ von Werkzeugschneiden, gegeben ist. Vits zeigt auch, dass eine Reinigung und Säuberung der verwendeten Öle einen positiven Einfluss auf das Arbeitsergebnis hat. Nachteilig wirken sich bei Schleifölen die geringere Wärmeleitfähigkeit und die Neigung zur Nebelbildung aus. Diese Nachteile sind aber durch zweckentsprechende Maschinenausstattungen zu kompensieren. In den Jahren 1940 bis 1950 ist die Forschungstätigkeit stark eingeschränkt. Dennoch entstehen in dieser Zeit zu ausgewählten Fragestellungen des Schleifens wichtige Arbeiten, die im Einzelnen aber nicht mehr verfügbar sind. Zu nennen sind hier die Forschungen von Josef Rumbach zur Prüfung von Schleifscheiben [Rumb1942], die Arbeiten zum Feinziehschleifen von Josef Ley [Ley1943] und Joachim Bruns [Brun1951] sowie von Hans Starck zur allgemeinen Erforschung des Schleifvorganges [Star1944]. Die folgenden grundlegenden Arbeiten zum Schleifen widmen sich sowohl ausgewählten Schleifprozessen als auch Gesetzmäßigkeiten zur Beschreibung von Werkzeugen und Schleifprozessen. Ahmet Taskin untersucht das Rundschleifen von Stählen und

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führt eine erste theoretische Deutung der Spanungsquerschnitte durch [Task1944]. Er zeigt Zusammenhänge zwischen Spanlängen, -dicken und -breiten auf und schließt durch Spanuntersuchungen auf die wesentlichen Spanbildungsmechanismen beim Schleifen. Taskin gelingt es erstmals, Zusammenhänge zwischen der Oberflächengüte, der Spanbildung, der Werkstückumfanggeschwindigkeit und der Tischvorschubgeschwindigkeit herzustellen. Er definiert den Überdeckungsgrad, der die Oberflächenentwicklung signifikant bestimmt. Niedrige Tisch- und hohe Werkstückumfangsgeschwindigkeiten erhöhen den Überdeckungsgrad und verbessern bis zu einem bestimmten Grad die Oberflächengüte. Weiterhin thematisiert Taskin die Wärmeentwicklung beim Schleifen. Er bestimmt Temperaturbereiche und erklärt insbesondere deren Wirkung auf die Entstehung sogenannter Kugelspäne. Zu diesem Zweck entwickelt er eine neue Messmethodik zur Erstellung stereoskopischer Bilder mikroskopisch kleiner Proben. Abschließend widmet er sich dem Standzeitverhalten von SiC- und Korundschleifscheiben unter Einsatz unterschiedlicher Schmierstoffe. Und auch er bestätigt, dass die Verwendung von Schleiföl hinsichtlich optimierter Verschleißbedingungen am sinnvollsten ist. Ernst Saljé führt die theoretische Durchdringung des Schleifprozesses weiter fort. Er analysiert in seiner Arbeit Gesetzmäßigkeiten und ermittelt Kennzahlen zum Außenrundschleifen von Stahlwerkstoffen [Salj1952]. Beginnend mit Untersuchungen über die Zusammenhänge zwischen den erzielbaren Rautiefen und Prozesskräften zeigt er Abhängigkeiten zwischen Schleifscheibenzustand, Kühlmittel, Werkstückmaterial und Eingriffsbedingungen. Auf dieser Basis entwickelt er eine Rautiefenformel, mit deren Hilfe eine Abschätzung der erzielbaren Oberflächenqualität in Abhängigkeit von den Zerspanbedingungen möglich ist. Hierzu analysiert Saljé zunächst die Schleifscheibeneigenschaften sowie die Auswirkung der einzelnen Parameter. Als erstes stellt er eine Beziehung zwischen Vorschubgeschwindigkeit, Zustellung, Rautiefe und Umfangskraft auf. Mit diesem technologischen Modell kann er Relationen zwischen den wichtigsten kinematischen Einflussgrößen, der Überschliffzahl sowie der Werkstückumfangsgeschwindigkeit und der Rautiefe herausarbeiten. Saljé gelingt es 1952 erstmalig, mit Hilfe einer Dimensionsanalyse theoretische Gesetzmäßigkeiten zwischen Rautiefe und Gesamtkräften aufzuzeigen. Er validiert die gewonnenen Ergebnisse durch Schleifversuche. Mit den gefundenen mathematischen Beziehungen zeigt er, dass bei den Prozessen Außenrundschleifen und Flachschleifen im Wesentlichen die gleichen Gesetze angewendet werden können. Er stellt Analogien zu konventionellen Dreh- und Fräsprozessen her. Die durch Saljé gewonnenen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass ähnliche Gesetzmäßigkeiten zum Verschleißverhalten von Schleifwerkzeugen gefunden werden können. Gotthold Koscholke widmet sich erstmalig den besonderen Bedingungen beim Innenschleifen [Kosch1956]. Er zeigt, dass beim Innenschleifen andere Durchmesserverhältnisse und deutlich größere Kontaktlängen bestehen. Die mittleren Spanungsdicken sind dagegen kleiner als beim Außen-, Rund- und Flachschleifen. Es werden ausführlich die erforderlichen Messeinrichtungen beschrieben, und als Versuchsergebnisse die Prozesskraft und Oberflächenanalysen inhaltlich dokumentiert. Janez Peklenik ermittelt erstmalig geometrische und physikalische Kenngrößen für

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eine grundlegende Beschreibung des Schleifvorganges [Pekl1957]. Er erforscht die Mechanismen des Schleifens und des Werkzeugverschleißes sowie der Kraftentstehung und der Temperaturen im Schleifprozess. Peklenik widmet sich auch eingehend dem Aufbau der Schleifwerkzeuge. Mit modellhaften Aussagen über Korndichte und Kornabstand bei unterschiedlichen Eingriffs- und Schleifbedingungen beschreibt er den Schleifprozess. Auf dieser Grundlage entwickelt er ein allgemeingültiges Modell zur Beschreibung der Spanungsdicke unter Berücksichtigung der Korngeometrie. Darauf aufbauend stellt er Kraft- und Temperaturmodelle vor. Ein wichtiger Beschreibungskennwert für Schleifscheiben ist die Schleifscheibenhärte. Per Definition ist damit nicht die Härte der einzelner Bindungen und verwendeten Körnungen gemeint, sondern der Widerstand, den ein eingebundenes Korn dem Herausbrechen aus dem Bindungsverband entgegensetzt. Auf dieser Basis werden unterschiedliche Härteprüfverfahren abgeleitet. Peklenik entwickelt eines der ersten Prüfverfahren, welches aufgrund technischer Restriktionen zur damaligen Zeit nicht auf breiter Basis in die Praxis transferiert werden kann. Es handelt sich dabei um ein Ritzprüfverfahren, bei dem ein Ritzmeißel über die Schleifscheibe gezogen wird. Während des Durchlaufs werden Körner aus der Schleifscheibe herausgerissen. Die auftretenden Kräfte, die ein Maß für die Härte der Schleifscheibe sind, werden dabei über eine Messvorrichtung aufgenommen. Weiterhin führt Peklenik grundlegende Untersuchungen zum Schleifscheibenverschleiß, der wesentlich durch thermische und mechanische Belastungen verursacht wird, durch. Er ermittelt in seinen Forschungen verschiedene grundsätzliche Verschleißformen an der Schleifscheibe. Dieses sind Druckerweichungen an Kornspitzen, das Absplittern von Kristallgruppen sowie der teilweise Kornbruch oder vollkommene Kornausbruch. Diese Verschleißmechanismen und Verschleißmodelle haben noch heute Gültigkeit. Neben Fragen zur Werkzeugcharakterisierung und zum Schleifscheibenverschleiß werden bei Schleifuntersuchungen das Auftreten und die Auswirkung von Schwingungen grundlegend untersucht. Es gibt viele praktische Ansätze, selbsterregte Ratterschwingungen zu unterdrücken. Karl-Eugen Schwartz führt Schwingungsmessungen bei Außenrundschleifprozessen durch. Er analysiert das Auftreten von Ratterschwingungen und Zusammenhänge zu den Bewegungsabläufen [Schw1959]. Eine der wichtigsten prozessbeschreibenden Kenngrößen beim Schleifen sind die auftretenden Schnittkräfte. Klaus Brückner führt umfangreiche Schnittkraftmessungen durch, und er zeigt in dem untersuchten Bereich einen praktisch linearen Zusammenhang zwischen den Schnittkräften und der Zerspanleistung [Brüc1962]. Außerdem kommt Brückner zu der Feststellung, dass die damals angewendeten Zeitspanvolumina, Vorschubgeschwindigkeiten und Zustellungen keinen nennenswerten Einfluss auf die Schnittkräfte ausüben. Es zeigt sich jedoch schon, dass eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit die Schnittkräfte senkt. Brückner führt seine Untersuchungen beim Flach-, Außenrund- und Einstechschleifen bei Vergütungsstählen durch. Technologisch zeigt er, dass die Schleifkorngröße einen wesentlichen Einfluss auf die Mikrogeometrie des geschliffenen Werkstücks hat. Spanbildung und Riefenausbildung und damit der gesamte Zerspanvorgang werden durch die verwendete Korngröße wesentlich beeinflusst. Außerdem geht Brückner davon aus, dass die Eingriffsverhältnisse signifikant

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durch den Schneidenabstand beeinflusst werden. Otto Daude führt diese Untersuchungen systematisch fort und widmet sich der Untersuchung des Schleifprozesses und den Zusammenhängen zwischen Schleifscheibe, Bearbeitungsbedingungen und dem Arbeitsergebnis [Daud1966]. Klaus Brückner hat bereits darauf hingewiesen, dass beim Schleifen mit einer Steigerung der Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit sinkende Schleifkräfte verbunden sind. Dies greift Wilhelm Ernst in seinen Arbeiten auf. Er zeigt, dass mit einer Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheibe die Spanvolumina gesenkt und damit die Zerspanraten bei konstanten Kräften erheblich gesteigert werden können [Erns1965]. Im Einzelnen untersucht er, welche Voraussetzungen für die Anwendung hoher Schnittgeschwindigkeiten gegeben sein müssen und welchen Einfluss eine Steigerung der Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheibe allgemein auf das Schleifergebnis ausübt. Dies führt Ernst über in Fragestellungen, durch welche Maßnahmen sich das pro Zeiteinheit zerspanbare Werkstoffvolumen steigern lässt und wie sich diese Faktoren auf die Wirtschaftlichkeit auswirken. Die Untersuchungen von Ernst ergeben, dass bei einer Verdopplung der Umfangsgeschwindigkeit die Zerspanraten um das 4fache gesteigert werden können. Diese Steigerung der Schnittgeschwindigkeit stellt allerdings auch erhöhte Anforderungen an die Schleifmaschine hinsichtlich Stabilität, Antriebsleistung sowie Lagerung der Schleifspindel. Außerdem sind höhere Anforderungen an die Werkstückkühlung zu realisieren. Ernst zeigt weiter, dass der Radialverschleiß der Schleifscheibe mit steigender Umfangsgeschwindigkeit aufgrund geringerer Kräfte verringert werden kann. Zusammenfassend führt Ernst eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durch. Er zeigt hier, dass erhebliches Kostenpotenzial vorhanden ist, das technologisch durch höhere Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeiten realisiert werden kann. 10.2 Grundlagenforschung zum Schleifen Der Rückblick auf die technologischen Entwicklungen der Schleifverfahren bis zu den 1960er Jahren lässt erkennen, dass vorwiegend Experimente und praktische Anwendung das Schleifwissen repräsentieren. Allgemeingültige Beschreibungen zur Spanabnahme und der Vorgänge in der Spanbildungszone werden nur vereinzelt durchgeführt oder in Aussicht gestellt. Eine in sich geschlossene Deutung des Schleifprozesses unter Berücksichtigung elementarer Vorgänge der Eingriffskinematik und auch der Spanbildung ist bisher noch nicht gelungen. Günter Kassen ist der Forscher, der es sich zur Aufgabe macht, eine einheitliche Modellvorstellung des Schleifvorganges zu entwickeln [Kass1969]. Er setzt sich zum Ziel, die an der Zerspanung beteiligten Schneiden quantitativ zu berücksichtigen und auch die kinematischen und geometrischen Eingriffsverhältnisse in das Modell einzubeziehen. Kassen geht davon aus, dass ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen den aktiv an der Zerspanung beteiligten Schneiden und den Abmessungen der entstehenden Späne existiert. Von dieser Hypothese ausgehend stellt er einen funktionalen Zusammenhang zwischen der Spanungsdicke, der Spanungslänge, dem Spanungsquerschnitt und den Schleifbedingungen her. Unter diesen Randbedingungen ermittelt Kassen als wichtigste Kenngröße die Anzahl der momentan im Eingriff befind-

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lichen Schneiden. Bei der theoretischen Herleitung dieser Größe löst er den Spanbildungsvorgang durch eine Vielzahl räumlich und zeitlich nebeneinander ablaufender Einzelvorgänge auf. Hierfür ermittelt er spezielle Gesetzmäßigkeiten, wobei die Durchdringungsrechnung eine wichtige Hilfe darstellt. Dabei zeigt er, dass aufgrund der Relativbewegung zwischen Schleifscheibe und Werkstück die Schleifscheibenperipherie/Schleifscheibentopographie und damit der zur Verfügung stehende Schneidenraum eine scheinbare Veränderung erfährt. Diese ist dadurch bedingt, dass nicht alle in der Spanungstiefe vorhandenen Schneiden an der Spanbildung teilnehmen. Es gelingt, die Anzahl der im Eingriff befindlichen Schneiden in eine funktionale Beziehung zu den Einstellgrößen des Schleifvorganges, wie Schnitttiefe, Vorschub und Schnittgeschwindigkeit, zu setzen. Kassen ist damit der erste Forscher, der eine theoretisch hergeleitete elementare Kinematik des Schleifens einführt, die auf praktisch alle Schleifverfahren anwendbar ist. Dies ist die Ausgangsbasis für weiterführende Forschungen zur realen Ermittlung von Schnittkräften, Temperaturen und Werkzeugverschleiß. Ausgehend vom kinematischen Durchdringungsmodell von Kassen erweitert Günther Werner in den 1970er Jahren die Schleifmodelle, indem er kinematische und mechanische Wechselbeziehungen des Schneideneingriffs miteinander verknüpft [Wern1971]. Voraussetzung für die analytische Beschreibung der Eingriffskinematik des Schleifprozesses ist eine funktionale Beschreibung der Schneidendichte im Schneidenraum, der sogenannten Schneidenverteilung. Er entwickelt eine Methode, die es ermöglicht, die räumliche Schneidendichte aus zweidimensionalen Tastschnitten zu ermitteln. Mit diesen Informationen kann er den Schneidenraum beschreiben. Unter Berücksichtigung der Bewegungsgrößen des Schleifprozesses leitet er kinematische Kenngrößen des Schleifprozesses ab. Er führt die Begriffe der dynamischen Schneidenzahl, der maximalen Spanungsdicke und der Schneideneingriffslänge sowie der Spanungskörperform ein. Mit dieser grundlegenden Darstellung der Kinematik des Schleifprozesses kann das Schleifergebnis auf die Arbeitsparameter zurückgeführt werden. Das von Werner aufgestellte Modell gibt Erklärungsansätze für das mechanische Wirkprinzip der Spanbildung. Hierzu modifiziert er ein Spanungsmodell in mehreren Schritten, in dem er vom positiven Spanwinkel ausgehend, die Spanungsverhältnisse bei extrem negativem Spanwinkel und hoher Schnittgeschwindigkeit beschreibt. Er zeigt, dass für die Scherspanbildung eine sehr hohe Spanbildungstemperatur notwendig ist, welche ab einem bestimmten Mindestwert der Schnittgeschwindigkeit von selbiger unabhängig und konstant ist. Mit der konstanten Spanbildungstemperatur kann abschließend auch auf die Werkstückrandzone und die hier entstehenden Temperaturen in Abhängigkeit von den Schleifparametern funktionell geschlossen werden. Die Ergebnisse von Werner führen zu einem umfassenden Verständnis des Schleifprozesses und sie sind noch heute eine allgemein gültige Grundlage der Schleifforschung. Beim Schleifen mit erhöhten Schnittgeschwindigkeiten und gesteigerten Zerspanleistungen wird die Wärmebeeinflussung der Werkstückrandzone eine wichtige Grenzbedingung. Manfred Dederichs widmet sich deshalb der Aufgabe, auf Basis der kinematischen und mechanischen Gesetzmäßigkeiten beim Schleifen die in der Kontaktzone entstehende Wärme, ihre Verteilung und Ausbreitung in das Werkstück zu modellie-

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ren [Dede1972]. Ausgehend von den allgemeinen Gesetzmäßigkeiten der Wärmeleitung in festen Körpern wird ein Modell erstellt, mit dessen Hilfe eine mathematischphysikalische Modellierung zur Beschreibung der beim Flachschleifen auftretenden Temperaturfelder möglich wird. Während prozessbeschreibende Kenngrößen wie Schnittkräfte und generierte Oberflächenrauheiten durch steigende Schnittgeschwindigkeiten positiv beeinflusst werden, nimmt die thermische Beeinflussung der geschliffenen Bauteile über eine steigende Schleifleistung zu. Dieser Effekt kann insbesondere beim Flachschleifen im Vergleich zum Außenrundschleifen aufgrund höherer Kontaktlängen zu Problemen führen. Beim Innenschleifen sind diese Effekte noch ausgeprägter. Friedrich Sperling erforscht, dass die thermische Belastung in den Randzonen durch den Einsatz von bakelitisch gebundenen Schleifscheiben reduziert werden kann. Außerdem werden die Werkzeugstandzeiten und die Profilhaltigkeit bei reduzierten Oberflächenrauheiten durch höhere Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeiten deutlich verbessert [Sper1970]. Um die Zusammenhänge zwischen Schleifscheibeneigenschaften und Schleifergebnis analysieren zu können, ist eine geschlossene Beschreibung der Spanentstehungsmechanismen notwendig. Hier gehen auch die Werkstückeigenschaften in die Betrachtung ein. Wolfgang Lortz wendet als einer der ersten Forscher die Gesetzmäßigkeit der Plastizitätstheorie zur Kennzeichnung der Zerspanungsmechanismen beim Schleifen an [Lort1975]. Eine direkte Übertragung dieser Theorien von bekannten spanenden Fertigungsprozessen ist nicht möglich, weil beim Schleifen weitere Einflussfaktoren, wie der stochastische Schneideneingriff, der stark negative Spanwinkel und die besondere Schneidenform sowie spezifische Reibungs- und Kontaktverhältnisse, das Fließverhalten des Werkstoffes stark beeinflussen. Lortz zeigt Gleitlinienfelder, in denen die spezifischen Reibverhältnisse in der Kontaktzone zwischen Werkzeug und Werkstück berücksichtigt sind. Die Gültigkeit des Gleitlinienfeldes wird anhand metallographischer Untersuchungen bestätigt. Die Grundlagenforschung hat bis hierher bemerkenswerte Fortschritte auf dem Gebiet des Schleifens gebracht. Schwerpunktmäßig werden Fragen der Eingriffskinematik, der elastoplastischen Vorgänge und der sich einstellenden Schnittkräfte sowie thermische Gesetzmäßigkeiten beschrieben. Eine befriedigende Verbindung und Verknüpfung dieser Einzelmodelle ist bis zu den 1970er Jahren aber noch nicht gelungen. Klaus Steffens setzt sich das Ziel, ausgehend von den Eingangs- und Stellgrößen des Systems Schleifmaschine – Schleifscheibe – Werkstück – Kühlschmierbedingungen, eine geschlossene Modellierung durchzuführen, die den Prozessverlauf und das Arbeitsergebnis ohne Schleifversuch möglichst genau vorhersagt [Steff1982]. Unter Anwendung des Energieerhaltungssatzes erarbeitet Steffens eine Rechenvorschrift für die mittleren Schnittkräfte, die die Verformung des Systems Schleifmaschine – Schleifscheibe – Werkstück bewirken. Alle im Modell verwendeten Stoffwerte sind auch Funktionen der Temperatur und vor Beginn der Rechnung nicht bekannt. Dies gilt insbesondere für die temperaturabhängige Fließspannung des Werkstoffes, aber auch für die Temperatur und Wärmeleitfähigkeit sowie für die Reibungsbedingungen in der Kontaktzone. Aus der Kombination von Spannungs- und Geschwindigkeitsfeld ermittelt er die an der Einzelschneide dissipierte mechanische Leistung. Steffens gelingt

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es, die tatsächliche Wärmequellenverteilung entlang der realen Kontaktzone als Funktion aller Eingangs- und Prozessgrößen darzustellen. Es zeigt sich, dass die Modellierung den Stellgrößeneinfluss richtig wiedergibt und eine Änderung der Schleifscheibentopographie genauso folgt wie der reale Prozess. Mit der Einführung von cBN wurde auch ein erheblicher Entwicklungsschub im Bereich der konventionellen Schleifkorntypen ausgelöst. Mikrokristalline Sol-GelKorunde und auch gezielt gezüchtete Kornformen bei Korunden und Siliziumkarbiden kennzeichnen diese Entwicklungen. Thomas Ludewig stellt sich der Aufgabe, ausgehend vom Verschleiß und Schleifverhalten unterschiedlicher konventioneller Kornsorten, Anwendungsbereiche zu bestimmen [Lude1994]. Er führt dazu Einkornritz- und Schleifuntersuchungen experimentell durch, wobei sowohl Vergütungsstähle in mehreren Festigkeitsstufen, Kugellagerstahl, Schnellarbeitsstahl und Nickelbasislegierungen zum Einsatz kommen. Ludewig weist nach, dass die Härte der Kornwerkstoffe nicht als alleiniges Kriterium zur Beschreibung der Korneignung ausreicht, sondern dass auch die Zähigkeit des Kornwerkstoffs in die Betrachtungen mit einfließen muss. Eine Impuls gebende Entwicklung im Bereich der Schneidstoffe gelingt mit der Einführung der Sol-Gel-Korunde. Es handelt sich dabei um mikrokristalline Al2O3-Kornarten, die bei optimalen Einsatzbedingungen durch mikrokristalline Selbstschärfeffekte zu quasistationären Schleifscheibentopographien bei sehr geringem Schleifscheibenverschleiß führen. Diese Schleifwerkzeuge ermöglichen in vielen Anwendungsbereichen deutliche Leistungssteigerungen. Norbert Müller geht deshalb in Grundlagenuntersuchungen zunächst der Frage nach, welche Verschleißmechanismen beim Einsatz von Sol-Gel-Korunden dominieren [Müll2001]. Er führt dazu Einzelkornbelastungen durch, ermittelt quantitativ den Kornverschleiß und führt dies auf die grundlegenden Verschleißmechanismen zurück. Das aus praktischen Schleifanwendungen bereits bekannte Einsatzverhalten der Sol-Gel-Korunde kann Müller erstmals grundlegend klären. Für den Anwender ergeben sich auf dieser Basis neue Möglichkeiten, Bearbeitungsaufgaben, Schleifscheibenspezifikationen und Schleifparameter optimal aufeinander abzustimmen. Müller schafft die Voraussetzungen, den Hochleistungsschneidstoff SolGel-Korund optimal einzusetzen und die Leistungslücken zwischen konventionellen Schleifmitteln und dem superharten cBN zielorientiert zu schließen. Eine besondere Gruppe der mikrokristallinen Korunde sind zweiphasig verstärkte Sol-Gel-Korunde. Aufgrund der Zweiphasigkeit ist davon auszugehen, dass in diesem Fall weitere Verschleißmechanismen berücksichtigt werden müssen. Mittels umfangreicher Analogieuntersuchungen zerlegt Robert Engelhorn das komplexe tribologische Belastungskollektiv in Teilsysteme [Enge2002]. Er studiert die Teilsysteme grundsätzlich und kann so gezielte Aussagen über vorherrschende Verschleißmechanismen treffen. Um Grenzflächenphänomene und tribochemische Nanoschichten nachzuweisen, führt Engelhorn transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen an Sol-GelKorunden durch. Es gelingt ihm nachzuweisen, dass auf der Schneide feinkristalline Triboschichten entstehen. Diese resultieren aus einer thermomechanischen Interaktion zwischen dem Sol-Gel-Korund und dem Werkstück. Außerdem besitzen sie einen hohen Anteil an Mischoxiden. Diese nanokristallinen Triboschichten beeinflussen das Reibungsverhalten günstig, da sie einen weichen Charakter aufweisen. Sie sind eine

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wesentliche Grundlage für reduzierte Prozesskräfte. Um die zum Mikrosplittern notwendigen Prozesskräfte aufzubringen, müssen in der Folge die Zerspanleistungen erhöht werden. Außerdem zeigt Engelhorn, dass neben den mikrokristallinen Eigenschaften der Sol-Gel-Korunde insbesondere durch die Verwendung der zweiten Bindephase Rissbildung unterdrückt wird. Neben den physikalischen Kennwerten der verwendeten Schneidkörner kommt den Eigenschaften der Bindungsbrücken, vor allen Dingen dem Grenzflächenübergang zwischen Bindung und Korn, eine besondere Bedeutung zu. Häufig wird diese Grenzfläche vernachlässigt, sie kann aber die entscheidende Festigkeitsstelle im Bindungsverband darstellen. Da viele keramische Bindungen auf der Basis von Glasfritten aufgebaut sind, sind Grenzflächenreaktionen zwischen Glas und Kornwerkstoff entscheidende Bindungsmechanismen. Sie bestimmen das Benetzungsverhalten und auch die Bindefestigkeit. Die ausgebildete Mineralogin Rosemarie Bot-Schulz zeigt in ihren Forschungsarbeiten, wie über unterschiedliche Frittenzusammensetzungen die Einbindung von Körnern gezielt beeinflusst und das Bindungsverhalten auf schleiftechnologische Anforderungen gezielt angepasst werden können [BotS2005]. 10.3 Schleifverfahren Die in den vorangegangenen Kapiteln beschriebenen Grundlagenuntersuchungen und insbesondere die von Werner und Kassen aufgestellten analytischen Modelle zeigen die erheblichen Leistungsreserven, die mit einer Steigerung der Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit realisierbar sind. Aus diesem Umfeld entwickeln sich unterschiedliche Prozessstrategien. Einerseits können erhöhte Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeiten genutzt werden, um die Arbeitsgenauigkeit zu steigern, andererseits ist es möglich, die beim Hochgeschwindigkeitsschleifen geringeren Kräfte durch eine Steigerung des Zeitspanvolumens zu kompensieren. Damit sind Produktivitätssteigerungen möglich. Es entwickeln sich zwei grundsätzliche Technologien: das Qualitätsschleifen (hohe Arbeitsgenauigkeit) und das Hochleistungsschleifen (hohes Zeitspanungsvolumen). Konrad Gühring greift diese grundsätzlichen Zusammenhänge auf, und mit seiner Arbeit „Hochleistungsschleifen – Eine Methode zur Leistungssteigerung der Schleifverfahren durch hohe Schnittgeschwindigkeiten“ überführt er erstmals wichtige Grundlagen in praktische Anwendungen [Gühr1967]. Mit Hilfe von Einkornritzversuchen wird der Einfluss der Schnittgeschwindigkeit auf die Prozess- und Ergebnisgrößen analysiert. Gühring zeigt, dass bei konstantem Zeitspanvolumen eine Steigerung der Schleifscheibengeschwindigkeit bis 90 m/s zu deutlich fallenden Schnittkräften, besseren Oberflächengüten und höheren Werkzeugstandzeiten führt. Er zeigt auch, dass dies nur solange gilt, wie eine thermisch unzulässige Oberflächenrandzonenschädigung vermieden wird. Mit dem Hochleistungsschleifen ist eine erhebliche Reduzierung der Schleifzeit und eine deutliche Steigerung der Wirtschaftlichkeit möglich. Die Arbeiten von Gühring können als maßgebender Impuls zur Entwicklung der Hochleistungsschleiftechnologie gesehen werden. Der Markt erkennt die erheblichen Leistungspotenziale und fordert technisch zuverlässige Lösungen, wodurch auch in der Zulieferindustrie Entwicklungsschübe ausgelöst werden.

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Mit einer Steigerung der Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit treten aber auch wieder Sicherheitsaspekte in den Vordergrund. Bei einem möglichen Bersten der Schleifscheibe müssen die frei werdenden Energien sicher von den Schutzhauben an den Maschinen aufgenommen werden. Rolf Langbein erarbeitet deshalb Grundlagen für die Auslegung und Dimensionierung von Sicherheitselementen und Sicherheitssystemen [Lang1976]. Dabei werden insbesondere Sicherheitseinrichtungen für das Außenrundschleifen entwickelt, da diese Verfahren die höchste Gefährdung für die Bedienperson aufweisen und außerdem weit in der Anwendung verbreitet sind. Langbein untersucht deshalb das Bruchverhalten der Schleifscheiben und analysiert die Bruchstückkinematik. So wird ein Berstprüfstand mit Hochgeschwindigkeitskameras bestückt und die Schleifscheiben werden gezielt durch Beschuss bei Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit zum Bersten gebracht. Als wesentliches Ergebnis dieser Grundlagenuntersuchungen erarbeitet Langbein Berechnungsgrundlagen und gibt Konstruktions- und Auslegungsempfehlungen für geschlossene Maschinen-Schutzsysteme. 10.3.1 Hochgeschwindigkeitsschleifen und Außenrundschleifen zwischen Spitzen Die Arbeiten von Langbein gewinnen an Bedeutung, als 1978 in Europa der hochfeste Schneidwerkstoff cBN erstmals auf der EMO in Paris vorgestellt wird. Noch im gleichen Jahr werden am WZL erste schleiftechnologische Untersuchungen durchgeführt. Es folgt eine Phase vielfältiger Forschungsarbeiten, in denen cBN insbesondere auf seine Eignung zum Hochgeschwindigkeitsschleifen analysiert wird. Bei den Untersuchungen werden sowohl kunstharzgebundene als auch abrichtbare, keramische Schleifscheiben und auch galvanisch gebundene cBN-Schleifscheiben eingesetzt. Kemal Yegenolgo befasst sich folgerichtig zunächst mit Fragestellungen, Topographiekenngrößen zur Auslegung von cBN-Schleifscheiben analytisch zu bestimmen [Yege1986]. Er entwickelt für idealisierte Schleifbelagtopografien mathematische Modelle zur Berechnung von Topografiekenngrößen beim Außenrund-Einstechschleifen. Christian Treffert widmet sich dem Hochgeschwindigkeitsschleifen mit galvanisch gebundenen cBN-Schleifscheiben [Treff1994]. Ein wesentliches Resultat seiner Arbeit ist die Entwicklung eines für das Hochgeschwindigkeitsschleifen geeigneten Kühlschmierstoffsystems. Treffert entwickelt eine Schuhdüse, mit der die mit der Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheibe mitrotierende Luftgrenzschicht weitgehend von der Kontaktstelle abgeschirmt wird. Die Schuhdüse bietet eine geeignete Methode, einem minimalen Kühlschmierstoffvolumenstrom dem Prozess mit einem geringen Leistungsbedarf zuzuführen. Mit praktischen Versuchen zeigt Treffert, dass diese Art der Kühlschmierstoffzuführung ausreichend Kühlschmierstoff in die Schleifzone transportiert, um eine thermische Schädigung zu vermeiden. Außerdem ist durch die geringe Kühlschmierstoffmenge die durch hydrodynamische Effekte verursachte Normalkraftkomponente gering. Damit führt die Verwendung der Schuhdüse auch zu höheren Werkstückgenauigkeiten. Treffert zeigt, dass bei einschichtig belegten Schleifscheiben die am Werkstück resultierende Werkstückrauheit weitgehend unabhängig von der Zustellung und den Zeitspanungsvolumina ist. Er führt dies darauf zurück, dass bei

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der Kornsiebung einzelne Körner aus dem Belag herausstehen und maßgeblich für die Erzeugung der Oberflächenrauheit verantwortlich sind. Um diesen Effekt zu minimieren, wendet er das Abrichten mit kleinen Zustellungen, das sogenannte Touchdressing, an. Dadurch wird es möglich, die Schleifscheibentopografie einzuebnen, um eine Erhöhung der Schneidendichte zu erreichen. Dies führt zu einem Anstieg der Schleifkräfte, hat allerdings positive Auswirkungen auf die Standzeit und die Oberflächengüte. Neben der Analyse der Oberflächengüten im Sinne der Oberflächenrauheiten ist aber auch die Betrachtung der thermischen Randzonenbeeinflussung notwendig. Aus den Arbeiten von Werner ist abzuleiten, dass nach Erreichen einer bestimmten Schnittgeschwindigkeit die Temperaturen nicht mehr weiter steigen. Es lag die Frage im Raum, bis zu welchen Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeiten in diesem Zusammenhang praktisch nutzbare Effekte umgesetzt werden können. Aus diesem Grund entstand in Zusammenarbeit mit einem Maschinenhersteller ein Maschinenprototyp, auf dem Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeiten bis 500 m/s realisiert werden konnten. Felix Ferlemann geht mit diesem neuen Versuchsstand der Frage nach, welche Effekte bei extrem hohen Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeiten auftreten [Ferl1992]. Dazu ist es zunächst notwendig, Schleifscheibengrundkörper zu entwickeln, die diesen Umfangsgeschwindigkeiten ohne zu bersten standhalten. Als Schleifscheibenkonzept werden einschichtig belegte galvanisch gebundene cBN-Schleifscheiben gewählt. Als Grundkörpermaterial dient ein hochfestes Aluminium aus der Flugzeugindustrie. Zur Aufnahme der Fliehkraftspannungen wird der Schleifscheibengrundkörper ohne Zentralbohrung ausgelegt und die Außenkontur entsprechend der Vorraussetzung „konstante Festigkeit über den Radius“ berechnet. Bei den gegebenen Bedingungen stellt Ferlemann fest, dass bei Überschreiten einer Schnittgeschwindigkeit von 240 m/s ein überproportionaler Abfall der Schnittgeschwindigkeit erfolgt. Dies wird auf die Ausbildung einer niedrigviskosen Fließschicht in der Kontaktzone zurückgeführt, wobei die Kontaktzonentemperatur konstant bleibt. Ferlemann zeigt Möglichkeiten und Grenzen des Hochleistungsschleifens auf. Seine Untersuchungsergebnisse stehen im Einklang mit heutigen praktischen Anwendungen, bei denen maximale Umfangsgeschwindigkeiten mit galvanisch gebundenen cBN-Schleifscheiben bis 280 m/s erreicht werden. Ein wesentlich größeres Einsatzgebiet als galvanisch gebundene Schleifscheiben ermöglichen keramisch gebundene cBN-Schleifscheiben. Hier ist über den Abrichtprozess die Möglichkeit gegeben, auftretenden Verschleiß zu kompensieren und auch die Schleifscheibentopografie gezielt einzustellen. Vorraussetzung hierfür ist die genaue Kenntnis und die Beherrschung der Einflussgrößen. Christian Lippok wendet keramisch gebundene cBN-Schleifscheiben beim Außenrund-Feinschleifen an [Lipp1997]. Nach den Entwicklungen einer angepassten Abrichtstrategie korreliert er die erzielten Werkstückrauheiten mit den Einstellparametern. Damit wird es möglich, zu einem vorgegebenen maximalen Rauheitswert kostenoptimale Stellgrößenkombinationen für verschiedene Zerspanungsvolumina zu berechnen. Höchste Flexibilität ist dann gegeben, wenn mit nicht werkstückgebundenen Schleifscheibengeometrien gearbeitet werden kann. Diese Verfahren bezeichnet man als

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Formschleifverfahren. Guido Hegener kombiniert die hohe Flexibilität des Formschleifens mit der Leistungsfähigkeit des cBN und erstellt eine Arbeit für das Hochleistungsaußenrund-Formschleifen [Hege1998]. Für häufige Anwendungen in der Praxis, z. B. die Bearbeitung von zylindrischen Geometrieelementen, entwickelt Hegener eine Schleiftechnologie, die als Schälschleifen bezeichnet wird. Ein wichtiger Punkt in der Arbeit von Hegener ist, dass er das zu zerspanende Werkstoffvolumen auf eine sich konisch ausbildende Schruppzone verteilt. Die Ausbildung der Schruppzone in Abhängigkeit von den Einstellbedingungen sowie die Schleifscheibenspezifikation sind entscheidende Einflussparameter. Über die zylindrische Schlichtzone wird die Oberflächengüte hergestellt. Hegener zeigt, dass aufgrund der Verfahrenskinematik beim Schleifen zylindrischer Werkstückgeometrien regelmäßige Oberflächenmarkierungen in Form von Schrägungsmustern auftreten können. Hegener entwickelt Strategien, mit denen diese Muster vermieden werden können. Die von Hegener durchgeführten Arbeiten stellen den Anwendern des Hochleistungsaußenrund-Formschleifens schleiftechnisches Basiswissen für eine erfolgreiche Prozessauslegung zur Verfügung. Jens Muckli treibt das Hochgeschwindigkeitsschleifen mit keramisch gebundenen Schleifscheiben an eine weitere Leistungsgrenze. Sein Ziel ist es, den Einsatzbereich keramisch gebundener cBN-Schleifscheiben bis zu Schnittgeschwindigkeiten von 230 m/s prozesssicher zu gestalten [Muck1999]. Dies gelingt durch angepasste Schleifscheibengrundkörper sowie gezielte Untersuchungen und eine Optimierung der Schnittstelle zwischen keramischem cBN-Belag und Grundkörper. Diese Schnittstelle stellt aufgrund der weiten praktischen Verbreitung dieser Werkzeugtypen einen bedeutenden Schwachpunkt dar. Es kommt also insbesondere darauf an, dass die Verformungen der Trennfugen bei hohen Geschwindigkeiten und daraus resultierenden Dehnungen nicht zu einem Absprengen der Schleifsegmente führen. Muckli untersucht diese Schnittstelle systematisch, berechnet mit Finte-Elemente-Methoden Dehnungen und Spannungen und entwickelt so Konstruktions- und Auslegungshinweise für keramisch gebundene cBN-Schleifscheiben zum Hochgeschwindigkeitsschleifen. Neben der Entwicklung und Optimierung von Schleifwerkzeugen werden beim Hochgeschwindigkeitsschleifen aber auch neue Verfahrensvarianten abgeleitet. Die makrogeometrische Durchdringung zwischen Schleifscheibe und Werkstück ist bei diesen Entwicklungen ein wichtiger geometrisch bedingter Technologiefaktor, der wesentlichen Einfluss auf die Energieumsetzung in der Kontaktzone hat. Aus dieser Überlegung heraus werden Ansätze bekannt, für das Herstellen zylindrischer und konischer Funktionselemente beim Außenrundschleifen Schleifscheibe und Werkstück nicht parallel, sondern windschief anzustellen. Damit wird es möglich, theoretische Linienkontakte zwischen Schleifscheibe und Werkstück bis zu Punktkontakten zu verkleinern. Will man das praktisch umsetzten, muss die gesamte Energieumsetzung in extrem kleinen Kontaktflächen realisiert werden. Dies erfordert hochfeste Schleifscheibensysteme. Dazu sind grundsätzlich cBN- und auch Diamantschleifscheiben geeignet. Carsten Bücker beschäftigt sich deshalb erstmals mit der Fragestellung, welche kinematischen Grundvoraussetzungen und Eingriffsbedingungen beim Schälschleifen mit windschiefer Achsanordnung vorliegen [Bück1997]. Er untersucht das unter der Marktbezeichnung „Quickpoint Schleifen“ eingeführte Schälschleifver-

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fahren. Bücker stellt Modelle und Kennlinien vor, mit denen der Prozess des Schälschleifens mit windschiefer Achsanordnung ausgelegt und optimiert werden kann. Oliver Gerent verallgemeinert die von Bücker erforschten Zusammenhänge. Er stellt einen allgemein gültigen Modellansatz zur Ermittlung der Zusammenhänge zwischen Prozesseingangs- und Prozessausgangsgrößen beim Hochleistungsaußenrundschleifen vor [Gere2001]. Auch er geht als Basis von den geometrischen Eingriffsverhältnissen zwischen Schleifscheibe und Werkstück aus. Mit den Arbeiten von Gerent wird es möglich, die Verfahrensvarianten „Hochleistungsschleifen mit paralleler Achsanordnung“ und „Hochleistungsschleifen mit windschiefer Achsanordnung“ quantifizierbar einander gegenüberzustellen. 10.3.2 Spitzenloses Außenrundschleifen Ein weiteres Außenrund-Schleifverfahren, welches für die Massenfertigung eine hohe Relevanz besitzt, ist das spitzenlose Schleifen. Es stellt einen der schwierigsten Schleifprozesse dar, weil das Werkstück zwischen Schleifscheibe, Regelscheibe und Auflageschiene frei geführt wird. Damit treten sehr häufig Instabilitäten auf. Die Folge ist, dass prozesssichere Einstellfenster nur schwer gefunden werden können. In der Praxis wird diese Aufgabe von erfahrenen Maschineneinrichtern auf Basis von Erfahrungswissen übernommen. Dieter Reeka geht der Stabilitätsfrage beim Spitzenlosschleifen erstmals systematisch nach. Er erstellt eine Arbeit über den Zusammenhang zwischen Schleifspaltgeometrie und Rundheitsfehler beim spitzenlosen Schleifen [Reek1967]. Er geht davon aus, dass das Arbeitsergebnis und die Wirtschaftlichkeit sowie die hierfür einzustellenden Parameter an der spitzenlosen Schleifmaschine nur bei Kenntnis des Formbildungsprozesses systematisch beeinflusst werden können. Er stellt den Zusammenhang zwischen Schleifspaltgeometrie und Arbeitsergebnis dar und zeigt, dass die geometrische Stellung von Schleifscheibe, Regelscheibe und Auflageschiene entscheidend die Rundheit des Werkstücks bestimmen. Mit Hilfe eines Rechnerprogramms stellt er ein Softwaresystem zur Verfügung, mit dem bestimmte Auflagehöhen und Auflageschrägen eingestellt werden können. Praktische Versuche verifizieren seine Arbeiten. Mit den Forschungsergebnissen von Reeka werden erstmals theoretische Modelle zum Spitzenlosschleifen verfügbar und in der Praxis umgesetzt. Hansjörg Schreitmüller erweitert die Überlegungen von Reeka um kinematische Grundlagen. Er widmet sich Fragestellungen, die insbesondere bei höheren Zerspanleistungen auftreten. Konsequenterweise bezieht er deshalb in seine Modellvorstellungen auch elastische Verformungen in den Kontaktzonen zwischen Schleifscheibe und Werkstück sowie Regelscheibe und Werkstück mit ein [Schr1971]. Die Kontaktsteifigkeit wird eine prozessbeschreibende Kenngröße. Sie beeinflusst die Schnitttiefenmodulation und ist somit verantwortlich für das Auftreten von Instabilitäten. Schreitmüller modelliert das Schleifsystem mit einem mehrfach gekoppelten Feder/Dämpfer-System. Die Berechnung zeigt ebenso wie praktische Schleifversuche, dass bei Kenntnis der Kontaktsteifigkeiten prozesssichere Bearbeitungsfenster besser vorausgesagt werden können. Dabei wird deutlich, dass beim Hochleistungsschleifen elastische, gummigebundene Regelscheiben einen Eingangsfehler schneller abbauen. Keramisch gebundene Schleifscheiben vermindern den Rundheitsfehler ebenfalls

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rasch, wohingegen kunstharzgebundene Schleifscheiben einen günstigen Endrundheitsfehler erzeugen. Die Arbeiten von Reeka und Schreitmüller beschäftigen sich mit dem spitzenlosen Einstechschleifen. Das spitzenlose Durchlaufschleifen wird in der Forschung allerdings kaum behandelt. Frank Ulrich Meis erarbeitet deshalb die geometrischen und kinematischen Grundlagen für diese Schleiftechnologie [Meis1980]. Zur Analyse der geometrischen Verhältnisse beim Durchlaufschleifen werden wesentliche Elemente und Bewegungen im Schleifspalt in entsprechend transformierten Koordinatensystemen beschrieben. Die technologischen Gesetzmäßigkeiten werden in einer Funktionsanalyse der Bereiche Schneideneingriff, Krafteinleitung an der Regelscheibe sowie radiale und axiale Werkstückführung untersucht. Die axiale Schleifspaltauslegung beeinflusst die Zylinderformabweichung der Werkstücke, die radiale Spaltgeometrie den Rundheitsfehler. Ein neu hergeleitetes Erzeugungsverfahren einer symmetrischen Regelscheibenform wird der konventionellen Form gegenübergestellt. Die geometrische Stabilitätstheorie wird auf das Durchlaufschleifen erweitert. Viele Fragen sind beim spitzenlosen Schleifen aber noch offen. Bei der Verwendung von konventionellen Schleifscheiben treten sie noch nicht so stark in den Vordergrund. Mit der Einführung von cBN zum spitzenlosen Schleifen werden aber die Schleifprozesse in andere Leistungsbereiche getrieben. Nur bei hohen Zeitspanungsvolumina können cBNSchleifscheiben wirtschaftlich beim spitzenlosen Schleifen eingesetzt werden. Damit ergeben sich neue Fragestellungen. Insbesondere ist offen, ob Über- oder Untermitte geschliffen werden soll. Dies hat wiederum erheblichen Einfluss auf die Stabilität der Prozesse und die Einstellfenster. Dirk Friedrich geht deshalb diesen Fragestellungen nach und untersucht zunächst analytisch die Werkstückmittelpunktsverlagerung [Frie2004]. Dabei geht er grundsätzlich davon aus, dass Mittelpunktsverlagerungen durch Verschleiß an der Schleifscheibe und Auflageschiene (verschleißinduziert), durch Durchmesserabnahme des Werkstücks (zerspanungsinduziert) und durch den Eingangsrundheitsfehler (Unrundinduzierung) hervorgerufen werden. Es kommt jetzt darauf an, unter welchen Bedingungen diese Störgrößen im Schleifprozess sicher abgebaut werden und keine Instabilitäten bewirken. Friedrich führt hierzu umfangreiche analytische Berechnungen durch. Er erstellt eine Prozessmodellierung, mit der diese Effekte berücksichtigt werden. Außerdem gibt er eine Möglichkeit an, wie durch eine aktive Auflageschiene im Prozess aufkommende Instabilitäten unterdrückt werden können. Über die Kontakteigenschaften an der Auflageschiene, z. B. höhere Dämpfung oder Strukturierung der Auflagefläche, sowie über eine adaptive Höhenverstellung kann der Schleifprozess stabilisiert werden. 10.3.3 Flachschleifen schwer zerspanbarer Werkstoffe Ein weiteres wichtiges Forschungsgebiet am WZL ist die Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe mittels unterschiedlicher Schleiftechnologien. Schwer zerspanbare Werkstoffe stellen eine besondere Herausforderung dar. Dies ist insbesondere dadurch gegeben, dass das Zusetzen von Schleifscheiben sowie hoher Schleifscheibenverschleiß die Leistungsgrenzen festlegen. Willi Hönscheid untersucht deshalb ganz gezielt

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das Schleifen der Turbinenlegierung TiAl6V4 [Höns1975]. Eine der wichtigen Schleifanwendungen in der Praxis ist hier das Schleifen von Turbinenschaufelfüßen. Die grundsätzlichen Problematiken des Schleifens ergeben sich aus der geringen Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs und den daraus resultierenden hohen Temperaturbelastungen von Schleifscheibe und Werkstück sowie durch den langspanenden Charakter. Hönscheid ermittelt zunächst die charakteristischen Temperaturfelder im Werkstück als wesentliche Merkmale zur Prozesscharakterisierung. Hierzu verwendet er ein Temperaturmodell, das eine quantitative Bestimmung der Werkstückrandzonentemperatur ermöglicht. Mit Hilfe dieses Temperaturmodells stellt er ein Verfahren zur Berechnung der Wärmespannungen in der Werkstückrandzone vor. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten von Hönscheid ist die Analyse der Werkzeugverschleißmechanismen bei Verwendung von Siliziumkarbid-, Diamant und cBN-Schleifscheiben Neben den klassischen Titan- und Nickelbasislegierungen wurden für Anwendungen im mittleren Temperaturbereich der Turbinen neue Werkstoffe entwickelt. Eine Gruppe sind die γ-Titanaluminide. Christoph Zeppenfeld erarbeitet für diese Werkstoffgruppe mit einer neuen Flachschleiftechnologie, dem Schnellhubschleifen, die wesentlichen technologischen und wirtschaftlichen Randbedingungen [Zepp2005]. Dazu wird erstmalig der Prototyp einer Schnellhubschleifmaschine verwendet, mit der maximale Tischvorschubgeschwindigkeiten bis 200.000 mm/min realisiert werden. Für diesen extremen Bereich der Vorschubgeschwindigkeiten liegen bisher keine Modelle zur Prozessbeschreibung vor. Zeppenfeld stellt in seiner Arbeit einen in sich geschlossenen ganzheitlichen Ansatz vor, in dem über die Analyse der Spanbildungs- und Verschleißmechanismen auf technologisch sinnvolle und wirtschaftlich anzustrebende Prozessbedingungen geschlossen werden kann. Zeppenfeld führt zunächst analytische Modellrechnungen durch, die im Wesentlichen die Kinematik des Korneingriffs bei hohen Tischvorschubgeschwindigkeiten und Energiebilanzen bei hohen Einzelkornspanungsdicken berücksichtigen. Dies ist die Basis für Analogieuntersuchungen und die technologische Modellierung des Schnellhubschleifprozesses. In seinen Untersuchungen kann Zeppenfeld grundsätzliche Phänomene aufzeigen und Erklärungen zur Oberflächengenerierung geben. Er weist nach, dass die unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften der verschiedenen Werkstoffphasen im γ-Titanaluminid hierfür verantwortlich sind. Er zeigt ebenfalls, dass die Verschleißmechanismen wesentlich über die Einzelkornspanungsdicken bestimmt werden. Dabei ist besonders bemerkenswert, dass bei hohen Spanungsdicken Adhäsivschichten am Schneidkorn einen verschleißmindernden Einfluss haben. Zeppenfeld führt erstmalig TEM-Analysen an Ritzdiamanten auf nanoskopischer Ebene durch. Er zeigt, dass die adhäsiven Kornschichten im Moment des Korneingriffs schmelzflüssig oder hochviskos vorliegen und so die Reibungsbedingungen wesentlich verändern. Außerdem wirken sie einer Graphitisierung der Diamantkörner entgegen. Zeppenfeld zeigt auch, dass bei geeigneten Prozessbedingungen durch Schnellhubschleifen gezielt Druckeigenspannungen in der Bauteilrandzone induziert werden können. Aber auch hier dürfen Grenzwerte nicht überschritten werden, da sonst die an den unterschiedlichen Phasen des Werkstoffs vorliegenden Grenzspannungen Risse erzeugen können. Zeppenfeld kommt deshalb zu der Empfehlung, aus technologischer Sicht beim Schleifen von γ-Titanaluminiden Tischvorschubgeschwindigkeiten oberhalb von

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120.000 mm/min nicht einzusetzen. Zusammen mit einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ermittelt Zeppenfeld, dass für einen erfolgreichen Transfer der Technologie in die Industrie maximale Tischbeschleunigungen von 30 m/sec2 und Vorschubgeschwindigkeiten von 120.000 mm/min technologisch ausreichen und wirtschaftlich zielführend sind. 10.3.4 Bandschleifen Ein weiteres, besonderes Verfahren im Bereich der Schleiftechnologie ist das Bandschleifen oder allgemein das Schleifen mit Schleifmitteln auf Unterlagen. Diese Schleifprozesse werden häufig zur Vorbearbeitung von Rohteilen in der Gießerei und in der Stahlindustrie eingesetzt. Außerdem ist ein großer Anwendungsbereich die Bearbeitung von Holzwerkstoffen. Jürgen Fromlowitz setzt sich mit Fragen zur Standzeit und zu den entstehenden Temperaturen beim Hochleistungsbandschleifen auseinander [From1992]. Eine wichtige wirtschaftliche Kenngröße ist die Standmenge der Bänder. Hinzu kommt die Notwendigkeit sicherzustellen, dass eine thermisch unzulässige Beeinflussung der Oberflächenrandzone vermieden wird. Ausgehend von einer Analyse der Werkzeuglebensdauer bei unterschiedlichen Parameterkombinationen betrachtet Fromlowitz die Wärmeausbreitung im Bauteil und zeigt Möglichkeiten zur Prozessüberwachung mit Standzeitanalysen bei Variation der Einflussgrößen. Durch Untersuchungen zur thermischen Belastbarkeit von Korn und Bindung stellt er eine modellhafte Beziehung zur Ermittlung der Temperatur an der Werkstückoberfläche vor. 10.3.5 Feinbearbeitung durch Feinschleifen und Honen Ein Sondergebiet des Schleifens ist das Feinschleifen. Es steht in direktem Wettbewerb zum Honen und zum Läppen. Die Eingriffs- und Zerspanbedingungen unterscheiden sich vom normalen Produktionsschleifen signifikant. Burkhard Hennig geht diesen Besonderheiten nach [Henn1990]. Dazu ist es notwendig, die wesentlichen Zusammenhänge zwischen Werkzeugen, Prozessbedingungen und Arbeitsergebnis für das Feinschleifen grundsätzlich zu erforschen und zu verstehen. Insbesondere sind die Spanbildungsvorgänge und Verschleißmechanismen an der Einzelschneide von besonderer Bedeutung. Henning erarbeitet systematisch Rahmen- und Randbedingungen, unter denen eine wirtschaftliche Auslegung und gezielte Optimierung des Feinschleifens möglich wird. In vergleichbaren Genauigkeitsbereichen arbeiten auch Honprozesse. Im Bereich des Honens werden Forschungsarbeiten von Alfred Ledergerber, Reinhard Derenthal und Reiner Hölper vorgenommen. Ledergerber erforscht das Kurzhubhonen im Einstechprozess. Mit neuen Maschinen und neuen Honsteinsorten ist grundsätzlich eine erweiterte Möglichkeiten gegeben, das Kurzhubhonen in neue Anwendungsbereiche zu führen. Dies wird auch dadurch unterstützt, dass neue Messmethoden zur Verfügung stehen. Ledergerber weist nach, dass die Werkstoffabnahme und auch die Entwicklung der Rauheit in einem engen Zusammenhang stehen [Lede1965]. Er leitet hierfür eine funktionelle Gesetzmäßigkeit ab. Ausgehend von den Zusammenhängen, die sich bei der Untersuchung der unmittelbar nach dem ersten Kontakt zwischen Honstein und Werkstück ablaufenden Vorgängen zeigen, ermittelt Ledergerber auch den Einfluss der zwischen Honstein und Werkstück wirksamen Geschwindigkeit auf das Arbeitsergebnis. Reinhard Derenthal zeigt darauf aufbauend, dass durch das spitzen-

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lose Kurzhubhonen unter bestimmten Bedingungen auch die Geometriehaltigkeit der bearbeiteten Werkstücke positiv beeinflussbar ist und Formfehler entscheidend verringert werden können [Dere1968]. Reiner Hölper untersucht das spitzenlose Kurzhubhonen im Durchlaufverfahren. Dabei geht es ihm darum, bei gleichbleibender Arbeitsgenauigkeit die Vorschubgeschwindigkeiten zu erhöhen. Er wendet Durchlaufgeschwindigkeiten an, die um den Faktor 2,5 höher sind. Ein erster Schritt seiner Arbeiten ist die Analyse der durch die höheren Geschwindigkeiten hervorgerufenen dynamischen Belastungen und das Aufdecken von Schwachstellen. Nach Diskussion und Durchführung von Verbesserungen entwickelt Hölper ein Modell, das die Bewegungsverhältnisse zwischen Honwerkzeug und Werkstück rechnerisch beschreibt [Hölp1974]. Eine Leistungssteigerung des Verfahrens ist bei hohen Werkstückgeschwindigkeiten in erster Linie durch eine Abstimmung zwischen Honwerkzeug und Kühlschmierstoff möglich. Zur Charakterisierung der Honsteine erweist sich der E-Modul als geeignete Kenngröße. Hölper weist darauf hin, dass hydrodynamische Effekte auftreten können, die jedoch keine signifikante Beeinflussung des Arbeitsergebnisses darstellen. Als großer Fortschritt erweist sich der Einsatz einer Druckspülung. Diese verhindert das Zusetzen des Werkzeugs und ermöglicht Steigerungen des Zeitspanvolumens um 40 %. 10.4 Abricht- und Schleifscheibenprüfverfahren 10.4.1 Abrichtuntersuchungen Schleiftechnologien unterscheiden sich von anderen spanenden Fertigungstechnologien insbesondere dadurch, dass im Allgemeinen das verschleißende Werkzeug auf der Maschine mit geeigneten Abrichtwerkzeugen wieder aufbereitet werden kann. Diesen Prozess nennt man Abrichten. Das Abrichten stellt nicht nur die ursprüngliche Makrogeometrie der Schleifscheibe wieder her, sondern hat auch erheblichen Einfluss auf die Schneidenraumbeschaffenheit, d. h. die Anzahl der am Schleifprozess beteiligten Schneiden und die Schneidenraumtiefe. Damit wird durch das Abrichten auch das Schleifverhalten maßgeblich beeinflusst. Das WZL hat deshalb in den 1960er Jahren einen ausgewählten Schwerpunkt im Bereich des Abrichtens von Schleifscheiben aufgebaut, der bis heute weitergeführt wird. Helmut Frank befasst sich in den 1960er Jahren mit dem Abrichten von Schleifscheiben mit stehenden Diamantwerkzeugen [Fran1963]. Er führt seine Versuche beim Außenrund-Einstechschleifen durch. Durch detaillierte Untersuchungen kann er die Abhängigkeit der Werkstückrautiefe von der Wirkrautiefe der Schleifscheibe und der Schneidenzahl bestätigen. Er zeigt, dass zum Erzielen eines gleichbleibenden Schleifergebnisses die Abrichtbedingungen den Schleifbedingungen anzupassen sind. Nur so ist es möglich, einen über der Schleifzeit konstanten Verlauf der Rautiefe zu erreichen. Das Abrichten der Schleifscheiben bleibt in den Folgejahren immer ein Teil der schleiftechnologischen Forschung am WZL. Neben geschliffenen Einkorndiamanten ist das Einsatzverhalten von Mehrkorndiamanten und Abrichtrollen in die Untersuchungen mit einbezogen worden. Ein neuer Schub im Bereich des Abrichtens wird ausgelöst, als cBN auf dem europäischen Markt als Schleifmittel eingeführt wird. Die bevorzug-

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ten Bindungen für cBN-Schleifscheiben sind zunächst Galvanik- und Kunstharzbindungen. Bei der Verschleißfestigkeit der Kunstharzbindungen treten insbesondere beim Präzisionsschleifen und Werkzeugschleifen häufig Probleme auf, da sich die Schleifscheiben während des Prozesses nicht ausreichend selbst schärfen. Es mussten zusätzliche Verfahren entwickelt werden, mit denen die Schneidenraumtiefe an cBNSchleifscheiben gezielt eingestellt werden kann. Neben dem Abrichten werden Schärfverfahren entwickelt. Die erste wissenschaftliche Arbeit zum Schärfen von BonitritSchleifscheiben wird nach der Einführung von cBN bereits im Jahre 1982 von Heinrich Schleich veröffentlich [Schl1982]. Das Ziel der Arbeit ist die Erarbeitung von systematischen Schärfbedingungen für cBN-Schleifscheiben und die Auswirkung auf den Prozess. Schleich verwendet zum Schärfen Korundblöcke. Aufbauend auf einer mathematischen Beschreibung der Schleifscheibentopografie untersucht er detailliert die Kornausbruchmechanik. Aufbauend auf diesen Grundlagen entwickelt Schleich ein Prozessmodell für das Schärfen von Bonitritschleifscheiben im Korundblock. Dieses Modell macht es möglich, den Schärfprozess zielorientiert so zu steuern, dass ein bestimmter Kornüberstand erreicht wird. Die Modelle von Schleich beschreiben den Spanraum und die Schneidendichte als Funktion der Schleifscheibenspezifikation, der Stellgrößen und der Prozessdauer beim Schärfen. Darüber hinaus ist es möglich, die kritischen Stellgrößen zu ermitteln, die den stabilen und instabilen Bereich des Schärfprozesses voneinander abgrenzen. Aus den Arbeiten von Schleich ist abzuleiten, dass eine optimale Schneidenraumtopografie dann erreicht wird, wenn der Kornüberstand etwa 35 % des mittleren Korndurchmessers beträgt. Bernd Stuckenholz führt die Arbeiten von Schleich weiter und entwickelt eine Abrichtstrategie, die mit sehr kleinen Abrichtzustellungen arbeitet [Stuc1988]. Es ist das Ziel, eine ausreichend geschärfte Schleifscheibe nur an den vorstehenden Kornspitzen zu bearbeiten, um eine gute Rundlaufgenauigkeit und Profilgenauigkeit einzustellen. Außerdem kann der Verschleißfortschritt verringert werden. Die Kombination von Schärfen und Abrichten mit kleinen Zustellungen eröffnet Wege, kunstharzgebundene Schleifscheiben auch mit rotierenden Diamantprofilrollen abzurichten. Abrichtuntersuchungen zur Analyse der Verschleißmechanismen zeigen, dass die Wirkrautiefe der Schleifwerkzeuge bis zu einem Grundrauwert linear abnimmt. Hierbei bleiben Schleifkräfte und Schleifleistung bis zum Erreichen der Grundrautiefe praktisch konstant. Die generelle Problemstellung bei kunstharzgebundenen cBN-Schleifscheiben ist, dass zum einen bei kleinen Schneidenraumtiefen die Gefahr einer thermisch unzulässigen Beeinflussung der Werkstückrandzone gegeben ist. Zum anderen ändern sich in langen Einschleifphasen die Prozessbedingungen von Werkstück zu Werkstück, was ebenfalls in der Praxis nicht akzeptiert werden kann. Es liegt deshalb nahe, das bei kunstharzgebundenen Schleifscheiben angewandte Schärfen auch auf keramisch gebundene cBN-Schleifscheiben zu übertragen. Aufgrund der grundsätzlichen anderen Bindungscharakteristik müssen allerdings eigenständige Untersuchungen durchgeführt werden. Dieses Thema greift Dirk Stuff in seiner Arbeit auf. Er untersucht die Schneidflächentopographie keramisch gebundener cBN-Schleifscheiben und entwickelt Strategien zum automatischen Freischleifen und zum Blockschärfen und er zeigt Wege, wie möglichst schnell stationäre Schleifprozesse erreicht werden [Stuf1996].

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Er validiert seine Arbeiten durch Topographieanalysen und erörtert wissenschaftlich die Zusammenhänge zum Schleifergebnis. Trotz der durchgeführten Untersuchungen bleibt das Abrichten von cBN-Schleifscheiben zunächst ein sensibler Prozess, der viel Prozesswissen und genaue Prozessführungsstrategien benötigt. Die Entwicklung der keramischen Bindungen erfolgt mit einem Zeitverzug, weil zunächst entsprechende Niederbrandbindungen entwickelt werden müssen. Danach können, keramische cBN-Schleifscheiben für Profilschleifprozesse eingesetzt werden. Tobias Boucke nimmt sich dieser Fragestellung an, und er entwickelt Abricht- und Schleifstrategien zum Profilschleifen von Verzahnungen mit keramisch gebundenen Schleifscheiben [Bouc1994]. Bei geringen Aufmaßen, wie sie beim Verzahnungsprofilschleifen im Allgemeinen vorliegen, und in Kombination mit den maximal möglichen Vorschubgeschwindigkeiten zeigt sich, dass die Schärfwirkung der abgetrennten Späne für die sehr verschleißfesten keramischen Bindungen nicht ausreichend ist. Bouckes Arbeit zeigt deutlich, dass neue Schleifscheibensysteme zum Profilschleifen entwickelt werden müssen, die einen höheren volumetrischen Porenanteil besitzen. Die sich aus diesen Untersuchungen abzeichnende Zielgröße liegt bei etwa 40 Vol.-% Poren. Mit diesen Forschungsergebnissen des WZL wird wiederum die Entwicklung vollständig neuer Schleifscheibengenerationen angestoßen. Die Forschungen zum Zahnflankenprofilschleifen werden Ende der 1990er Jahre von Bernd Kempa weitergeführt, der ein mathematisches Modell, welches die grundlegende Beschreibung der Prozesszusammenhänge beim Zahnflankenprofilschleifen mit galvanischgebundenem CBN ermöglicht, entwickelt und verifiziert [Kemp1999]. Die von Kempa erarbeiteten Erkenntnisse bilden die Grundlagen zu einer generellen Optimierung des Zahnflankenprofilschleifens mit galvanisch-gebundenem CBN. Mit den Entwicklungen offenporiger, keramisch gebundener cBN-Schleifscheiben sind nun auch hervorragende Voraussetzungen gegeben, die Werkzeuge mit Diamant-Formrollen abzurichten. Damit wird das Nutzungspotenzial von cBN-Schleifscheiben erhöht, weil jetzt durch numerische Steuerung der Formrollen auch Profilkorrekturen an cBN-Schleifscheiben auf der Maschine leicht vorgenommen werden können. Voraussetzung für den Einsatz dieser Prozesse ist allerdings, die Eingriffsbedingungen zwischen Abrichtrolle und Schleifscheibe genau zu kennen und den Einfluss der Abrichtparameter und der Abrichtrollendiamantierung auf das Arbeitsergebnis zu erforschen. Als Variationsgröße bei der Abrichtrollendiamantierung dienen im Wesentlichen die Korngröße, der Kornabstand und die Belegungsdichte. Außerdem werden sich im Abrichtprozess selbst generierende Abrichtrollenprofile verwendet. Axel Schulz erarbeitet als erster Forscher die grundsätzlichen theoretischen Prozesszusammenhänge, und er überführt die gewonnen Ergebnisse auch auf Praxisbedingungen [Schu1996]. Für verschiedene Schleifscheibenspezifikationen und Prozessanforderungen werden angepasste Abrichtstrategien erarbeitet. Standzeituntersuchungen bewerten den Abrichtrollenverschleiß in Abhängigkeit von Rollen- und Schleifscheibenspezifikation sowie den Abrichtparametern. Schulz kommt zu dem Ergebnis, dass die wesentlichsten, den Verschleiß beeinflussenden Stellgrößen der Abrichtgeschwindigkeitsquotient und der Überdeckungsgrad sind. Diamantabrichtrollen werden aber nicht nur zum Abdichten hochharter Schleif-

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werkzeuge eingesetzt. Insbesondere seit den 1960er und 1970er Jahren werden sie auch zunehmend zum Profilieren konventioneller Schleifscheiben angewandt und substituieren damit zunehmend stehende Abrichtwerkzeuge. Die grundlegenden Arbeiten zur Kinematik und zu den Eingriffsbedingungen beim Abrichten mit rotierenden Diamantabrichtwerkzeugen werden von Schmitt in Braunschweig erarbeitet. Bei diesen Technologien werden die Schleifscheiben diskontinuierlich nach Erreichen eines bestimmten Verschleißkriteriums abgerichtet. Insbesondere bei der Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe aus der Flugzeugindustrie zeigte sich aber, dass mit der diskontinuierlichen Abrichttechnologie sehr schnell Leistungsgrenzen erreicht werden. Es entsteht die Idee, während des Schleifens die Schleifscheibe kontinuierlich mit Diamantabrichtrollen zu konditionieren. Mit dieser Prozesstechnologie wird es grundsätzlich möglich, an der Schleifstelle eine immer frisch abgerichtete und schneidfähige Schleifscheibe zur Verfügung zu stellen. Außerdem ist nun der Weg geöffnet, mit großen Zustellungen und kleinen Vorschüben große Ausmaße auch bei schwer zerspanbaren Werkstoffen in einem Durchgang abzuschleifen. Diese neue Technologie muss allerdings auch wissenschaftlich fundiert untersucht und in den grundsätzlichen Wirkmechanismen erforscht werden. Dies erfolgt mit den Arbeiten von Claus Achim von Arciszewski [Arci1991]. Von Arciszewski baut auf den bekannten Zusammenhängen für das Abrichten mit Diamantprofilrollen, wie von Schmitt vorgestellt, auf und erweitert sie auf das kontinuierliche Abrichten (CD-Abrichten). Von Arciszewski zeigt die Wechselwirkungen zwischen Abrichten und Schleifprozess und stellt die Zusammenhänge zwischen den charakteristischen Stellgrößen dar. Durch Berechnungen der Temperaturen sowie Abrichtversuche verifiziert er seine Modellvorstellungen. Von Arciszewski stellt dar, wie CD-Schleifprozesse auszulegen sind und wie sich CD-Tiefschleiftechnologien vom konventionellen Tiefschleifen unterscheiden. 10.4.2 Schleifscheibenprüfverfahren Für konventionelle Schleifscheiben ist im Laufe der Jahre eine Vielzahl von Härteprüfverfahren entwickelt worden. Diese sind für cBN-Schleifscheiben nur bedingt anwendbar. Diesem Thema widmet sich Thomas Merbecks [Merb2002]. Er entwickelt ein Verfahren, mit dem keramisch gebundene cBN-Schleifscheiben charakterisiert werden können. Im Grundsatz handelt es sich um ein spezielles Härteprüfverfahren nach der Idee von Janez Peklenik [Pekl1957]. Basis ist die Durchführung von Einzelkornausbrüchen aus der Schleifscheibe. Merbecks analysiert die Kornhaltbedingungen durch Analyse von Kraft, Akustikemission und Videosignalen. Anhand der Signalmuster kann Merbecks auf die Bruchphänomene zurückschließen. Er unterscheidet Kornbruch, Kornausbruch und Bindungsbruch. Die Phänomene sind insbesondere durch die Videosignale gut voneinander zu unterscheiden. Mit diesem Verfahren wird es möglich, in Abhängigkeit von der Schleifscheibenspezifikation charakteristische Verteilungen der Bruchphänomene zu ermitteln. Neben der Charakterisierung von Schleifscheiben geht Merbecks noch einen Schritt weiter und zeigt, wie mit entsprechenden Modellen auf der Basis der zuvor genannten Methode auch eine Abschätzung des Schleifergebnisses hinsichtlich Rauheit und Verschleiß möglich wird.

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10.5 Forschungen zum Kühlschmierstoffeinsatz beim Schleifen Erhebliche Probleme beim Schleifen sind die Kühlschmierung und die sichere Abfuhr der Wärme aus der Wirkstelle. Besonders schwierig ist eine systematische Kühlschmierstoffauswahl. Rudolf Vits widmet sich deshalb der Frage, welcher Kühlschmierstoff einer gegebenen Bearbeitungsaufgabe am besten gerecht wird [Vits1985]. Er berücksichtigt dabei auch die Kühlschmierstoffzuführung in den Schleifspalt. Vits entwickelt ein geeignetes Prüfverfahren für Kühlschmierstoffe, welches bei geringem Aufwand eine zuverlässige KSS-Beurteilung nach prozessrelevanten Kriterien erlaubt. Die technologischen Randbedingungen werden durch Ritzen mit Einzelkörnern und durch Außenrund-Einstechschleifprozesse mit Modellflüssigkeiten ermittelt. Thorsten Beck beschäftigt sich ebenfalls mit Kühlschmierstofffragen beim Schleifen mit cBN. Auch hier stehen der notwendige Kühlschmierstoffvolumenstrom und ein Vergleich unterschiedlicher Kühlschmierstoffzufuhrsysteme im Mittelpunkt [Beck2001]. Mit Hilfe eines analytischen Modells wird der Volumenstrom bestimmt, der maximal durch den Schleifspalt transportiert werden kann. Außerdem berechnet Beck die Flüssigkeitsdruckkraft. Mit diesem Modell macht er Aussagen zum Wirkungsgrad unterschiedlicher Kühlschmierstoffsysteme. Mit einer optimierten Schuhdüse kann er eine erhebliche Reduzierung des Volumenstroms praktisch umsetzen. Vergleichend zur Überflutungsschmierung wird bei gleichzeitiger Betrachtung ökologischer Aspekte die Verwendung einer Minimalmengenschmierung untersucht. Beck beschreibt Prozessfenster, in denen der Einsatz der Minimalmengenkühlung unter Berücksichtigung des Arbeitsergebnisses sowie der vorgegebene Randbedingungen möglich ist. 10.6 Spanende Bearbeitung nicht metallischer, anorganischer Werkstoffe Mit der Gründung des Fraunhofer IPT im Jahr 1980 werden in Aachen in ausgewählten Schwerpunkten auch Fertigungsverfahren zur Bearbeitung nicht metallischer, anorganischer Werkstoffe wissenschaftlich untersucht und in praktische Anwendungen überführt. Die wesentlichen Forschungsfelder liegen im Bereich der Bearbeitung von Ingenieurkeramik und optischen Gläsern. Sehr umfangreiche wissenschaftliche Untersuchungen zur Optimierung des Vorschleifens bei der Herstellung sphärischer Linsen stellt Frank Pahl an. Ausgangspunkt für seine Arbeiten ist eine detaillierte Analyse der Verfahrenskinematik. Aufbauend auf den kinematischen Eingriffsbedingungen analysiert er ganz gezielt den Einfluss bestimmter Schleifparameter. Hieraus leitet er Bearbeitungsstrategien ab [Pahl1985]. Aus der Arbeit von Pahl werden ganz wesentliche Erkenntnisse direkt in die praktische Anwendung überführt. Allerdings fokussieren die Untersuchungen von Pahl im Wesentlichen auf das Vorschleifen mit Werkzeugen D25-D54. Außerdem berücksichtigt Pahl die erzeugte Schädigungstiefe in der Glasrandzone und das spezifische Zerspanverhalten des Glases nur ansatzweise. Hier setzen die Arbeiten von Norbert Koch an. Koch greift u. a. die Idee des Doppelbelagwerkzeuges auf, die von Pahl bereits genannt wird. Er untersucht abgestimmte Kombinationen von getrennten Diamantbelägen im Werkzeug. Damit wird es möglich, hohe Zerspanleistungen und gleichzeitig geringe Risstiefen in der Glasrandzone zu

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erzeugen. Koch widmet sich auch der Spanbildungsmechanik [Koch1991]. Er zeigt, dass duktiles Werkstoffverhalten bei der Bearbeitung sprödharter Gläser möglich ist. Mit theoretischen Vorüberlegungen nennt er die Randbedingungen, unter denen ein hydrostatischer Spannungszustand in der Eingriffszone erreicht wird. Koch zeigt gleichzeitig, dass Spanungsdickenschwankungen schnell zur Induzierung von Rissen führen können. Es ist deshalb notwendig, bei duktilen Schleifprozessen hohe Rundlaufgenauigkeiten des Schleifwerkzeuges auf der Maschine, geringe Korngrößenschwankungen im Schleifbelag und hohe Wuchtgüten zu realisieren. Wenn diese Grundvoraussetzungen eingehalten werden, können mit Formschleifscheiben auch asphärische Linsen hergestellt werden. Bei richtiger Prozessauslegung kann auf das Polieren verzichtet werden. Die Arbeiten von Koch sind Grundlage für die Entwicklung von Maschinen und Technologien zum direkten Schleifen asphärischer Linsen. Ein weiteres Forschungsfeld ist die Fertigung feinoptischer Elemente. Die Bearbeitung dieser Elemente wird in den 1990er Jahren wesentlich durch handwerklich orientierte Fertigungsmethoden gekennzeichnet. Rüdiger Kleinevoß untersucht deshalb das Feinschleifen mit kugelförmigen, formgebundenen Pelletwerkzeugen [Klei1991]. Er analysiert verfahrensübergreifend die Zusammenhänge zu vor- und nachgeschalteten Arbeitsgängen. Er zeigt in seinen Arbeiten, dass unter Angabe möglichst geringer Randzonenschädigungen die identifizierten Ähnlichkeitsmerkmale eine Gruppenbildung sich zerspanungstechnisch gleich oder ähnlich verhaltender optischer Gläser zulassen. Mit der Weiterentwicklung der NC-Technik und durch hochgenaue Maschinen ist eine präzise Steuerung der Werkzeugbahnen möglich. Volker Sinhoff kombiniert nun das Prinzip des Kugelschleifens und den Einsatz feinkörniger Topfschleifscheiben in NC-gesteuerten Schleifprozessen [Sinh1996]. Damit weist er neue Wege zur Fertigung feinoptischer Elemente aus Glas, insbesondere auch für kleine Losgrößen. Zunächst bearbeitet er die technischen Zusammenhänge beim Einsatz feinkörniger Topfschleifscheiben zur Feinschleifbearbeitung von optischem Glas. Neben dem Nachweis der Prozessfähigkeit gibt er auch modellhafte Beschreibungen zur Glasrandzonenstruktur an. Mit optimierten Prozessführungsstrategien, die auf eine Verkürzung der gesamten Herstellungskette abzielen, zeigt er Wirtschaftlichkeitspotenziale auf. Mit einer genauen Kenntnis der Glaseigenschaften wendet er sich der grundsätzlichen Analyse von Spanbildungsphänomenen zu. Sinhoff stellt dar, in welchen Bereichen der Übergang zwischen Trennbruch und klassischer Materialverdrängung eintritt. Dies ist wichtig für die Beschreibung der Glasrandzonen. Er zeigt auch, dass die Fertigungshistorie, in die auch Vorschleifoperationen eingehen, bei einer Prozesskettenbetrachtung berücksichtigt werden muss. Eine stärkere Zerrüttung des Glases nach dem Vorschliff erfordert entsprechende Kompensationsmaßnahmen und Aufwände beim Feinschleifen. Mit seiner modellhaften Charakterisierung der Randzone beschreibt er die Tiefenschädigungen durch Sprödbruch sowie den Übergang vom Trennbruch zum duktilen Materialverhalten. Er verwendet hierzu Energieansätze und erweitert die Modellvorstellungen des viskosen Fließens auch durch Druckeinflüsse. In einer abschließenden Wirtschaftlichkeitsbetrachtung unterschiedlicher Feinschleifoperationen zeigt Sinhoff, dass das Potenzial des Freiformschleifens weniger aus verkürzten Bearbeitungszeiten resultiert, als vielmehr in dem flexiblen Einsatz der Werkzeuge zu suchen ist.

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Durch die Radienungebundenheit der Topfschleifscheiben gegenüber dem konventionellen Feinschleifen können kleine Stückzahlen wirtschaftlich gefertigt werden. Die Arbeiten von Sinhoff sind nicht auf das Feinschleifen optischer Gläser mit Topfscheiben beschränkt. Ein großer Teil der analysierten Zusammenhänge gilt allgemein für die Schleifbearbeitung optischer Gläser. Damit ist es neben der Feinoptik auch für die Rezeptur-Brillenglasfertigung anwendbar. Stefan Hambücker geht Ende der 1990er Jahre der Frage nach, die Technologie zur Politur sphärischer Optiken in neue Leistungsbereiche zu führen [Hamb2001]. In seiner Arbeit untersucht er das Polierverhalten optischer Gläser mit Hilfe der Synchro-SpeedKinematik. Bei dieser Kinematik sind das Werkzeug und das Werkstück exzentrisch zueinander angeordnet, sie drehen in dieselbe Richtung mit nahezu gleicher Drehfrequenz. Es ist ein Standardverfahren zur Politur sphärischer Optiken in der feinoptischen Industrie. Allerdings ist das Materialabtragverhalten ausschließlich phänomenologisch zu erklären. Damit wird es schwierig, zielorientiert Zusammenhänge zwischen Materialabnahme und Formgenauigkeit herzustellen. Es ist offen, weshalb bestimmte Gläser reproduzierbare Ergebnisse liefern und bei anderen Gläsern hohe Streuungen auftreten. Diese Frage hat zentrale Bedeutung, da die Reproduzierbarkeit von Polierprozessen eine wesentliche Voraussetzung zur wirtschaftlichen Fertigung von optischen Glaslinsen darstellt. Hambücker zeigt die elementaren Wechselwirkungen zwischen Glasoberfläche mit Poliermittel und Polierbelag. So kann er nachweisen, dass bei Gläsern, die eine hohe Affinität zu wasserbasierten Poliersuspensionen haben, ein stabiler tragfähiger Flüssigkeitsfilm ausgebildet wird. Dieser hat auch stabile Prozessbedingungen zur Folge. Im entgegengesetzten Fall kann der Flüssigkeitsfilm aufreißen, was zu partiellem Kontakt zwischen Polierbelag und Glasoberfläche führt. Dies hat hohen Belagverschleiß und Prozessinstabilitäten zur Folge. Hambücker weist auch nach, dass die Korrosion des Glaswerkstoffes in wässrigen Medien sowie die Wechselwirkung des Poliermittels mit der Glasoberfläche in Bezug auf das Zerspanverhalten vernachlässigt werden kann. Olaf Dambon baut in der logischen Konsequenz auf den Arbeiten von Hambücker auf und widmet sich der Politur von Stahlwerkstoffen [Damb2005]. Seine zentrale Frage ist, weshalb unterschiedliche Werkzeugbaustoffe unterschiedliches Polierverhalten aufweisen. Er geht außerdem den unterschiedlichen Wirkmechanismen bei der Politur von Stahl nach und erforscht die Frage, weshalb weiche Werkstoffe sich schwieriger polieren lassen als gehärtete Werkstoffe. Dambon kann dieses Verhalten mit Energiemodellen und den daraus ableitbaren Eingriffsbedingungen zwischen Polierkorn und Stahloberfläche erklären. Dambon zeigt, dass bei der Politur von Stahl im Wesentlichen abrasiv bedingte Abnahme- und plastische Ermüdungsmechanismen von Bedeutung sind. Werner Franz Struth widmet sich der Bearbeitung von feinkristallinem Silizium durch Innentrennschleifen [Stru1988]. Das Innentrennschleifen ist ein Fertigungsprozess, bei dem ein gezogener Silizium-Ingot in dünne Scheiben, sogenannte Wafer, getrennt wird. Diese stellen das Ausgangsmaterial für eine anschließende Feinschleifpolieroperation dar, um das Grundsubstrat für die Wafer-Produktion zu erhalten. Beim Innentrennschleifen kommt es technologisch darauf an, nur geringe Störzonen im Werkstoff zu erzeugen und außerdem bereits die Wafer mit einer möglichst hohen Maß-

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und Formgenauigkeit herzustellen. Beim Innentrennschleifen werden Werkzeuge verwendet, die aus einem nur wenige zehntel Millimeter dicken Grundkörper bestehen, der im Innenbereich mit Diamant belegt ist und dessen Steifigkeit durch Spannen in einem Außenring erzeugt wird. Das Verfahren hat eine dominierende Bedeutung zur Herstellung von Wafern bis 10“ Durchmesser und wurde bisher nicht wissenschaftlich untersucht. Struth beweist, dass die Zerspanbedingungen von der Stirnfläche des Schneidbelags bis zu den Flanken einem starken Wechsel unterliegen. Die Untersuchungen von Struth zeigen, dass im Gegensatz zu dem bekannten Kenntnisstand Silizium nicht nur spröde bricht, sondern auch plastisch verformt wird. Dabei ist der Ebenheitsfehler der Wafer im Wesentlichen auf bearbeitungsinduzierte Eigenspannungen zurückzuführen. Die Rundlaufgenauigkeit und Formtreue der Schneidbelagkontur hat einen erheblichen Einfluss auf die Störtiefen. Struth entwickelt deshalb Profilierverfahren, die zu einem minimalen Rundlauffehler und minimalen Störtiefen führen. Mitte der 1980er Jahre werden neue Initiativen gestartet, Funktionskeramiken auch für dynamisch belastete Bauteile im allgemeinen Maschinenbau und in der Fahrzeugtechnik einzusetzen. Dazu müssen auch geeignete Fertigungsverfahren zur Verfügung stehen. In diesem Umfeld entstehen vielfältige Arbeiten, die sich mit den Abtragmechanismen und Fragen zur optimalen Prozessgestaltung bei der Bearbeitung von Keramiken auseinander setzen. Zirkonoxidkeramiken finden z. B. in Armaturen als Steuerscheiben vielfältige Anwendung. Neben Funktionsgeometrien kommt es häufig darauf an, dass die Funktionsflächen in einem engen Toleranzbereich parallel zueinander liegen. Ein Fertigungsverfahren zur Herstellung dieser Funktionsflächen ist das Läppen mit Diamantmikrokörnungen. Patricia Rojas Garces untersucht das Planparallelpolieren von Zirkonoxid [Garc1991]. Ein Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf der Beschreibung der dominierenden Abtragmechanismen, um hieraus Voraussetzungen für ein allgemeines Prozessverständnis aufzubauen. Mit einer systematischen Strukturierung und Definition der vielfältigen Einflussparameter legt sie eine Basis, den Bearbeitungsprozess zielorientierter auszulegen. Rüdiger Haas beschäftigt sich mit der Technologie des Ultraschallschwingläppens von Hochleistungskeramik [Haas1991]. Er entwickelt ein fertigungs- und produktionsgerechtes Maschinenkonzept. In einer theoretischen Analyse des Ultraschallschwingläppens zeigt Haas die Gesetzmäßigkeiten dieser Technologie und fasst die prozessrelevanten und physikalischen Grundlagen zusammen. Er untersucht die Erzeugung und Ausbreitung von Ultraschallschwingungen in Festkörpern, insbesondere im Hinblick auf die den Prozess störenden Schwingungsformen. Im Rahmen seiner Prozessoptimierung kann Haas zeigen, dass die Prozessstellgrößen Schwingungsamplitude, Bearbeitungskräfte und Suspensionseigenschaften einen signifikanten Einfluss haben. Weiterhin verdeutlicht er, dass die Maschineneinstellgrößen Bearbeitungsfrequenz, Schwingungsgüte und Formwerkzeuggeometrie zur gezielten Beeinflussung des Prozesses genutzt werden können. Um eine prozesssichere Bearbeitung für die industrielle Praxis zu realisieren, entwickelt Haas neue Mess-, Rechen- und Regelungsvorschriften zur Prozesskontrolle. Er erweitert die bekannten klassischen Rechenverfahren um Modelle, die eine zuverlässige Auslegung von Leistungsschwingern inklusive Werkzeug

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erlauben. Markus Hilleke widmet sich dem bahngesteuerten Ultraschallschwingläppen. Mit dieser Verfahrenstechnik wird es möglich, nicht mit formgebundenen Werkzeugen arbeiten zu müssen, sondern über eine flexible Steuerung zwischen Werkzeug und Werkstück in weiten Bereichen freie Geometrien zu erzeugen [Hill1997]. Kernbestandteile der Arbeiten sind theoretische und auch experimentelle Arbeiten zu vorherrschenden Materialabtragmechanismen, da die werkstoffspezifischen Eigenschaften ebenso stark in die Prozessmodelle eingehen wie die eigentlichen Prozesskenngrößen. Hilleke legt mit seiner Arbeit ein gesamtheitliches Prozessmodell vor, auf dessen Basis Strategien zur optimierten Prozessführung aufgebaut und implementiert werden können. Nachdem die grundsätzlichen Wirkzusammenhänge beim duktilen Bearbeiten sprödharter Werkstoffe beschrieben und bekannt sind, liegt es nahe, diese Methoden auch bei der Bearbeitung von Ingenieurkeramiken zu nutzen. Der dominierende Einfluss der mittleren Spanungsdicken für das Auftreten von Rissen ist bis dahin bekannt. Die Arbeiten von Kassen und Werner haben grundsätzlich gezeigt, dass beim Hochgeschwindigkeitsschleifen kleinere mittlere Spanungsdicken vorliegen. Wenn man diese kinematisch gegebene Gesetzmäßigkeit mit den werkstoffspezifischen Eigenschaften der Ingenieurkeramik verknüpft, sollten durch Hochgeschwindigkeitsschleifen grundsätzlich erweiterte Möglichkeiten bei der Bearbeitung von Keramiken entstehen. Edgar Verlemann widmet sich deshalb der Prozessgestaltung des Hochgeschwindigkeitsaußenrundschleifens von Aluminiumoxid mit Silizium-infiltriertem Siliziumcarbid. Die Zielsetzung der Arbeit besteht darin, durch den Einsatz von Schnittgeschwindigkeiten bis 120 m/s den Schleifprozess in der Weise zu optimieren, dass bei hohem Zeitspanvolumen auch hohe Oberflächengüten ohne Rissschädigungen erreicht werden. Unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften des Werkstoffs und einer Berechnungsmethodik zur Bestimmung der mittleren Zustellung pro Schneide beschreibt und analysiert Verlemann die Wirkmechanismen bei der Materialabnahme. Zur Modellbildung führt er Einkornritzversuche durch und erweitert sein Modell durch die Betrachtung von Mehrschneideneingriffen [Verl1994]. Verlemann stellt fest, dass die real auftretenden Materialabtragmechanismen weniger durch die Schnittgeschwindigkeit beeinflusst werden, sondern das neben der Spanungsdicke insbesondere die Schneidenform entscheidend dafür ist, ob die Materialabnahme vorwiegend duktil oder im Sprödbruch verläuft. Dies hat Auswirkung auf die Auslegung der Schleifscheiben, denn mit den Hinweisen von Verlemann liegt es nun nahe, schlagzähe/blockige Diamantkornarten zu verwenden. Verlemann zeigt, dass die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Ingenieurkeramiken mit keramisch gebundenen Diamantwerkzeugen bei einer geeigneten Prozessgestaltung erhebliche Verbesserungen der Oberflächenqualität und der Formgenauigkeiten ermöglicht. Mit Eigenspannungsanalysen und Biegebruchtests weist er nach, dass die Bauteilfestigkeit auch bei Anwendung hoher Zeitspanungsvolumen durch die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung nicht negativ beeinflusst wird. Andreas Wagemann befasst sich mit dem Planparallelpolieren von Hochleistungskeramiken [Wage1994]. Auch hier war ein aus dem Markt initiierter dringender Bedarf

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der Antrieb, eine möglichst allgemein gültige Basis zur Prozessauslegung zu schaffen. Durch eine zusammenhängende Betrachtung von Prozesskinematik und Nutanordnung auf der Läppscheibe gelingt es Wagemann, die Vorgänge im Wirkspalt transparent zu machen und Werkzeugauslegungen zu empfehlen. Darüber hinaus zeigt Wagemann, dass das Verschleißverhalten der Läppscheibe insbesondere durch eine homogene Verteilung der Suspension in der Wirkzone beeinflusst wird. Zur qualitativen Beurteilung der Eingriffsverhältnisse stellt Wagemann letztlich ein analytisches Prozessmodell vor. 10.7 Prozessüberwachung in der Feinbearbeitung Überwachungen und Prozessregelungen spielen insbesondere in der Feinbearbeitung eine entscheidende Rolle, weil hier höchste Maß- und Formgenauigkeiten sowie Oberflächengüten angestrebt werden. Aufgrund des Verschleißverhaltens der Werkzeuge, der statistischen Verteilung der Schneiden im Schneidenraum und deren unbestimmter Geometrien ist die Überwachung und Regelung von Prozessen in der Feinbearbeitung besonders anspruchsvoll. Grundsätzlich kann man sagen, dass insbesondere regeneratives Rattern das Auftreten unzulässiger thermischer Randzonenbeeinflussungen und zu hohe mechanische Belastungen bewirkt. Die Verursachungsmechanismen für diese Prozesscharakteristika sind sehr unterschiedlich. Insbesondere bei Fragen zum Werkzeug- und zu Werkstückinitiiertem Rattern muss eine enge Verbindung zwischen Werkzeug, Werkstück und Werkzeugmaschine hergestellt werden. Hierzu sind im Bereich Werkzeugmaschine vielfältige Forschungen durchgeführt worden. Im Bereich der Technologie liegt der Schwerpunkt der Forschung auf den technologischen Voraussetzungen und Initiierungsmechanismen. Eine wesentliche Zielsetzung ist, Prozesse mit vorgegebenen Qualitätskriterien an Leistungsgrenzen zu führen. Dies ist auch heute noch eine aktuelle Zielsetzung, die sowohl aus dem Markt gefordert wird, als auch durch neue Forschungsansätze und neue Lösungen des WZL in den Markt hineingebracht wird. Kennzeichnend ist die Entwicklung von Sensoren und Aktoren sowie die In-Prozessmodellierung und Regelung von Prozessen. Rainer Bierlich erarbeitet in den 1970er Jahren die technologischen Voraussetzungen zum Aufbau eines adaptiven Regelungssystems beim Außenrundschleifen [Bier1976]. Auf der Grundlage der Prozessanalyse werden die maßgeblichen Einflussparameter identifiziert und Zielfunktionen zur Bewertung des Prozessergebnisses entwickelt. Für die identifizierten Einflussparameter stellt Bierlich Sensoren vor und entwickelt entsprechende Prozessmodelle zur Bestimmung von Schnittkräften und Werkzeugverschleiß. Durch experimentelle Untersuchungen validiert er seine Modelle. Ein wesentliches Phänomen, das zum Auftreten von Prozessstörungen beim Schleifen führt, sind spontane Zusetzungen. Durch umfangreiche Versuchsreihen gelingt es, die grundsätzlichen Entstehungsmechanismen von Schleifscheiben-Zusetzungen zu beschreiben. Dennoch ist es schwierig, durch eine gezielte Prozessführung das Zusetzen von Schleifscheiben vollständig auszuschließen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Schleifscheibe verschleißt und/oder wenn langspanende, zähe Werkstoffe geschliffen werden. Hans Lauer-Schmaltz geht deshalb der Frage nach, im Prozess das Zusetzen von Schleifscheiben zu erfassen und rechtzeitig Abrichtprozesse einzuleiten, damit

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Schäden am Werkstück, der Schleifscheibe und der Maschine vermieden werden [Laue1979]. Er entwickelt ein induktives Messsystem, mit dem der Zusetzungsgrad erfasst wird. Auf dieser Basis stellt er einen Zusammenhang zwischen Zusetzung, Prozesskenngrößen und Arbeitsergebnis dar. Lauer-Schmaltz zeigt einen Weg, wie das prozessbedingte Zusetzen der Schleifscheiben durch eine geeignete Prozessstrategie nicht zu unerwünschten Qualitätseinbußen am Werkstück führt. Instationäres Prozessverhalten ist beim Schleifen ein grundsätzliches Problem. Theodor Averkamp widmet sich deshalb dem Außenrundeinstechschleifen, um die negativen Auswirkungen instationärer Einfahrvorgänge zu reduzieren. Averkamp stellt zunächst fest, dass instationäre Prozessverläufe wesentlich durch mangelnde Berücksichtigung der Abrichtbedingungen hervorgerufen werden [Aver1982]. Im Anschluss an die Bewertung vorhandener Systeme werden die zur Überwachung des Abrichtprozesses wichtigen Kenngrößen Abrichtüberdeckungsgrad und reale Abrichtzustellung im Hinblick auf Übergangsverläufe betrachtet. Averkamp benutzt den Körperschall, um hierüber Abrichtbedingungen zu kontrollieren und zu steuern. Auf dieser Basis stellt er ein Modell vor, das die Regelung des Schleifprozess mit beliebiger Stufenaufteilung, unrunden Rohteilen, unterschiedlichen Regelstrategien sowie unter Berücksichtigung nicht linearer Zusammenhänge zwischen Stell- und Messgrößen simuliert. Die Basis dieser Regelung ist ein Prozessmodell, das die Abhängigkeiten zwischen den Prozessstellgrößen und der Normalkraft beschreibt. Eine rechnergestützte Schnittwertoptimierung bedingt mathematische Prozessmodelle. Thomas Netterscheid entwickelt ein Schnittwertoptimierungssystem, das die Forderung nach höherer Beschreibungsgenauigkeit und minimalem experimentellen Aufwand bei der Datenbeschaffung miteinander kombiniert [Nett1984]. Der experimentelle Aufwand zur Erweiterung des selbstlernenden Systems verringert sich umso mehr, je häufiger bereits angepasste Modellfunktionen im Datenpool abgelegt werden. Damit wendet Netterscheid das Prinzip der permanenten Know-how-Erweiterung praktisch an, das auch heute bei unterschiedlichen Problemstellungen eingesetzt wird und später auch unter dem Begriff „Expertensystem“ weiter verfeinert wird. Dynamische Vorgänge beim Außenrundschleifen stehen bei Mahmoud Amin Younis und Heinz Föllinger im Mittelpunkt. Während Younis über eine systematische Variation von Parametern dem Ratterverhalten entgegenwirkt [Youn1972], geht Föllinger auf eine rechnergestützte Simulation zur Analyse des Stabilitätsverhaltens von Schleifprozessen ein. Er wählt einen Modellansatz, mit dem das Übertragungsverhalten des Schleifprozesses und wichtige im Kraftfluss liegende Systemelemente miteinander gekoppelt werden [Föll1985]. Die Materialabnahme wird dabei als zeitkontinuierliche Folge von Ereignissen sich im Eingriff befindlicher einzelner Schneiden definiert. Ausgehend von einer Erfassung der Schleifscheibentopographie durch Tastermessungen werden die thermomechanischen Vorgänge bei der Spanbildung analysiert und schließlich die dynamischen Schleifnormalkräfte modelliert. Innerhalb der Simulation werden dabei sowohl die globalen Änderungen der Schleifscheibentopographie als auch die lokalen Schwankungen der Schneidfähigkeiten der Werkzeuge berücksichtigt. Filiz Memis befasst sich mit der Auslegung unterschiedlicher Prozessführungsvarianten beim Außenrund-Einstechschleifen [Memi1996]. Hierzu gehören Rückzugstrategien

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des Spindelstocks mit konstanter Rückzuggeschwindigkeit, Zwischenausfunken und eine kontinuierlich abnehmende Vorschubgeschwindigkeit. Alle Prozessführungen haben zum Ziel, die sich entspannenden elastischen Verformungen nach dem Schruppen zu überwachen und so zu steuern, dass ein sicherer Abbau der Systemfederung eintritt. Das entwickelte AE-System bietet nahezu für das gesamte Werkstückspektrum des Außenrund-Einstechschleifens eine zeitoptimierte Prozessführung. Durch dieses Vorgehen können die Prozessgrenzen erweitert werden. Zur Sollwertvorgabe werden neuronale Netze eingesetzt. Beim Außenrundlängsschleifen schlanker Werkstücke steht die mechanische Belastung im Vordergrund, weil hierdurch Durchbiegungen erzeugt und Genauigkeitseinbußen ausgelöst werden. Um dieses zu umgehen, wird in der Praxis im Allgemeinen mit kleinen Zeitspanungsvolumen gearbeitet. Ulrich Wünsche widmet sich deshalb dem Außenrundschleifen schlanker Werkstücke [Wüns1992]. Dabei ist zu berücksichtigen, dass beim Längsschleifen mehrere Zerspanzonen mit spezifischen Aufgaben und einem spezifischen Verschleißverhalten zu unterscheiden sind. Um das Prozessverständnis zu fördern, wird ein Simulationsmodell entwickelt, dass eine detaillierte Beschreibung der inneren Zusammenhänge ermöglicht. Dabei wird insbesondere auf die Modellierung des Zerspan- und Verschleißverhaltens Wert gelegt. Das Modell kann ebenfalls verwendet werden, um den im realen Prozess zu erwartenden Durchmesserverlauf zu bestimmen und daraus Strategien zur Kompensation eventuell auftretender Formfehler abzuleiten. Das technologisch schwierigste Problem mit Bezug auf die Herstellung hochqualitativer Bauteile ist das Vermeiden von Schleifbrand. Thomas Klumpen wendet die Acoustic-Emission (AE) an, um Grundlagen und Möglichkeiten für eine automatisierte Schleifbranddetektion zu erforschen [Klum1994]. Dazu betrachtet er zunächst Quellen von AE-Signalen und führt Einkornritzuntersuchungen durch. Dabei werden sowohl die Prozessparameter als auch die Werkstoffe variiert. Im nächsten Schritt überträgt er die aus den Analogieversuchen gewonnenen Erkenntnisse auf reale Schleifprozesse. Mit einem analytischen Modelleinsatz versucht er, aus den erzeugten AE-Signalen Kenngrößen zur Reduktion von Schleifbrand zu gewinnen. Die Arbeiten von Klumpen zeigen auf empirischem Weg, dass mit dem Schallemissionssignal eine thermische Überlastung der Werkstückrandzonen detektierbar ist. Ungeklärt bleibt allerdings die Ursache für diesen Sachverhalt. Wilfried Saxler greift die offene Fragestellung auf und erarbeitet Lösungsstrategien [Saxl1997]. Mit neuartigen Sensoren, die bislang nicht in der Prozessüberwachung beim Schleifen angewendet wurden, können Scher- und Dickenschwingungen an einer Stelle im Werkstück gleichzeitig gemessen werden. Saxler arbeitet die Auswirkungen der die Schleiftemperatur bestimmenden Größen auf die Schallemission heraus. In praktischen Schleifuntersuchungen zeigt er, dass bestimmte Schallemissionskennwerte dann eine geeignete Korrelation zum Auftreten von Schleifbrand aufweisen, wenn sie im Frequenzbereich analysiert werden. Eine aussagefähige Auswertung der Signale im Zeitbereich und daraus abgeleitete Kenngrößen, mit denen sicher das Auftreten von Schleifbrand detektiert werden kann, ist nur in speziellen Anwendungen möglich. Heiko Schlattmeier geht dem Phänomen des Auftretens von Schleifbrand ebenfalls nach.

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Dabei untersucht er im Wesentlichen Phänomene, die beim Zahnflankenprofilschleifen auftreten [Schl2003]. Er zeigt, weshalb bei konventionellen Profilschleiftechnologien in bestimmten Profilbereichen die Gefahr des Auftretens von Schleifbrand besonders groß ist. Um diese aus der Eingriffskinematik abgeleiteten Zusammenhänge schleiftechnisch zu verifizieren, entwickelt er einen Analogietest, mit dem die Eingriffsbedingungen über der Evolvente schrittweise simuliert werden. Schlattmeier entwickelt ein Prozessmodell, in dem gezeigt wird, dass die lokalen Schleifkräfte entlang der Profilkontur stark variieren. Beim Schleifen mit radialer Zustellung werden in der Zahnfußausrundung die höchsten Schleifkräfte errechnet. Wird der Zahnfuß nicht mitgeschliffen, treten die höchsten Kräfte im Bereich des Zahnkopfes auf. Wird allerdings die Schleifscheibe für jeden Schleifschub so profiliert, dass in Richtung der Oberflächennormalen eine konstante Zustellung vorliegt, dann treten die maximalen Schleifkräfte im Bereich der steilsten Profilkontur auf. Dies ist vielfach der Übergangsbereich von der Zahnflanke zum Zahnfuß. Schlattmeier weist nach, dass in den Bereichen, in denen die Schleifkraftkomponenten auftreten, auch die Wahrscheinlichkeit für thermische Gefügeschädigungen am größten ist. Damit gibt Schlattmeier ein Modell an, dass allgemein gültig für das Profilschleifen ist und für mehrstufige Schleifprozesse eine Möglichkeit darstellt, durch geeignete Aufmaßverteilungen Schleifbrand zu vermeiden. Andreas Baus wendet die Methodik der nichtlinearen Zeitreihenanalyse für eine Charakterisierung und Beschreibung von Schleifprozessen an [Baus2002]. Mit Hilfe der Analyse von Kraft- und AE-Signalen aus dem Schleifprozess und der Anwendung der nichtlinearen Zeitreihenanalyse gelingt es Baus, einen charakteristischen Kennwert zu ermitteln, der das Auftreten von Ratterschwingungen anzeigt. 10.8 Planung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen Entscheidend für einen erfolgreichen Transfer neuer Technologien in die Praxis sind neben den technologischen Randbedingungen, die in den vorangegangenen Kapiteln intensiv betrachtet wurden, vor allem auch wirtschaftliche Aspekte. Diesen Aspekten sowie Planungsfragen haben sich am WZL unterschiedliche Forscher gewidmet. Das bestehende Informationssystem INFOS liefert Schnittwerte und technologische Informationen für das Drehen, Bohren und Fräsen. Ernst Böttler setzt sich zum Ziel, unter Berücksichtigung der unterschiedlichen technologischen Gegebenheiten, die Voraussetzung für die Aufnahme der Schleifbearbeitung in dieses System zu schaffen [Bött1979]. Böttler fasst zunächst für eine Vielzahl von Schleifverfahren die grundsätzlichen Zusammenhänge zwischen Arbeitsergebnis, Einstellgrößen und Werkstoffparametern zusammen. Er zeigt quantitative und qualitative Zusammenhänge zwischen Stellgrößen und Ausgangsgrößen. Ausgangsgrößen der Systeme sind Wirtschaftlichkeit und Arbeitsergebnis. Abschließend stellt er ein System vor, mit dem rechnerunterstützt Schnittwerte für das Außenrundschleifen ermittelt werden können. Klaus Henn untersucht Qualität und Kosten beim spitzenlosen Durchlaufschleifen. Im Fokus der Betrachtungen stehen die beiden zentralen Wirkmechanismen Kreisformbildung und Verschleißverhalten sowie deren Abhängigkeit von den verschiedenen Stellgrößen des Prozesses [Henn1984]. Henn kann zeigen, dass der Komplex

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Kreisformbildung im Wesentlichen durch die Überschliffzahl und Zustellung bestimmt wird sowie von dem zu Beginn vorliegenden Kreisformfehler abhängt. Henn stellt ebenfalls ein Verschleißmodell vor, in dem er Verschleißvolumen, Belastungsdauer und -höhe miteinander in Beziehung setzt. Hierauf baut er eine Kostenanalyse beim spitzenlosen Durchlaufschleifen auf. Jobst Görne beschäftigt sich speziell mit der Modellierung und der Prozessauslegung beim Schrägeinstechschleifen [Görn1986]. Das Schrägeinstechschleifen ist ein Schleifverfahren für die Massenfertigung. Hier kommt es insbesondere auf hohe Produktivität an. Andererseits ergeben sich durch den Schrägeinstich häufig besonders kritische Eingriffsbedingungen, insbesondere bei der Bearbeitung von Planschultern. Der grundlegende Ansatz von Görne basiert auf der sektoriellen Beschreibung der Schleifscheibe und der Werkstückoberfläche sowie einer sich anschließenden Analyse der mit den Schneidebahnen korrespondierenden Eindringlinien. Görne berücksichtigt auch die elastischen Eigenschaften der Schleifscheiben. Er stellt fest, dass sich die mittlere Steifigkeit auf den strukturellen Aufbau der Schleifscheibe zurückführen lässt. Markus Knop führt ebenfalls Arbeiten zur technologischen und wirtschaftlichen Optimierung des Außenrundschleifens durch [Knop1989]. Bei ihm stehen Abrichteinflüsse und Temperaturberechnungen im Mittelpunkt, um anschließend Zeit- und Kostenaufwände zu minimieren. Dabei soll der versuchstechnische Aufwand für den industriellen Systemansatz möglichst gering sein. Knop entwickelt verschiedene Komponenten, mit denen der Aufbau eines rechnerintegrierten Systems zur automatisierten Bestimmung optimaler Maschineneinstellgrößen möglich wird. Er stellt einen Modifikationsalgorithmus zur Verfügung, mit dem die Übertragung ausgewählter Schleifscheibenwerkstückkombinationen auch auf andere Kombinationen mit ausreichender Genauigkeit möglich wird. Auch beim Ultraschallschwingläppen keramischer Werkstoffe müssen Wege zur Prozessoptimierung und Prozessüberwachung gefunden werden. Dieser Aufgabe widmet sich Christof Bönsch. Ausgehend von einer praktischen Prozessanalyse arbeitet er heraus, dass sowohl der Druck als auch die Schwingungsamplitude die bestimmenden Einflussgrößen des Prozesses sind [Böns1992]. Beide Größen stehen miteinander in Wechselwirkung und beeinflussen die erreichbaren Abtragraten sowie den Werkzeugverschleiß. Die Oberflächengüte ist demgegenüber wesentlich von den Eigenschaften des Materials abhängig. Über die Entwicklung eines Einkornmodells, dessen Überführung in ein Mehrkornmodell und anschließende Prozesssimulation verdeutlicht Bönsch die Bedeutung der Arbeitsspalte. Es gelingt ihm außerdem, die möglichen Abtraggeschwindigkeiten für typische Anwendungsfälle hinreichend genau zu prognostizieren. Die Grenzen der Modellierung liegen in der Berücksichtigung der geometrischen Vielfalt sowie der Ausführung des Formzeug- und Kornverschleißes. Ein weiterer wichtiger Einflussbereich ergibt sich aus der Werkstoffcharakteristik. Bönsch entwickelt für die vorgegebenen Rahmen- und Randbedingungen eine Prozessüberwachung, um die Automatisierbarkeit des Verfahrens zu erhöhen. Dazu nutzt er AE-Signale und zeigt Möglichkeiten, wie aus diesen Prozesskenngrößen Prozessstörungen frühzeitig erkannt und durch geeignete Anpassung der Prozessparameter vermieden werden können.

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FRITZ KLOCKE, CHRISTOPH ZEPPENFELD

Gunnar Trommer beschäftigt sich mit einer konstruktionsbegleitenden Methodik zur Generierung und Bewertung alternativer Fertigungsfolgen [Trom2001]. Trommer geht einem marktgetriebenen Bedarf nach, der darin besteht, durch Kombination verschiedener Fertigungsprozesse vorgegebene Bauteilqualitäten oder auch Wirtschaftlichkeitsqualitäten sicher zu erreichen. Er betrachtet nicht nur die Fähigkeiten einzelner ausgewählter Fertigungsprozesse, sondern berücksichtigt die Wechselwirkung unterschiedlicher Fertigungsprozesse untereinander. Sein Ziel ist es, mit einer Planungsmethodik der Konstruktion Möglichkeiten an die Hand zu geben, für eine gegebene Fertigungsaufgabe die richtige Fertigungsfolge auszuwählen. Vor diesem Hintergrund stellt Trommer eine durchgängige Planungsmethodik vor, die die konstruktionsbegleitende Generierung und Bewertung von Fertigungsfolgen erlaubt. Er berücksichtigt dabei, dass zu Beginn des Konstruktionsprozesses vorliegende Informationen unscharf sind und im Laufe der Konstruktion bzw. Detaillierung an Schärfe gewinnen. Mit dem vorgestellten Modell wird es möglich, bereits in der Prozessplanungsphase die Auswahl der technologisch und wirtschaftlich-organisatorisch am besten geeigneten Fertigungsalternativen sichtbar zu machen und sie einer kontinuierlichen Bewertung zu Verfügung zu stellen. Die von Trommer vorgestellte Planungssystematik orientiert sich ausschließlich an technologischen Rahmen- und Randbedingungen sowie frei bestimmbarem Kosten-, Produktivitäts- und Genauigkeitskriterien. Häufig sind aber bestimmte unternehmensseitige Restriktionen fest vorgegeben, z. B. durch vorhandene Maschinenanlagen, Handhabungseinrichtungen und den Werkstückfluss. Deshalb geht Markus Fallböhmer den Weg, unternehmensunabhängige Technologieketten mit einer allgemeingültigen Systematik auf unternehmensseitige Randbedingungen anzupassen [Fall2000]. 10.9 Derzeitige Forschungsaktivitäten Trotz der umfangreichen Forschungsarbeiten der letzten Jahrzehnte auf dem Gebiet der Schleiftechnik sind noch viele Fragen unbeantwortet und viele Herausforderungen existent. Im Bereich des Außenrund-Hochgeschwindigkeitsschleifens mit cBNSchleifscheiben untersucht Bastian Maier die Wirkmechanismen im tribologischen Kontakt Schleifscheibe – Kühlschmierstoff – Werkstoff in Abhängigkeit unterschiedlicher Basisflüssigkeiten und Additivierungen mit dem Ziel, den Kühlschmierstoff für die jeweilige Bearbeitungsaufgabe anwendungsgerecht auszulegen. Andreas Pampus erforscht im Rahmen seiner Untersuchungen zur kombinierten Hartendbearbeitung durch Hartdrehen, Schleifen und Hartglattwalzen neue Kennwerte, die erstmals eine umfassende funktionale Beschreibung der erzeugten Oberflächen erlauben. Im Bereich des Flachschleifens führt Holger Gröning die Arbeiten zur Schleifbearbeitung schwer zerspanbarer Nickel- und Titanwerkstoffe fort. Bei der innovativen Technologie des Schnellhubschleifens erforscht Zwi Nachmani, wie sich das dynamische Verhalten des Schleifsystems und hier insbesondere die Dämpfungseigenschaften der Schleifscheiben auf das Prozessverhalten und das Arbeitsergebnis auswirken. Die Arbeiten zum spitzenlosen Schleifen werden von Bernd Meyer fortgeführt, der neue Simulationsansätze zur Prozessbeschreibung und -analyse entwickelt. Barbara Linke erforscht erstmals die Wirkmechanismen beim Abrichten mit Diamantformrollen auf nanoskopischer

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Ebene mit Hilfe von Elektronenstrahl-Mikroanalysen (ESMA) und der TransmissionsElektronen-Mikroskopie (TEM) und führt damit die Arbeiten von Stuff und Schulz fort. Hagen Wegner entwickelt aufbauend auf den Arbeiten von Trommer und Fallböhmer neue Planungsmethodiken zur Generierung und Bewertung von Technologieketten und widmet sich dem Aufbau von Datenbanken und der Erstellung von Softwaretools zur optimierten Auslegung von Schleifprozessen.

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Dynamisches Verhalten von Werkzeugmaschinen (ab 1954) MARTIN ESSER, SEVERIN HANNIG, MANFRED WECK

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MARTIN ESSER, SEVERIN HANNIG, MANFRED WECK

Gliederung 11.1 Einleitung 11.2 Dynamisches Verhalten von Dreh- und Fräsprozessen 11.3 Dynamisches Verhalten von Schleifprozessen 11.4 Systeme zur Schwingungsanregung und -dämpfung 11.4.1 Wechselkrafterreger 11.4.2 Aktive und passive Zusatzsysteme 11.5 Untersuchung der Dämpfung in Führungen und Fügestellen 11.6 Mess- und Auswerteverfahren

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11.1 Einleitung Das dynamische Nachgiebigkeitsverhalten zwischen Werkzeug und Werkstück bestimmt in hohem Maße die Ratterempfindlichkeit der spanenden Werkzeugmaschinen. Die grundlegenden Erkenntnisse in die komplexen Zusammenhänge dieser Art von Instabilität werden Anfang der 1960er Jahre in zwei internationalen Forschungsprojekten erarbeitet, die von der Aerospace Research „United States Air Force“ finanziert werden. Das erste Projekt läuft unter der Bezeichnung „Chatter Behaviour of Heavy Machine Tools“ und das Folgevorhaben lautete „Effect and Control of Chatter Vibrations in Machine Tool Processes“. Der Hintergrund für diese Forschungsaktivitäten ist der erste umfangreiche Einsatz von Bohr- und Fräsewerken in der Luft- und Raumfahrtindustrie, da hier bei der Teilebearbeitung Ratterschwierigkeiten auftreten. Insbesondere sollen Abnahmebedingungen formuliert werden. Es stellt sich beim praktischen Einsatz dieser Maschinen nämlich heraus, dass die von der Arbeitsvorbereitung geplanten und in NC-Teileprogrammen implementierten Steuerungsbefehle von den Maschinen in den meisten Fällen nicht umgesetzt werden können – die Maschinen rattern. Ziel der Projekte ist es, die Grundlagen dafür zu schaffen, die ratterfreien Schnittbedingungen vorherbestimmen zu können bzw. die Maschinenschwachstellen, die zum Rattern führen, gezielt beseitigen zu können. An beiden internationalen Projekten sind Hochschulinstitute der Universitäten von Cincinnati, Birmingham, München und Aachen sowie Werkzeugmaschinenfirmen wie Cincinnati Milling and Grinding Machines und Ingersoll beteiligt. In diesen Projekten entwickelt man auch die messtechnischen Instrumente zur Untersuchung von Werkzeugmaschinen. Hierzu zählen die elektrohydraulischen Erreger, die Frequenzganganalysatoren auf stochastischer Signalbasis (HP-Software durch die University of Cincinanti) sowie auf Analogrechnerbasis durch das WZL. Mit diesen erarbeiteten Erkenntnissen hat sich am WZL eine schlagkräftige Dynamikabteilung aufgebaut, die bis heute besteht. Es gibt wohl kein anderes Institut, das sich über lange Zeit so intensiv mit den Ratterschwingungen an Werkzeugmaschinen auseinandergesetzt und die Forschung auf diesem Gebiet vorangebracht hat. Dies gilt nicht nur für die spanenden Verfahren mit geometrisch bestimmten Schneiden, sondern auch für die Schleifprozesse. 11.2 Dynamisches Verhalten von Dreh- und Fräsprozessen Mitte der 1950er Jahre veröffentlicht Kurt Bäuml [Bäum1956] eine Arbeit zu Schwingungen im Fräsprozess. Er betrachtet abweichend von späteren Arbeiten die Drehschwingungen im Antriebsstrang der Frässpindel als Hauptursache von Rattermarken auf dem Werkstück. Um die dynamischen Anteile der Fräserverdrehung messtechnisch bewerten zu können, entwickelt er einen kapazitiven Drehschwingungsaufnehmer (Abb. 11.1), der zwischen Spindel und Werkzeug installiert wird und bei einer Verdrehung der beiden Komponenten zueinander über die Verschiebung von kreisförmig angeordneten Kondensatorplatten seine Kapazität ändert. Beim Einsatz von Fräsern mit unterschiedlichen Zähnezahlen kann unter Beibehaltung aller anderen Parameter die Zahneingriffsfrequenz systematisch variiert werden.

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Abb. 11.1 Kapazitiver Drehschwingungsaufnehmer [Bäum1956]

Jeder Zahneingriff regt im Prozess eine Torsionsschwingung im Fräserantriebsstrang an, deren Amplitude mit Hilfe des neuen Messinstrumentes bewertet wird. Die Resonanzfrequenz des Antriebs lässt sich auf diese Weise bestimmen. Bei der Variation der Antriebskinematik (Keilriemen- bzw. Stirnradübertragung mit oder ohne Vorgelege sowie Schneckenradübertragung) stellt Bäuml fest, dass sich die Resonanzfrequenz des Systems dann gut bestimmen lässt, wenn eine Komponente besonders nachgiebig ist. Wolfgang Hölken [Hölk1957] baut seine Forschungsarbeiten auf damals schon vorhandenen Erkenntnissen zur Theorie des regenerativen Ratterns auf. Beim Regenerativeffekt, der in den meisten Fällen die Ursache für dynamische Prozessinstabilität ist, werden die Schwingungen durch die Wechselwirkung zwischen Maschinenstruktur und Prozessverhalten aufrecht gehalten. Hierbei wird die Maschine bereits durch kleine Anregungen in ihren Eigenfrequenzen zum Schwingen gebracht. Schwingungen mit diesen Eigenfrequenzen bilden sich als Welligkeit auf der Oberfläche des Werkstücks ab. Ein erneutes Einschneiden des Werkzeuges in diese Welligkeit, z. B. beim Drehen nach einer Werkstückumdrehung, bedeutet wiederum eine dynamische Anregung der Maschine in der Maschineneigenfrequenz. Ob sich diese Welligkeiten nun verstärken oder nach einer Anregung abklingen, hängt von einer Reihe von Einflussfaktoren ab. Hierzu zählen die Größe der dynamischen Schnittkraftschwankungen, das relative dynamische Nachgiebigkeitsverhalten zwischen Werkzeug und Werkstück und der vorliegende Zerspanprozess sowie die Eigenschaften des bearbeiteten Werkstoffes. Dieser Entstehungsmechanismus kann als geschlossener Regelkreis aufgefasst werden, bei dem die Maschinenstruktur im Vorwärtszweig und das Prozessverhalten in der Rückkopplung liegen. Die während dieser Schwingungen auftretende dynamische Spandickenänderung verändert auch die Schnittkraft.

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Mittels des Stabilitätskriteriums von Nyquist, angewandt auf das Regelkreismodell des Regenerativeffekts, lässt sich der negative Realteil der Übertragungsfunktion des Regelkreises als entscheidende Einflussgröße auf die Prozessstabilität festlegen. Ausgerichtet auf eine Reduktion dieser Größe legt Hölken einen federnden Einstechmeißel aus, der nach dem Schwanenhalsprinzip konstruiert ist und zusätzlich ein Dämp-

Abb. 11.2 Gedämpfter Werkzeughalter für die Drehbearbeitung [Hölk1957]

fungselement enthält (Abb. 11.2). Mit Hilfe eines solchen Werkzeugs kann die erreichbare Zerspanleistung im Schruppschnitt beim Drehen erheblich gesteigert werden, indem das Rattern durch das veränderte Werkzeugverhalten und den entsprechend reduzierten Realteil der Übertragungsfunktion verhindert wird. Die folgenden wissenschaftlichen Arbeiten stammen aus den in der Einleitung zu diesem Kapitel erwähnten United States Air Force-Projekten. Die Anwendung der Rattertheorie auf den Fräsprozess bei Schwerwerkzeug-maschinen untersucht Heinz Günter Geiger [Geig1965]. Nach den ausführlichen messtechnischen Ermittlungen des statischen und dynamischen Nachgiebigkeitsverhaltens einer Portalfräsmaschine führt er Ratterversuche durch, gleicht experimentell ermittelte Stabilitätskarten mit Berechnungsergebnissen ab und bestätigt hier die vorhandenen theoretischen Rechenmodelle. Einschränkend betont Geiger, dass die Berechnung der Stabilitätsgrenze mittels der genutzten analytischen Methode nur dann sicher erfolgen kann, wenn die Maschinenstruktur sehr ausgeprägte und voneinander unabhängige Schwingungsformen aufweist. Dieser Hinweis unterstreicht die Bedeutung von Verifikationsversuchen unter realitätsnahen Bedingungen. Ratterexperimente auf Schwingtischen, die ausgeprägtes Einmassenschwingerverhalten zeigen, können deshalb nicht zur endgültigen Verifikation von analytischen Stabilitätsberechnungen herangezogen werden.

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Ernst Ulrich Dregger [Dreg1966] weist die positive Wirkung eines ungleich geteilten Fräsers auf den Regenerativeffekt nach. Für die Auslegung eines solchen Werkzeuges erweitert er die Rechenmodelle für die Stabilitätsberechnung und kann so die Veränderung der Stabilitätsverläufe abschätzen und die Fräserteilung optimieren. Abbildung 11.3 zeigt die Stabilitätskarten für gleiche und ungleiche Teilung übereinander. Hier ist auf der Abszisse die Fräserdrehzahl dargestellt, die Ordinate gibt die bei den jeweiligen Drehzahlen stabil erreichbare bezogene Schnitttiefe an. Die höher liegende Stabilitätsgrenze zeigt hier den potenziellen Nutzen der Ungleichteilung. Horst Roese [Roes1967] hebt die kinematischen Unterschiede zwischen Dreh- und Fräsprozess hervor. In den vorherigen Arbeiten wird die Lage der Schnittkraft zur Stabilitätsberechnung über der Fräserdrehung gemittelt, um das für den Drehprozess entwickelte Berechnungsmodell nutzen zu können, das eine konstante Schnittkraftrichtung voraussetzt. Je größer jedoch der Fräsbogen ist, desto stärker rotiert die

Abb. 11.3 Stabilitätskarte mit gleich- und ungleichgeteilten Fräsern [Dreg1966]

Schnittkraftrichtung während der Fräserumdrehung und muss für die Stabilitätsbetrachtung berücksichtigt werden. Entsprechend führt Roese die zeitabhängigen Richtungsfaktoren ein und bildet das Modell mit zwei sich gegenseitig beeinflussenden Regelkreisen in einem Analogrechner ab. So kann hier erstmalig, wenn auch mit großem rechentechnischen Aufwand, ein ebener Fräsprozess mathematisch exakt wiedergegeben werden. Diese Methodik wird Ende der 1960er Jahre von Franz Bernardi [Bern1969] weiterentwickelt und für die Nutzung am dann zur Verfügung stehenden Digitalrechner vorbereitet. Es wird hier erstmalig Software entwickelt, die nach der Eingabe der relevanten Parameter eine fertige Stabilitätskarte berechnet und ausgibt. Bernardi führt dazu den Begriff der gemittelten Richtungsfaktoren ein.

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In seiner Habilitationsschrift greift Manfred Weck die Arbeiten auf dem Gebiet der Ratterforschung noch einmal auf und stellt heraus, dass die Stabilitätsanalyse eines der wichtigsten Beurteilungskriterien für die Leistungsfähigkeit von Werkzeugmaschinen ist. Um das dynamische Maschinenverhalten als Eingangsgröße für umfassende rechnerische Stabilitätsanalysen messtechnisch sicher und wiederholbar erfassen zu können, vergleicht und beurteilt er existierende Messstandards. Durch die aus den Ergebnissen dieser Untersuchung abgeleiteten, im Rahmen der Arbeit neu entwickelten Beurteilungsverfahren, wird die Voraussetzung für die Durchführung objektiver Abnahmetests für Werkzeugmaschinen geschaffen.1 Georg Werntze [Wern1973] betrachtet noch einmal die Grundlagen des Rattermodells und widmet sich der genauen Untersuchung des dynamischen Prozessverhaltens als zweite wichtige Eingangsgröße der Stabilitätsberechnung. Er konstruiert hierfür einen Prüfstand (Abb. 11.4), mit dessen Hilfe es möglich ist, einen Drehmeißel im Schnittprozess definiert zum Schwingen anzuregen und die durch die so eingebrachte Spandickenänderung verursachte Schnittkraftänderung zu messen.

Abb. 11.4 Prüfstand zur Bestimmung der dynamischen Schnittkraftkoeffizienten [Wern1973]

Die Parameter der dynamischen Spandickenänderung beim Rattern schließen die Schnittüberdeckung, die prozessbedingte Totzeit bis zum Wiedereinschneiden und die Schnittbreite ein. Mit Hilfe des von Werntze gemessenen komplexen dynamischen

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Manfred Weck: Dynamisches Verhalten spanender Werkzeugmaschinen: Einflußgrößen, Beurteilungsverfahren, Messtechnik. Habilitationsschrift, Aachen 1971.

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Schnittkraftkoeffizienten lässt sich dann der Betrag und die Phasenverschiebung der resultierenden dynamischen Schnittkraft bestimmen. In späteren Arbeiten werden allerdings häufig zur rechentechnischen Vereinfachung des Modells wieder proportionale Zusammenhänge zwischen dynamischer Spandicke und Schnittkraft angewandt. Die entwickelten Modelle werden noch heute genutzt. Infolge der rasanten Weiterentwicklung der Rechnersysteme hat sich jedoch die Art der Implementierung grundlegend geändert. Christian Beer [Beer1994] nutzt die erhöhte Rechenleistung und führt die Stabilitätsermittlung anhand des Regelkreises nicht mehr mit Hilfe analytischer Stabilitätskriterien, sondern in einer numerische, zeitbasierten Simulation durch. Das Modell der konstanten gemittelten Richtungsfaktoren ist bei Werkzeugen mit wenigen Schneiden wie Schaftfräsern nicht mehr haltbar. Hier müssen zeitvariable Richtungsfaktoren Anwendung finden, was durch die hohe verfügbare Rechenleistung ermöglicht wird. Außerdem erlaubt eine Aufteilung des Fräsers in axiale „Scheiben“, stark gedrallte und verrundete Schaftfräser – und bei entsprechenden Eingabemöglichkeiten sogar beliebige Fräsergeometrien – zu berücksichtigen. Beer nutzt diese Möglichkeit zur Generierung von NC-Bearbeitungsprogrammen, bei deren Erstellung die richtungsabhängige dynamische Leistungsfähigkeit der Maschine mit berücksichtigt und optimal ausgenutzt wird. Einen weiteren Vorstoß zur Dämpfung der im Fräsprozess auftretenden Schwingungen unternimmt Markus Krell [Krel2003]. Speziell für lang auskragende Fräs- und Ausdrehwerkzeuge entwickelt er eine Werkzeugaufnahme, die ein Federelement und einen radial wirkenden Squeeze-Film-Dämpfer enthält. Ähnlich dem Schwanenhals-Werkzeug von Hölken wird hier die dynamische Nachgiebigkeit des Halters so verändert, dass bei sonst gleichen Schnittparametern durch die höhere Dämpfung größere Zerspanraten möglich sind. Das Prinzip des gedämpften Werkzeughalters wird zum Patent angemeldet und inzwischen von verschiedenen Werkzeugherstellern erprobt. Die in der Vergangenheit aufgestellten Theorien und Modelle werden durchweg anhand von Verifikationsversuchen überprüft. In einem Großteil der Arbeiten kann so eine allgemeine Gültigkeit der Modelle für die damals relevanten Schnittprozesse gezeigt werden. In letzter Zeit stellt sich jedoch heraus, dass die entwickelten Methoden der Stabilitätsberechnung beim Hochgeschwindigkeitsfräsen teilweise nicht das tatsächliche Ratterverhalten wiedergeben. Aus diesem Grund werden in aktuellen Arbeiten von Martin Esser sowohl das dynamische Verhalten des Hochgeschwindigkeitszerspanprozesses als auch das dynamische Verhalten der Maschinenstruktur in für die HSC-Bearbeitung typischen hohen Frequenzbereichen untersucht. Ebenso werden die Einflüsse moderner Leichtbauwerkstoffe auf Aluminium- und Titanbasis untersucht. Durch entsprechend ermittelte dynamische Schnittkraftkoeffizienten und Modellanpassungen kann so die Gültigkeit bestehender Stabilitätsberechnungsmethoden erweitert werden. 11.3 Dynamisches Verhalten von Schleifprozessen Als Endbearbeitungsverfahren kommt dem Schleifen eine wesentliche Bedeutung bei der Erzeugung einer hohen Oberflächenqualität zu. Den ständig steigenden Qualitätsanforderungen stehen die Forderungen nach kurzen Durchlaufzeiten und nied-

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rigen Fertigungskosten gegenüber. Die zeit- und kostenoptimierte Auslegung der Technologieparameter führt jedoch häufig zu Instabilitäten beim Zusammenwirken des dynamischen Maschinenverhaltens mit den eingestellten Zerspanparametern. Eine sichere Prozessführung bis an die Stabilitätsgrenze erfordert die Kenntnis der dynamischen Wirkzusammenhänge des Systems Maschine – Schleifscheibe – Werkstück. Dieser Aufgabe stellt sich das WZL schon in den 1950er Jahren. In Analogie zu Dreh- und Fräsprozessen kann auch beim Schleifen zwischen fremd- und selbsterregten Schwingungen unterschieden werden, welche zu einer Form- und Maßabweichung des Werkstücks bzw. zu einer schlechten Oberflächenqualität führen. Während sich fremderregte Schwingungen aufgrund ihrer zeitlichen Konstanz (eine gleich bleibende Anregung wird vorausgesetzt) in der Praxis meist leicht ermitteln lassen, stellen sich die Wirkzusammenhänge, die beim Schleifen zu selbsterregten Schwingungen führen, ungleich komplexer dar und sind daher Inhalt zahlreicher am WZL durchgeführter Forschungsarbeiten. Besondere wissenschaftliche Herausforderungen bilden in diesem Zusammenhang die Modellierung der geometrischen Eingriffsverhältnisse im Schleifspalt, die Abbildung der dynamischen Nachgiebigkeit der Maschinenstruktur und der Schleifscheibe in der Kontaktzone, die Berücksichtigung des Schleifscheibenverschleißes sowie die Erforschung des Zusammenhangs zwischen den prozessbedingten, dynamischen Schnittkräften und der relativen Verlagerung zwischen Schleifscheibe und Werkstück. Besonders schwierig gestaltet sich die Modellierung des Schleifprozesses aufgrund der gegenüber Dreh- und Fräsprozessen zeitlich wesentlich langsameren Welligkeitsausbildung. Hinzu kommt, dass die Welligkeiten auf der Werkstückoberfläche oftmals lediglich optisch sichtbar, jedoch nur schwer messbar sind und gleichzeitig verschleißbedingt auch auf der Schleifscheibe auftreten können. Eine der grundlegenden Arbeiten, in denen die theoretischen Zusammenhänge zur modellmäßigen Beschreibung der Instabilitätserscheinungen beim Schleifen erarbeitet werden, stammt von Mahmoud Amin Younis [Youn1972]. In seiner Dissertation stellt er in Analogie zu Dreh- und Fräsprozessen den Schwingungsvorgang als mathematisches Modell in Form eines geschlossenen Wirkungskreises dar. Die relative Gesamtverlagerung an der Zerspanstelle unterteilt er dabei in den Verlagerungsanteil aufgrund der Maschinennachgiebigkeit, in die durch die Verformung in der Kontaktzone der Schleifscheibe erzeugte Verlagerung und in den Verlagerungsanteil aufgrund des Schleifscheibenverschleißes. Abbildung 11.5 zeigt diese später von Norbert Klotz [Klot1986] anschaulich dargestellten Zusammenhänge. Aufbauend auf den Arbeiten von Younis befasst sich Karl Heinz Schiefer [Schi1980] mit der detaillierten Beschreibung der komplexen Eingriffsverhältnisse im Schleifspalt und verbessert den Modellansatz des dynamischen Schleifprozessverhaltens damit wesentlich. Abbildung 11.6 zeigt den von Schiefer erweiterten Wirkungskreis für die Stabilitätsbetrachtung von Schleifprozessen. Im Vorwärtszweig des Wirkungskreises liegt die Nachgiebigkeit der Maschine GM, die spezifische Kontaktnachgiebigkeit der Schleifscheibe GS und der spezifische Schleifscheibenverschleiß G’SW. Durch die Totzeitglieder TW und TS lässt sich der periodische Wiedereintritt der bearbeiteten Werkstückoberfläche bzw. der verschleißbehaf-

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Abb. 11.5 Modell zur Bestimmung der Systemnachgiebigkeitsverhalten des Schleifprozesses [Klot1986]

Abb. 11.6 Geschlossener Wirkungskreis zur Analyse von regenerativen Ratterschwingungen beim Schleifen [Schi1980]

teten Schleifscheibenoberfläche in die Kontaktzone berücksichtigen, wodurch zwischen dem Auftreten des schleifscheiben- und des werkstückseitigen Regenerativeffektes unterschieden werden kann. Schiefer beschreibt den wesentlichen zeitlichen Einfluss auf die Welligkeitsausbildung und erkennt die Notwendigkeit, den gesamten Schleifprozess im Zeitbereich zu simulieren. Aufgrund der Einschränkungen der zu dieser Zeit verfügbaren Digitalrechner ist es ihm noch nicht möglich, Variationsrechnungen zur Stabilitätsanalyse mit vertretbaren Rechenzeiten durchzuführen. Schiefer bedient

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sich daher der wesentlich schnelleren Simulationsrechnungen im Frequenzbereich. Die Eingriffsverhältnisse zwischen Schleifscheibe und Werkstück werden von ihm durch die dynamische Kontaktlängenänderung beschrieben. Mit dieser Modellvorstellung befasst sich auch Norbert Klotz [Klot1986]. Seine experimentellen Untersuchungen führen zu dem Ergebnis, dass sich je nach Schleifscheibenhärte und Schnittbedingungen die geometrische und die tatsächliche Kontaktlänge oftmals wesentlich unterscheiden. Daher verfeinert Klotz das bestehende Prozessmodell dahingehend, dass er die Schnittkraftschwankungen durch das dynamische Zeitspanungsvolumen beschreibt. Auf der Basis umfangreicher messtechnischer Untersuchungen an Schleifmaschinen unterschiedlicher Hersteller und Bauart ermittelt er zusätzlich Kriterien zur Gesamtbeurteilung des statischen und dynamischen Verhaltens von Schleifmaschinen, welche in Form einer Messvorschrift festgelegt werden. In den folgenden Jahren werden die Zusammenhänge zwischen dem dynamischen Nachgiebigkeitsverhalten der Maschine und den beim Schleifprozess auftretenden selbsterregten Schwingungen von Werner Folkerts [Folk1993] weiterführend untersucht. Den Schwerpunkt bildet seine experimentelle Ermittlung der statischen und dynamischen Nachgiebigkeit der Schleifscheibe in Abhängigkeit der Schleifscheibenspezifikation und der geometrischen Eingriffsverhältnisse. Auf der Grundlage eingehender analytischer Betrachtungen entwickelt Folkerts das sogenannte Grenzphasenkriterium für den Einstechschleifprozess, mit dem sich bei Kenntnis des Phasenfrequenzgangs der relativen dynamischen Maschinennachgiebigkeit eine Aussage über die Stabilität des Schleifprozesses treffen lässt. Abbildung 11.7 zeigt den Verlauf des Grenzphasenwinkels am Beispiel einer Außenrundschleifmaschine. Schneidet die Grenzphasenkurve den Phasenfrequenzgang der Maschinennachgiebigkeit, so ist die notwendige Bedingung für das Auftreten der regenerativen Ratterschwingungen erfüllt. Hierbei kommt es zu Welligkeitsbildungen auf dem Werkstück. Schneidet hingegen, wie in Abbildung 11.7 gezeigt, nur der zweite Ast der Grenzphasenkurve, können nur Welligkeiten auf der Schleifscheibe entstehen. Eine geschlossene Simulation der dynamischen Eigenschaften des Gesamtsystems Maschine – Schleifscheibe – Werkstück im Zeitbereich wird erstmals von Jörg Alldieck [Alld1994] durchgeführt. Unter Berücksichtigung der verschiedenen Übertragungsblöcke des bestehenden Wirkungskreises entwickelt er eine rechnergestützte Simulation, welche die Vorhersage der im zeitlichen Verlauf des Einstechschleifprozesses auftretenden Schwingungserscheinungen ermöglicht. Neben der zeitlichen Entwicklung der Schwingungen und damit der Prognose der Prozessstabilität lassen sich mit Hilfe seines Simulationswerkzeugs die Oberflächenwelligkeiten auf dem Werkstück und der Schleifscheibe berechnen. Aufbauend auf den Forschungsarbeiten zu den Eingriffsverhältnissen beim Einstechschleifen entwickelt Norbert Hennes [Henn1998] ein zeitbasiertes Simulationsmodell für den Längsschleifprozess. Experimentell kann er nachweisen, dass sich beim Längsschleifen mit zylindrischer Schleifscheibe Verschleißstufen auf der Schleifscheibe ausbilden. Auf Basis dieses Phänomens stellt Hennes das dynamische Verhalten des Längsschleifprozesses in Form eines Wirkungskreises als Parallelschaltung mehrerer Einstechschleifprozesse dar, wobei jeder einzelne Einstechschleifprozess das Ver-

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Abb. 11.7 Bewertung der Systemnachgiebigkeit mittels Grenzphasenkriterium [Folk1993]

halten einer Schleifscheibenstufe wiedergibt. Damit kann Hennes erstmals die sogenannten Drallmuster, eine Form der Oberflächenschädigung beim Längsschleifen, simulieren. Dank der Forschungsaktivitäten des WZL gelingt die ganzheitliche Modellierung des dynamischen Systemverhaltens für die industriell am häufigsten eingesetzten Schleifverfahren, das Außenrundeinstechschleifen und das Längsschleifen. In Anbetracht der Rechengeschwindigkeiten moderner Computer bietet die zeitbasierte Simulation des Einflusses verschiedener Maschinenstellgrößen auf die Stabilität des Schleifprozesses heute eine Alternative zur konventionellen Prozessoptimierung durch zeitund kostenintensive experimentelle Versuchsreihen. 11.4 Systeme zur Schwingungsanregung und -dämpfung 11.4.1 Wechselkrafterreger Die Forderungen im Werkzeugmaschinenbau nach großer Zerspanleistung und hoher Arbeitsgenauigkeit verlangen neben einer hohen Führungsgenauigkeit und geringer Temperatureinflüsse vor allem eine hohe statische Steifigkeit und ein ausgegliche-

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nes dynamisches Nachgiebigkeitsverhalten der Maschinenstruktur. Zur messtechnischen Untersuchung von Werkzeugmaschinen sind kräftige und robuste Relativerreger mit einer ausreichenden Bandbreite (bis 500 Hz) notwendig. Im Rahmen der bereits erwähnten Zusammenarbeit mit der United States Air Force entwickelt Ernst Rehling [Rehl1965] elektro-hydraulische Erreger, welche in ihrer ursprünglichen Konstruktion bis heute bei den Untersuchungen von Werkzeugmaschinen Anwendung finden. Der in Abbildung 11.8 links dargestellte elektro-hydraulische Längserreger für Schwerwerkzeugmaschinen kann statische sowie niederfrequente, dynamische Kräfte bis 20 kN aufbringen. Die maximale Erregerfrequenz fmax = 250 Hz wird damals durch die Dynamik des verwendeten Servoventils bestimmt, deckt aber den bei Großwerkzeugmaschinen interessierenden Schwingungsbereich ab. Bei der Eckfrequenz erzeugt der Erreger noch eine dynamische Kraft von 500 N. Für die Untersuchung von Werkzeugmaschinen kleiner bis mittlerer Baugröße konstruiert Rehling einen weiteren Längserreger, der die Einbringung dynamischer Kräfte in die Maschinenstruktur bis ca. 500 Hz ermöglicht Abbildung 11.8 rechts. Ausgerüstet mit einem Servoventil von höherer Dynamik werden heute elektrodynamische Wechselkrafterreger am WZL eingesetzt, welche – basierend auf den Entwicklungen von Rehling – Nachgiebigkeitsmessungen bis zu 1 kHz ermöglichen. Die statische und dynamische Nachgiebigkeit von Werkzeugmaschinen wird meistens bei stehender Spindel gemessen. Besonders bei hydrodynamischen Lagerungen ändert sich sowohl die Dämpfung als auch die Steifigkeit gegenüber dem Stillstand. In seiner Dissertation stellt Tilo Pfeifer [Pfei1969] einen elektromagnetischen Schwingungserreger vor, der eine berührungslose Krafteinleitung gestattet und damit die Messung des statischen und dynamischen Nachgiebigkeitsfrequenzgangs bei drehender Spindel ermöglicht. Der in Abbildung 11.9 darstellte Erreger erreicht statische Kräfte bis 2 kN sowie eine maximale Erregerfrequenz von 500 Hz, welche sich mit Hilfe einer geeigneten Regelung bis auf 1 kHz steigern lässt.

Abb. 11.8 Wechselkrafterreger [Rehl1965]

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Aufgrund der Unkenntnis des Dämpfungsverhaltens in den Füge- und Koppelstellen ist man in der industriellen Praxis bis heute zur Beurteilung des dynamischen Nachgiebigkeitsverhaltens von Werkzeugmaschinen auf messtechnische Untersuchungen angewiesen. Die Qualität der Messungen hängt von der Wahl geeigneter Messorte, von den Spezifikationen der Sensoren und Auswerteeinheiten, von der Wahl eines geeigneten Erregersignals sowie von der Sensor- und Aktormontage ab. Aufgrund der dafür benötigten Erfahrung wird eine zuverlässige Diagnose des Nachgiebigkeitsverhaltens einer Werkzeugmaschine meist nicht von den Betrieben selbst, sondern von externen Fachleuten durchgeführt.

Abb. 11.9 Anordnung des Erregers auf einer Drehmaschine [Pfei1969]

Von Severin Hannig wird zur Zeit am WZL ein Messsystem zur Stabilitätsanalyse und Prozessauslegung von Schleifprozessen entwickelt (Abb. 11.10).2 Eine integrierte Messvorrichtung enthält einen piezoelektrischen Aktor zur Krafteinleitung in die Maschinenstruktur, sowie alle zur Messung nötigen Kraft-, Weg- und Beschleunigungssensoren. Die kompakte und robuste Bauform sowie die einfache Bedienbarkeit sollen eine schnelle Messung des statischen und dynamischen Maschinenverhaltens an Werkzeugmaschinen und insbesondere an Schleifmaschinen ermöglichen. Der Fokus der Entwicklung liegt darauf, das System so zu gestalten, dass nur wenige Vorkenntnisse beim Anwender vorausgesetzt werden müssen und ein schneller und sicherer Einsatz nicht nur im Labor, sondern vor allem im Produktionsbetrieb möglich ist.

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Severin Hannig: Stabilitätsanalyse und Optimierung von Schleifprozessen. FWF-Forschungsinfo, Ausgabe Nr. 19, 2005.

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Abb. 11.10 Integriertes Messsystem

11.4.2 Aktive und passive Zusatzsysteme In der Vergangenheit entwickelt man am WZL verschiedene Konzepte zur Verbesserung des dynamischen Nachgiebigkeitsverhaltens von Werkzeugmaschinen. Die größte Verbreitung in der Praxis weisen passive Hilfsmassensysteme auf. Schon Ende der 1950er Jahre erforscht Rolf Umbach [Umba1961] die Einsatzmöglichkeiten passiver Hilfsmassendämpfer an Werkzeugmaschinen sowie deren Verbesserungspotenzial bezüglich des dynamischen Maschinennachgiebigkeitsverhaltens. Er erkennt die besondere Eignung des trägheits- und dämpfungsgekoppelten Prinzips und entwickelt passive Zusatzsysteme jeweils bestehend aus einer Masse, die über Elemente aus hochpolymerem Kautschuk mit der Werkzeugmaschine verbunden ist. Diese Systeme werden bis heute in der Praxis angewendet, um das dynamische Maschinenverhalten wirksam zu verbessern und Rattererscheinungen auszuschalten. Die relevanten Eigenfrequenzen der zu bedämpfenden Maschine können sich z. B. durch das Verfahren der Maschinenachsen im Betrieb verändern, wodurch passive Zusatzsysteme mit fest eingestellter Dämpfung und Steifigkeit ihre Wirkung verlieren. Diese Einschränkung in der Wirksamkeit und Anwendbarkeit von Hilfsmassensystemen führt am WZL zu verschiedenen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Bereich der aktiven Dämpfung. Aufbauend auf dem in Kapitel 11.4.1 beschriebenen Prinzip des elektro-hydraulischen Erregers von Rehling entwickelte Klaus Beckenbauer [Beck1970] ein Dämpfersystem in Form eines elektro-hydraulischen Absoluterregers. Beckenbauer geht dabei von der Annahme aus, dass die Dämpfung innerhalb des Hauptsystems, der Maschine, geschwindigkeitsproportional ist und somit eine geschwindigkeitsproportionale Ansteuerung der mit dem zu dämpfenden Maschinenbauteil gekoppelten Erregereinheit ein Erhöhung der Gesamtdämpfung des schwingungsfähigen Systems zur Folge hat. Abbildung 11.11 zeigt die Anordnung des von Beckenbauer entwickelten aktiven Dämpfers am Stößel einer Einständer-Karusselldrehmaschine. Die Funktion aktiver dynamischer Zusatzsysteme beruht darauf, dass sie mit der Maschine einen geschlossenen Regelkreis bilden, wobei die Stabilität des Kreises ein

430

MARTIN ESSER, SEVERIN HANNIG, MANFRED WECK

Abb. 11.11 Aktiver Dämpfer (Elektro-hydraulischer Absoluterreger) [Beck1970]

wesentliches Kriterium für die Wirksamkeit des aktiven Zusatzsystems bildet. Mit dieser Problemstellung befasst sich Gert Stapelfeldt [Stap1979]. Die von ihm entwickelte selbstoptimierende Dämpfungswirkung des Zusatzsystems kann er im Einsatz an verschiedenen Werkzeugmaschinen bestätigen. In den 1990er Jahren entwickelt Frank Michels [Mich1998] aktive Schwingungsdämpfungssysteme zur Reduzierung der speziell bei Schleifprozessen auftretenden regenerativen Ratterschwingungen. Mit der von ihm entwickelten aktiven Zentrierspitze und einer aktiven Spindellagerung erreicht Michels eine dauerhafte Stabilisierung des Außenrund-Einstechschleifprozesses auf seinen Versuchsmaschinen. Aktuelle Forschungsarbeiten des WZL befassen sich sowohl mit der aktiven als auch mit der passiven Dämpfung von Werkzeugmaschinen. Ein adaptiver Reibungsdämpfer wird von Andreas Schulz [Schu2003] entwickelt (Abb. 11.12).3 Die Dämpfungskraft basiert bei diesem Prinzip auf Coulomb’scher Reibung. Der entscheidende Vorteil des Reibungsdämpfers gegenüber konventionellen Hilfsmassensystemen, die auf Newton’scher Reibung basieren, liegt darin, dass die Dämpfung über die Reibkraft erheblich einfacher eingestellt werden kann. Das Ziel der derzeitigen Forschungsarbeiten besteht in der Entwicklung und Untersuchung eines adaptiven Reibungsdämpfers, der sich sowohl hinsichtlich der Dämpfung als auch der Federsteifigkeit bzw. der Eigenfrequenz stets optimal an Zeitvariante Eigenschaften bzw. Betriebsbedingungen des zu bedämpfenden Systems anpasst. Aufbauend auf den Forschungsarbeiten von Beckenbauer und Stapelfeldt entwickelt Schulz außerdem einen aktiven Hilfsmassendämpfer, bestehend aus einem doppeltwirkenden Hydraulikzylinder, der über ein hochdynamisches Servoventil angesteuert wird. Neben der Realisierung der Aktorik liegt ein wesentlicher Schwerpunkt der Arbeiten in der Konzipierung einer robusten Regelstrategie zur Ansteuerung des Dämpfers.

3

Andreas Schulz, Manfred Weck: Adaptiver Reibungsdämpfer. wt- Werkstattstechnik online, H.7/8, 2003, S. 535-540.

11. Dynamisches Verhalten von Werkzeugmaschinen (ab 1954)

431

Abb. 11.12 Konstruktiver Aufbau des entwickelten Reibungsdämpfers [Schu2003]

Parallel zu diesen Arbeiten untersuchen Markus Krell und Martin Hork den Einsatz von passiven und aktiven Dämpfern an Schnellläuferpressen.4 Schwingungen der Maschinenstruktur und hier vornehmlich des Pressenstößels, die im Betrieb von hochdynamischen Stanz- und Schneidpressen auftreten, führen oftmals zu erhöhtem Verschleiß an den Schneidkanten von Umformwerkzeugen. Verschleißuntersuchungen zeigen, dass durch Integration bzw. Nachrüstung der Dämpfungssysteme das Schwingungsverhalten dieser Umformmaschinen nachhaltig verbessert und damit dem Anwender Nacharbeits- und Rüstkosten erspart werden können. 11.5 Untersuchung der Dämpfung in Führungen und Fügestellen Die Dämpfung struktureller Schwingungen in Werkzeugmaschinen wird im Wesentlichen in Führungen und Fügestellen verursacht. Die schwierige messtechnische Erfassung und die im Allgemeinen unmögliche Berechnung von Dämpfungskennwerten erschwert die Berechnung des dynamischen Maschinenverhaltens. Aus diesem Grund ist die Forschung auf diesem Gebiet von großer Bedeutung. Anfang der 1970er Jahre veröffentlicht Walter Heiner Groth [Grot1972] eine Arbeit zu diesem Thema. Nach Versuchen führt er die Dämpfungseigenschaften von Fügestellen

4

Martin Hork et al.: Entwicklung eines aktiven Dämpfersystems zur Reduzierung des Werkzeugverschleißes von Umformwerkzeugen. AiF-Abschlussbericht, 2005.

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MARTIN ESSER, SEVERIN HANNIG, MANFRED WECK

auf die belastungsabhängige Strömung des Fugenschmiermittels, das auch Luft sein kann, zurück. Bei einer Belastungsänderung ändert sich demnach auch die Fugengeometrie und das Schmiermittel strömt durch Widerstände, die von Oberflächenrauheit und -welligkeit gebildet werden. Als Parameter, die auf die Fugendämfung wirken, identifiziert Groth die Höhe und Verteilung der Flächenpressung, die Beschaffenheit der Fugenoberflächen, die Richtung evtl. vorhandener Bearbeitungsriefen und die Viskosität des Schmiermittels. Für den Fall der vollständigen Trennung der fugenbildenden Festkörper durch einen Schmiermittelfilm, wie es z. B. bei der hydrostatischen Führung der Fall ist, entwickelt Groth eine Methode zur Berechnung der Dämpfung, die unter einigen Voraussetzungen gute Ergebnisse erzielt. Das Problem der rechnerischen Dämpfungsbestimmung wird einige Zeit später von Gerhard Petuelli [Petu1983] weiterverfolgt. Er berechnet Kennwerte für normalbelastete verschraubte Fugen mit Hilfe der allgemeinen Bewegungsgleichungen für zähe Flüssigkeiten, die das Fugenschmiermittel darstellen. Im Abgleich mit experimentell bestimmten Daten kann er hier gute Ergebnisse erzielen. Die Berechnung der Dämpfung in Gleitführungen scheitert allerdings. Petuelli begründet dies mit dem Einsatz zwangsläufig stark vereinfachter Modelle. Bernd Thurat [Thur1978], der sich mit dem Aufstellverhalten von großen Fräs- und Schmiedemaschinen beschäftigt, dehnt die Dämpfungsbestimmung auf den Baugrund aus. Er bestimmt eine einfache Näherungsformel für die Dämpfung im Baugrund, die proportional zu der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der in den Boden eingebrachten Druckwellen ist. 11.6 Mess- und Auswerteverfahren Zum Abgleich dynamischer Rechenmodelle und als Grundlage oder Eingangsdaten verschiedener Simulationsverfahren benötigt man immer auch Messergebnisse zum dynamischen Verhalten von Werkzeugmaschinen. Während sich die Auswerteverfahren mit der Rechnertechnik schnell wandeln, hat sich am Messprinzip der dynamischen Maschinennachgiebigkeit nur wenig geändert. Schon 1955 analysiert Ernst Saljé in seiner Habilitationsschrift das dynamische Verhalten verschiedener Werkzeugmaschinen und Maschinenkomponenten.5 Durch das Einbringen einer definierten und gemessenen dynamischen Kraft zwischen Werkstück und Werkzeug sowie durch die Messung der daraus resultierenden dynamischen Relativverlagerung bestimmt er das Übertragungsverhalten in Form einer Vergrößerungsfunktion und einer Phasenabweichung. Auch die den einzelnen Resonanzfrequenzen zugeordneten Schwingungsformen werden bereits damals dokumentiert. Aufbauend auf diesem grundsätzlichen Verfahren (Abb. 11.13) ist es von Bedeutung, im Folgenden verschiedene Ansätze zu Verbesserung, Erweiterung oder Standardisierung der dynamischen Maschinenvermessung vorzustellen. Wilhelm Hoffmann [Hoff1967] betont in seiner Arbeit, dass sich der Nachgiebigkeitsfrequenzgang einer Werkzeugmaschine durch Vorschubgeschwindigkeit und im Pro-

5

Ernst Saljé: Die Werkzeugmaschine unter dynamischer Belastung. Habilitationsschrift, Aachen 1955.

11. Dynamisches Verhalten von Werkzeugmaschinen (ab 1954)

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Abb. 11.13 Aufbau für die Messung des Nachgiebigkeitsfrequenzganges

zess auftretende statische Grundlasten verändert. Um das Verhalten im Prozess durch die Ergebnisse der Vermessung also möglichst genau wiederzugeben, soll die Maschine während der Zerspanung untersucht werden. Der Erreger zur Erzeugung der dynamischen Kraft wird dann durch den Schnittprozess und dessen resultierende Kräfte ersetzt. Die Messung der Prozesskraft erfolgt über das Werkstück durch eine mit Dehnmessstreifen ausgestattete Werkstückauflage. Für ein möglichst gleichverteiltes Eingangsspektrum sorgen hier unregelmäßig in das Werkstück eingebrachte Nuten. Eine weitere Glättung des Kraftspektrums kann durch den Einsatz eines ungleichgeteilten Fräsers erfolgen. Die Verlagerung des drehenden Werkzeugs wird über berührungslose Sensorik direkt an der Spindel erfasst, die Bewegung der Spindel wiederum wird von einem Absolutaufnehmer gemessen. Hoffmann weist mit diesem Messaufbau nach, dass der Nachgiebigkeitsfrequenzgang des Gesamtsystems Maschine-Prozess während der Bearbeitung teilweise beträchtliche Abweichungen vom Verhalten im Stillstand ohne Prozesslast zeigt. Manfred Weck widmete sich dem Thema der Vermessung und Berechnung des dynamischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen sowohl in seiner Dissertation [Weck1969] als auch in seiner Habilitationsschrift von 1971. Das bisher übliche Verfahren der Anregung mit deterministischen gesweepten Sinussignalen birgt den Nachteil, dass für die Messung eine relativ lange Zeit gebraucht wird, um so ein gleichmäßiges Spektrum der erregenden sinusförmigen Kräfte zu erhalten. Weck entwickelt daher das Verfahren der Spektraldichtenmessung auf Basis stochastischer Anregungssignale weiter und implementiert verschiedene Möglichkeiten zur Korrektur auftretender systematischer Fehler [Weck1969]. Die Schwingungsanregung geschieht hier mit Hilfe stochastischer Signale, deren spektrale

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MARTIN ESSER, SEVERIN HANNIG, MANFRED WECK

Leistungsdichte auch in kurzen Zeiträumen gleichmäßig über ein bestimmtes Frequenzband verteilt ist. Die Messzeit kann so bei gleichbleibender Genauigkeit signifikant gesenkt werden. Es entsteht ein analog arbeitender Fourier-Analysator. In seiner Habilitationsschrift gibt Weck einen Überblick über die zur Verfügung stehenden Mess- und Auswerteverfahren zur Bewertung der dynamischen Leistungsfähigkeit spanender Werkzeugmaschinen. Eine wesentliche Rolle spielt hier der Kompromiss zwischen der genauen Angabe dynamischer Kennwerte, die eine hohe Vergleichbarkeit verschiedener Maschinen zulassen, und der für den Anwender relevanten Angabe direkter Auswirkungen der Leistungsfähigkeit, wie z. B. die maximal einstellbaren Schnitttiefen für einen bestimmten Prozess. Eine systematische Übersicht über die relevanten Kennwerte gibt Abbildung 11.14.6 In der Übersicht in Abbildung 11.14 ist auf der linken Seite die Möglichkeit der gerichteten dynamischen Beurteilung gezeigt. Sie ist nur dann sinnvoll, wenn die Bearbeitungsrichtung keinen oder nur geringen Schwankungen unterliegt, was z. B. bei Dreh- und Einzweckfräsmaschinen häufig der Fall ist. Für universell eingesetzte

Abb. 11.14 Übersicht über Beurteilungsverfahren des dynamischen Maschinenverhaltens

6

Manfred Weck: Dynamisches Verhalten spanender Werkzeugmaschinen: Einflußgrößen, Beurteilungsverfahren, Messtechnik. Habilitationsschrift, Aachen 1971.

11. Dynamisches Verhalten von Werkzeugmaschinen (ab 1954)

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Maschinen eignet sich die Erfassung der gerichteten und der Kreuzfrequenzgänge in allen Raumrichtungen. Daraus können dann für jede beliebige Orientierung die gerichtete Nachgiebigkeit sowie entsprechende Grenzspanwerte berechnet werden. Auf der rechten Seite sind schließlich die Verfahren der Summierung und der Reduktion der Frequenzgänge über die Raumrichtungen dargestellt, die für alle Maschinen anwendbar sind. Klaus Teipel [Teip1977] führt die Standardisierung der dynamischen Mess- und Auswerteverfahren weiter. Hinsichtlich der Berechnung von Stabilitätskarten für einzelne Bear-

Abb. 11.15 Frequenzgang mit Vergrößerung des quasistatischen Bereiches [Ecks1987]

beitungsfälle entwickelt er Messvorschriften, die es dem Messtechniker erlauben, verschiedene Maschinen unter vergleichbaren Bedingungen zu bewerten. Außerdem beschäftigt sich Teipel mit der Wahl geeigneter Bezugsgrößen, die es erlauben, auch Maschinen unterschiedlicher Größenklassen zu bewerten. Die Leistung des Hauptspindelantriebs und der Arbeitsraum stellen sich hier als gut anwendbar heraus. Die hohe Zahl der durch das WZL extern vermessenen Werkzeugmaschinen ermöglicht schon jetzt eine statistische Auswertung dieser Größen über dem Spektrum verfügbarer Maschinen. Rolf Eckstein [Ecks1987] macht sich die Verfahren der dynamischen Messtechnik zu Nutze und entwickelt das quasistatische Messverfahren. Dabei wird die untersuchte Maschine analog zur Modalanalyse ausgestattet, d. h. mit einer räumlichen Krafterregung und absolut messenden Beschleunigungsaufnehmern an mehreren Struktur-

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MARTIN ESSER, SEVERIN HANNIG, MANFRED WECK

punkten. Leitet man nun eine niederfrequente Kraft in die Maschinenstruktur ein, so verhält sich die Maschine wie unter statischer Belastung. Mit Hilfe dieser Methode kann die statische Verformung der gesamten Maschinenstruktur schnell und einfach erfasst werden. Außerdem kann die relative Verantwortlichkeit einzelner Maschinenkomponenten an der Gesamtnachgiebigkeit bestimmt werden. Ein flächiges Messverfahren wird Mitte der 1990er Jahre von Heinrich Ostendarp [Oste1996] für die dynamische Untersuchung weiterentwickelt. Es handelt sich hier um die dreidimensionale holographische Interferometrie, die es erlaubt, flächige Verformungen an Objekten in alle Raumrichtungen zu erfassen. Hierfür wird ein Gegenstand aus drei Richtungen gleichzeitig belichtet. Nach der Aufzeichnung der sich bildenden Interferenzmuster auf einem einzelnen Hologrammträger dient ein neu entwickeltes Softwarepaket dazu, die räumliche Verlagerung aus den aufgenommen Bilddaten zu berechnen und darzustellen. Mit diesem Verfahren wurden z. B. die Eigenschwingungsformen einer rotierenden Schleifscheibe aufgezeichnet. Ostendarp weist jedoch darauf hin, dass das Verfahren an Werkzeugmaschinen aufgrund des eingeschränkten Gesichtsfeldes nur zur Messung von Einzelkomponenten geeignet ist. Aufgrund des hohen Konkurrenzdrucks auf dem Markt für Werkzeugmaschinen benötigen die Hersteller von Komponenten und Gesamtmaschinen Verfahren zur dynamischen Beurteilung, die zum einen die Planbarkeit von Bearbeitungsprozessen erhöhen und zum anderen die Vergleichbarkeit gegenüber Maschinen anderer Hersteller sicherstellen können. Auch in der Zukunft wird deshalb die Erforschung unerwünschter dynamischer Phänomene und die Entwicklung von Maßnahmen zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen vom WZL vorangetrieben werden.

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Messtechnische Untersuchung von Prozess und Maschine, Beurteilung und Abnahme von Werkzeugmaschinen (ab 1960) CHRISTIAN BRECHER, PETER HIRSCH, FRANK HOFFMANN, TORSTEN GERRATH, LUTZ SCHAPP, MANFRED WECK

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BRECHER, HIRSCH, HOFFMANN, GERRATH, SCHAPP, WECK

Gliederung 12.1 Einleitung 12.2 Messtechnische Untersuchung zur Beurteilung von Werkzeugmaschinen 12.3 Beurteilung der Genauigkeit und Sicherheit bei der Feinbearbeitung 12.4 Fähigkeitsuntersuchung an spanenden Werkzeugmaschinen 12.5 Thermisches Verhalten von Werkzeugmaschinen 12.6 Geräuschverhalten von Werkzeugmaschinen

12. Messtechnische Untersuchung von Prozess und Maschine (ab 1960)

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12.1 Einleitung Für die Qualitätskontrolle von Werkzeugmaschinen und die Abnahme von Maschinen bei der Übergabe an den Maschinenanwender ist man bestrebt, alle wichtigen Eigenschaften von Werkzeugmaschinen zu beschreiben und zu bewerten. Dazu sind objektive Verfahren zur Erfassung und Darstellung entsprechender Messwerte erforderlich.1 Die Problematik bei der Maschinenbeurteilung liegt darin, dass praktisch alle Maschineneigenschaften von einer Vielzahl systematischer und zufälliger Größen beeinflusst werden. Um zu einer gerechten Beurteilung zu kommen, muss man die Einzeleinflüsse erkennen und für die vergleichende Maschinenbeurteilung konstant halten. Daher ist die messtechnische Untersuchung von Maschinen seit jeher ein Forschungsschwerpunkt am WZL. Ausgehend von der messtechnischen Untersuchungen einzelner Eigenschaften, die die Arbeitsgenauigkeit, die Leistungsfähigkeit, das Umweltverhalten und die Zuverlässigkeit einer Werkzeugmaschine beschreiben, sind in diesem Kapitel die wesentlichen Ergebnisse aus den Forschungstätigkeiten zur Untersuchung, Beurteilung und Abnahme von Werkzeugmaschinen am WZL zusammengefasst. Der Beurteilung und Messung der dynamischen Maschineneigenschaften ist das Kapitel 11 gewidmet. 12.2 Messtechnische Untersuchung zur Beurteilung von Werkzeugmaschinen Die Messtechnik hat für die Untersuchung und Beurteilung von Werkzeugmaschinen eine zentrale Bedeutung. Neben der eigentlichen Sensorik, die durch das physikalische Messprinzip, die Genauigkeit, das Auflösungsvermögen und die Reproduzierbarkeit bestimmt wird, spielt zunehmend eine praxisorientierte Software zur Erfassung und Auswertung der Messwerte eine entscheidende Rolle. Insbesondere für spezielle Anwendungsfälle im Bereich der Forschung und Entwicklung sind die konventionellen, marktüblichen Messmittel unzulänglich und werden den gestiegenen Erfordernissen nach Leistung und Qualität nicht gerecht. Christian Nettelbeck [Nett1997] entwickelt und realisiert Ende der 1990er Jahre ein alternatives, optisches Messsystem zur Erfassung der Geradlinigkeit von Schlittenbewegungen bei großen Verfahrwegen (>10 m) und der Rotationsachsen von Spindeln und Drehtischen. Das System basiert auf einem Halbleiterlaser mit positionsempfindlichem Strahldetektor (Abb. 12.1), wobei Nettelbeck einen Schwerpunkt seiner Arbeit auf die zeitliche Strahlstabilität sowie der Entwicklung einer flexiblen Strahlabschirmung legt. Durch letztere kann der Einfluss der Luftbewegung auf die Messgenauigkeit vermieden werden. Zur Reduktion der bei den Positionsdetektoren auftretenden Nichtlinearitäten optimiert er einzelne Bauteile und führt anhand zuvor aufgenommener Kennfelder eine entsprechende Kompensation durch. 12.3 Beurteilung der Genauigkeit und Sicherheit bei der Feinbearbeitung Die Oberflächengüte bzw. -rauheit eines bearbeiteten Werkstückes stellt ein wesentliches Qualitätsmerkmal bei der Feinbearbeitung dar. Sie wird durch die Interaktion

1

Manfred Weck: Werkzeugmaschinen und Fertigungssysteme, Messtechnische Untersuchung und Beurteilung, Band 5. Berlin/Heidelberg/New York 2001.

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BRECHER, HIRSCH, HOFFMANN, GERRATH, SCHAPP, WECK

Abb. 12.1 Messaufbau bei Positionsmessungen mit positionsempfindlichen

Photodioden

aus Prozess- und Genauigkeitsverhalten der Bearbeitungsmaschine bestimmt und an Hand von Rauheitsmessungen erfasst. Bereits seit den frühen 1960er Jahren gibt es eine Vielzahl von Messverfahren zur Rauheitsbestimmung, die aufgrund ihrer sehr unterschiedlichen Messprinzipien und Auswertealgorithmen im direkten Vergleich stark differierende Messergebnisse liefern. Diese zum Teil erheblichen Messunterschiede stehen einer einheitlichen Beurteilung der Rauheit als Qualitätsmerkmal bei der Feinbearbeitung entgegen.

12. Messtechnische Untersuchung von Prozess und Maschine (ab 1960)

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Mit seinen Untersuchungen über die Formabweichungen beim Feindrehen und Feinschleifen erarbeitet Paul-Heinz Brammertz [Bram1960] die Grundlagen zur Vereinheitlichung der Beurteilung von feinbearbeiteten Oberflächen. Anhand von zwei ausgewählten Probewerkstücken und einer praxisorientierten Bearbeitungsaufgabe erforscht Brammertz zunächst umfassend die Ursachen der Formabweichungen. Im Rahmen seiner Tätigkeit weist er für das Außen- und Innen-Feindrehen nach, dass für den Zylindrizitätsfehler und dessen Streuung die beim Zerspanungsprozess auftretende Rückkraft die Hauptursache darstellt, da sich unter ihrem Einfluss sowohl die Arbeitsspindel als auch der Meißelsupport mit dem Werkzeug elastisch verformen. Der Kreisformfehler ist hingegen weitgehend von der Art der Werkstückeinspannung abhängig. Entsprechende Versuche führte er auch für das Feinschleifen durch. Ernst Hermann Kohlhage [Kohl1962] baut auf den Erfahrungen von Brammertz auf und befasst sich weiterführend mit den Einflussgrößen auf die Genauigkeit bei der Rauheitsmessung. Neben Fragestellungen zur Bewertung und Vereinheitlichung von Rauheitsmessungen befasst er sich u. a. mit der Fehlerabschätzung gebräuchlicher Oberflächenmessgeräte. Durch zahlreiche Untersuchungen und Vergleiche von elektronischen Tastschnittgeräten zeigt er, dass geometrische, statische und dynamische Gerätefehler vernachlässigbar sind und elektrisch bedingte Fehler klein bleiben, sofern wichtige Kenndaten der Messgeräte genormt werden. Durch die abschließend formulierten allgemeingültigen Abnahmebedingungen für die Fertigung präziser Oberflächen liefert Kohlhage einen wichtigen Beitrag zu einer einheitlichen und standardisierenden Beurteilung des Feinbearbeitungsprozesses. Neben der erreichbaren Werkstückgenauigkeit stellt aber auch die Sicherheit bei der Feinbearbeitung ein wichtiges Kriterium zur Beurteilung einer Werkzeugmaschine dar. Forschungsarbeiten im Bereich der Schleiftechnik belegen, dass einerseits bei konstanter Zerspanleistung mit zunehmender Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit eine wesentliche Verbesserung der Oberflächengüte und andererseits die Zerspanleistung bei gleichbleibender Oberflächengüte erheblich gesteigert werden kann. Das Schleifen mit erhöhten Umfangsgeschwindigkeiten bringt zwar in wirtschaftlicher und technologischer Hinsicht eine Reihe von Vorteilen, jedoch bergen diese gleichzeitig ein erhöhtes Sicherheitsrisiko. Durch die erhöhten Umfangsgeschwindigkeiten werden die Schleifscheiben in viel stärkerem Maße belastet, so dass eine erhöhte Bruchgefahr besteht. Durch die erhebliche Steigerung der Schleifscheibenenergie im Falle eines Schleifscheibenbruches vergrößert sich das Gefährdungspotenzial für den Bediener und das Risiko schwerer Maschinenschäden verstärkt sich. Im Rahmen seiner Arbeit untersucht Rolf Langbein [Lang1976] daher zunächst das Bruchverhalten der Schleifscheibe sowie die Bruchstückkinematik und -kinetik. Zu diesem Zweck führt Langbein die am WZL schon fast legendären Schleifscheibensprengversuche im Bunker an der Rütscherstraße durch (Abb. 12.2). Als wesentliches Ergebnis dieser Grundlagenuntersuchungen sind die empirisch erarbeiteten Berechnungsformeln zur Ermittlung der zu erwartenden Anzahl von Bruchstücken anzusehen (vgl. auch Kapitel 10). Die Analyse der Bruchstückbewegung stellt eine wichtige Voraussetzung für die Maschinengestaltung und Entwicklung energieabsorbierender Schleifscheibenschutzhauben

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BRECHER, HIRSCH, HOFFMANN, GERRATH, SCHAPP, WECK

Abb. 12.2 Mess- und Versuchsaufbau für Schutzhaubenuntersuchungen

dar. Anhand praxisnaher Beschussversuche entwickelt er Berechnungsgrundlagen zur Auslegung von Hartschaumstoffauskleidungen und anderer Knautschzonen in Schleifscheibenhauben. 12.4 Fähigkeitsuntersuchung an spanenden Werkzeugmaschinen Ende der 1990er Jahre verursacht die Firma Ford große Unruhe bei den Werkzeugmaschinenherstellern durch die Einführung des Fähigkeitsnachweises der Produktionsmittel. Hintergrund dieser Forderung ist die Nullfehlerproduktion. Durch statistische Auswertung der Werkstückmaßabweichungen auf Grundlage einer begrenzten Stichprobe wird auf das Qualitätsverhalten der Anlage geschlossen. Dies führt zum teil zu überhöhten Forderungen durch die Mathematik der Statistik. So wird automatisch die erlaubte Toleranz am Werkstück auf ein Drittel eingegrenzt. Es ist der Verdienst von Georg Hanrath [Hanr1997], der im Rahmen eines VDW-Projekts die messtechnischen und auswertetechnischen Randbedingungen auf eine von Anwendern und Maschinenherstellern akzeptable Basis stellt. Zunächst analysiert er unterschiedliche Abnahmeprüfungen und diskutiert Aussagegehalt und Nutzen der verschiedenen Bewertungsverfahren, in die nicht nur die Maschine, sondern auch die Fertigungstechnologie, die Randbedingungen und die Bearbeitungsaufgabe einfließen. Darüber hinaus führt er Untersuchungen an Messmitteln sowie Modellbetrachtungen zu Messmittelauflösung und -standardabweichung durch, um den Einfluss der Messunsicherheit auf die Fähigkeitsuntersuchungen aufzuzeigen. Auch die Hilfsmittel und Methoden zu statistischen Auswertung sind Gegenstand von Hanraths Betrachtungen, an deren Ende das von ihm entwickelte und im Rahmen der Richtlinie VDMA 8669 veröffentlichte Einheitsblatt steht. Dieses zeigt erstmals in komprimierter Form die Einflussfaktoren

12. Messtechnische Untersuchung von Prozess und Maschine (ab 1960)

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auf die Fähigkeitsuntersuchungen und gibt eindeutige Empfehlungen zum Vorgehen, den Randbedingungen, der Auswertung und den Kennzahlen zur Fähigkeitsuntersuchung bei der Abnahme spanender Werkzeugmaschinen. 12.5 Thermisches Verhalten von Werkzeugmaschinen Neben dem statischen und dynamischen Verhalten von Werkzeugmaschinen haben die thermisch bedingten Formänderungen einer Maschinenstruktur entscheidenden Einfluss auf die Bearbeitungsgenauigkeit einer Werkzeugmaschine. Durch die Erfolge bei der Verbesserung des statischen und dynamischen Verhaltens wächst der anteilige Einfluss des thermischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen auf die Arbeitsgenauigkeit. Dieser Einfluss ist rechentechnisch schwer kalkulierbar in der Konstruktionsphase. Die zunehmende Installation höherer Maschinenleistungen, die zur Erzielung höherer Zerspanleistungen und damit zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit erforderlich sind, verstärkt noch einmal diesen negativen Trend auf die Maschinengenauigkeit. Bereits 1965 führt Juergen Schunck [Schu1965] am WZL experimentelle Untersuchungen zu den Auswirkungen thermisch bedingter Verlagerungen auf die Bearbeitungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen durch. Am Beispiel einer Außenrundschleifmaschine sowie einer Konsolfräsmaschine identifiziert er zunächst die Hauptwärmequellen, um anschließend deren Einfluss im Hinblick auf das Verlagerungsverhalten zu beurteilen. Darauf aufbauend untersucht Schunck die Entstehung thermoelastischer Formänderungen an einfachen Modellen und leitet an Hand der gewonnenen Erkenntnisse erste Konstruktionsregeln zur Verringerung bzw. Vermeidung thermisch bedingter Formänderungen bei der Entwicklung von Werkzeugmaschinen ab. Die in der Praxis angewendeten Methoden und Maßnahmen zur Erfassung und Verbesserung des thermischen Verhaltens werden zu diesem Zeitpunkt jedoch überwiegend aus experimentellen Untersuchungen einzelner Maschinen abgeleitet und können somit nur in beschränktem Umfang auf beliebige Maschinen übertragen werden. Um auch bei Neukonstruktionen unabhängig von kostspieligen und zeitaufwändigen Prototypenuntersuchungen eine Analyse des thermischen Verhaltens durchführen zu können, ist es daher wünschenswert, den Wirkzusammenhang zwischen der eingespeisten Energie und der thermisch bedingten Beeinflussung der Arbeitsgenauigkeit bereits im Entwurfs- und Konstruktionsstadium rechnerisch zu erfassen und vorauszubestimmen. Mangels Kenntnis der Wärmeübergangsdaten und Konvektionsdaten gelingt dies jedoch nur unzureichend (vgl. auch Kapitel 14). Wie eingangs bereits erwähnt, fordern die Automobilindustrie und auch ihre Zulieferer bei der Abnahme von Werkzeugmaschinen den statistischen Nachweis, dass Werkstücke dauerhaft innerhalb einer vorgegebenen Toleranz gefertigt werden können. Weisen jedoch Maschinen im Hinblick auf das thermoelastische Verlagerungsverhalten trotz Beachtung einfacher Konstruktionsregeln sowie der in der Planungsphase durchgeführten Finite-Elemente-Analyse bei der späteren Abnahme thermisch bedingte Abweichungen bei der Bearbeitungsgenauigkeit auf, so bleibt als wirtschaftliche Maßname zur Verbesserung des thermoelastischen Verlagerungsverhaltens nur noch die „Steuerungstechnische Korrektur thermoelastischer Verlagerungen an Werkzeugmaschinen“. Zunächst untersucht Karl Wilfried Schäfer [Schä1993] in seiner

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BRECHER, HIRSCH, HOFFMANN, GERRATH, SCHAPP, WECK

Dissertation sowohl die indirekte Vorgehensweise auf der Grundlage punktueller Temperaturmessungen als auch eine direkte Messung der auftretenden Relativverlagerungen. Schäfer zeigt auf, dass die Wahl der Messpunkte für das indirekte Verfahren entscheidend für den Erfolg ist. Zwischen der gemessenen Temperatur und den Verlagerungen muss ein direkter physikalischer Zusammenhang bestehen, damit die Kompensation bei unterschiedlichen Betriebszuständen gewährleistet ist. Rudolf Bonse [Bons1998] widmet sich ausführlich verschiedenen, indirekten Kompensationsansätzen und stellt diese mit ihren spezifischen Vor- und Nachteilen gegenüber. Neben dem klassischen Ansatz auf Basis einer Linearkombination gemessenerer Strukturpunkttemperaturen, bei dem sich insbesondere die Auswahl geeigneter Temperaturmessstellen als schwierig erweist, untersucht Bonse die Möglichkeit einer Kompensation des thermoelastischen Maschinenverhaltens mit Hilfe zeitlich zurückliegender Temperaturmessungen. Durch die softwaretechnische Umsetzung neuer Berechnungsalgorithmen ergeben sich auch im Bereich der thermischen Kompensation neue Möglichkeiten. So verfolgt Bonse zum Ende seiner Tätigkeit als einer der ersten Mitarbeiter am WZL den Ansatz, das thermoelastische Maschinenverhalten mit Hilfe Neuronaler Netze zu modellieren und kompensieren. In seinen Untersuchungen weist er nach, dass neben der Netztopologie auch die Lerndauer einen großen Einfluss auf die erreichbare Genauigkeit hat. Dabei sinkt der Netzfehler erwartungsgemäß mit zunehmender Lerndauer, wohingegen die Übertragbarkeit des Netzes auf einen neuen Belastungsfall sinkt. Ein grundsätzlicher Nachteil aller indirekten Kompensationsverfahren besteht in dem enormen Zeitaufwand zum empirischen Einmessen der erforderlichen Modellparameter. Dem steht der Vorteil der Quasi-Online-Fähigkeit gegenüber, so dass eine indirekte Kompensation zeitparallel zum laufenden Bearbeitungsprozess durchgeführt werden kann. Dies ist mit einem direkten Kompensationsverfahren nicht möglich. Direkte Verfahren erzielen zwar prinzipbedingt eine höhere Kompensationsgüte, jedoch muss zur Kompensationswertbestimmung stets der Bearbeitungsprozess unterbrochen werden, so dass die Prozessrentabilität herabgesetzt wird. Unter Berücksichtigung der vorgenannten Aspekte und aufbauend auf den Erfahrungen von Bonse entwickelt daher Uwe Herbst [Herb2002] eine automatische Kompensationsmethode, die die spezifischen Vorteile beider Verfahren, der direkten und indirekten Kompensation, miteinander verbindet. Bei dem von ihm entwickelten Verfahren werden zwischen zwei direkten Verlagerungsmessungen die Kompensationswerte indirekt mit Hilfe eines Modells sowie prozessparallel gemessener Temperaturen bestimmt. Der entwickelte Algorithmus passt dynamisch sowohl das Temperatur-Verlagerungsmodell als auch das zwischen zwei direkten Verlagerungsmessungen liegende Intervall entsprechend der erforderlichen Genauigkeit an, so dass die unproduktiven Zeiten für die direkte Verlagerungsmessung auf ein Minimum reduziert werden. Darüber hinaus werden zu Beginn der Kompensation die Startparameter des Kompensationsmodells automatisch durch eine ausreichende Anzahl direkter Messungen bestimmt, so dass auf ein zeitaufwändiges separates Einmessen verzichtet und das Kompensationsmodell optimal auf jede einzelne Maschine angepasst werden kann. Abbildung 12.3 stellt die Ergebnisse einer standardmäßigen, indirekten Verlagerungskompensation den Ergebnissen der von Herbst entwickelten kombinierten Verlagerungs-

12. Messtechnische Untersuchung von Prozess und Maschine (ab 1960)

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kompensation an einem dreiachsigen Bearbeitungszentrum in Fahrständerbauweise gegenüber. Die auf der Linie der kombinierten Verlagerungskompensation eingezeichneten Punkte repräsentieren dabei jeweils eine direkte Verlagerungsmessung, mit der die Verlagerungen „auf Null gezogen“ werden. Den guten Kompensationsergebnissen der temperaturbasierten Kompensation stehen die Kosten für die Temperatursensoren sowie der erhebliche Aufwand bei der Aus-

Abb. 12.3 Verlagerungen mit und ohne Kompensation

wahl geeigneter und mit dem Verlagerungsverhalten korrelierender Temperaturmessstellen an einer Maschinenstruktur entgegen. Darüber hinaus lässt sich das thermoelastische Verhalten der Maschinenstruktur mit Hilfe einer geringen Anzahl von Temperatursensoren nur unzureichend beschreiben. Aus diesem Grund wird aktuell am WZL von Peter Hirsch ein neuartiges, innovatives Kompensationsverfahren entwickelt, das im Wesentlichen auf den von der Steuerung bereitgestellten, lastäquivalenten Antriebsdaten der Hauptspindel und Vorschubachsen basiert. Hierdurch kann mit Ausnahme eines Umgebungstemperatursensors vollständig auf kostenintensive externe Sensorik verzichtet werden. Ein weiterer Vorteil dieses Modells besteht darin, dass die Ursache und – nicht wie bei den temperaturbasierten Kompensationsverfahren die Auswirkungen – als Eingangsgrößen betrachtet werden und so insbesondere das Zeitverhalten wesentlich realistischer abgebildet wird.2 Bei den thermoelastischen Verlagerungsursachen spielen neben den Antriebsdreh-

2

Christian Brecher, Peter Hirsch: Compensation of Thermo-elastic Machine Tool Deformation Based on Control internal Data. Annals of the CIRP, Vol. 53/1, 2004.

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BRECHER, HIRSCH, HOFFMANN, GERRATH, SCHAPP, WECK

zahlen auch die Belastungsgrößen in Form von Drehmomenten eine Rolle, die in modernen Antrieben ebenfalls digital vorliegen. Zukünftige Arbeiten sind daher darauf ausgerichtet, auch diesen Einfluss in dem neuen Kompensationsmodell zu berücksichtigen. 12.6 Geräuschverhalten von Werkzeugmaschinen Die Forderung nach hoher Qualität technischer Produkte schließt durch immer restriktivere Umweltschutzbestimmungen in zunehmendem Maße auch das Geräuschemissionsverhalten ein. Dies gilt insbesondere für Werkzeugmaschinen, die im Fertigungsbereich zur Immissionsbelastung der dort tätigen Mitarbeiter beitragen. Die in Rechtsvorschriften als Präventivmaßnahmen festgelegten Immissionsgrenzwerte stellen eine an die Maschinenbetreiber gerichtete Forderung dar, die auch bei der Beschaffung der Werkzeugmaschinen berücksichtigt werden muss. Somit ist die geräuscharme Gestaltung der Werkzeugmaschine für den Maschinenhersteller von zunehmender Bedeutung. Eine technisch und wirtschaftlich vorteilhafte Lösung kann jedoch nur dann erreicht werden, wenn die Gesichtspunkte der Geräuschminderungstechnik bereits in der Entwicklungsphase berücksichtigt werden. Jedoch ist die Geräuschentstehung bei einer Werkzeugmaschine derart komplex, dass Kenntnisse über die Grundlagen der technischen Akustik und die allgemein gefassten Regeln des geräuscharmen Konstruierens allein nicht ausreichen, um eine Werkzeugmaschine gezielt akustisch zu verbessern. Hieraus leitet sich die Notwendigkeit ab, dem Konstrukteur effiziente Methoden zur geräuscharmen Maschinenentwicklung zur Verfügung zu stellen. Seit Beginn der achtziger Jahre werden daher am WZL im Rahmen verschiedener wissenschaftlicher Arbeiten die Geräuschentstehungs- und Weiterleitungsprinzipien tiefergehend untersucht. Wie die umfangreichen Untersuchungen von Richard Humpert und Peter Grund zeigen, sind die Geräuschentstehungsmechanismen bei spanenden Metallbearbeitungsmaschinen stark unterschiedlich. Erst durch die analytische Betrachtung und Weiterentwicklung von Messverfahren ist eine bessere Geräuschquellen-Identifikation möglich, so dass Maßnahmen zur Geräuschminderung effektiver abgeleitet werden können. Aus den Untersuchungen geht hervor, dass Körperschallübertragung und Schallabstrahlung der Gestellbauteile wesentlich die von der Maschine abgestrahlte Gesamtschallleistung beeinflussen. Detailliert werden Körperschallübertragung und Schallabstrahlung von Gestellbauteilen untersucht und somit verschiedene Verfahren zur Abschätzung der Wirkung konstruktiver Maßnahmen entwickelt [Grun1985]. Am Beispiel einer Stahlbauhalle mit viel Schweiß-, Richt- und Schleifarbeit demonstriert Peter Grund anschließend, wie dieser Lösungsweg in die Praxis umgesetzt werden kann. Grund entwickelt hierzu unter anderem eine leisere Handschleifscheibe in Verbundbauweise. Neben der Geräuschquelle „Werkzeugmaschine“ sind die Bearbeitungsgeräusche ein weiterer wesentlicher Bestandteil der Gesamtgeräuschemission. Aus diesem Grund führt Richard Humpert [Hump1989] umfangreiche Parameteruntersuchungen für das Längsdrehen und Messerkopffräsen durch. Dazu entwickelt er zunächst ein Messverfahren, das es erlaubt, die Anteile der Schallemission je nach Entstehungsort – entweder Maschine oder Prozess – zu unterscheiden. Er stellt fest, dass der Schall-

12. Messtechnische Untersuchung von Prozess und Maschine (ab 1960)

447

leistungspegel des Zerspanprozesses werkstoffabhängig anhand mehrerer Maschineneinstellparameter (z. B. Schnittgeschwindigkeit, Vorschub) beschrieben werden kann und somit die Wahl der Zerspanparameter einen wichtigen Beitrag zur Geräuschminderung darstellt. Wie in allen Bereichen der Produktionstechnik steht auch im Bereich der Umformanlagen bei allen Neu- und Weiterentwicklungen das Streben nach größerer Wirtschaftlichkeit der Produktion im Vordergrund des Interesses. Die wirtschaftliche Anwendung von Pressen wird in entscheidendem Maße auch durch deren Umweltverhalten beeinflusst, wobei der Umweltfaktor „Lärm“ eine besondere Rolle spielt. Aus diesem Grund untersucht Wendelin Wiedeking [Wied1983] die Geräuschentstehungsmechanismen am Beispiel von Schneidpressen und weist durch umfangreiche Untersuchungen nach, dass durch Gestaltung des Schneidvorgangs – d. h. durch Werkzeugauslegung und konstruktive Maßnahmen am Pressenkörper und den kraftführenden Maschinenelementen – die Eingangs- und Übertragungsimpedanzen durch Dämmungsund Dämpfungsmaßnahmen erhöht werden können. Hierdurch ist es nun mit vertretbarem wirtschaftlichen Aufwand möglich, Einzelhub-Exzenterpressen zwischen 10 und 15 dB(A) leiser zu gestalten. Die Aktualität der Geräuschminderungsthematik ist ungebrochen. Zahlreiche Projekte auf nationaler und internationaler Ebene befassen sich weiterhin mit den Möglichkeiten, den Arbeitsplatz in metallverarbeitenden Betrieben möglichst geräuscharm zu gestalten, um die Leistungsfähigkeit und die Gesundheit der darin arbeitenden Mitarbeiter langfristig zu erhalten. Somit bietet der Bereich des Geräuschverhaltens von Werkzeugmaschinen auch zukünftig ein hohes Forschungspotenzial.

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Fertigungsplanung und -steuerung, Technische Auftragsabwicklung, Produktionsplanung und -steuerung (ab 1965) KLAUS BRANKAMP, WALTER EVERSHEIM

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KLAUS BRANKAMP, WALTER EVERSHEIM

Gliederung 13.1 Einleitung 13.2 Fertigungsplanung und -steuerung 13.3 Technische Auftragsabwicklung 13.4 Produktionsplanung und -steuerung 13.5 Montageplanung und -steuerung 13.6 Produktionsplanung und -steuerung in Produktionsnetzwerken 13.7 Leitstandskonzepte und -systeme

13. Fertigungsplanung und -steuerung (ab 1965)

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13.1 Einleitung Die Untersuchungen, Projekte und Forschungsarbeiten am WZL entwickeln sich etwa Mitte der 1960er Jahre aus den Vorarbeiten und Erfahrungen auf den Gebieten Werkstückstatistik und Produktionsprogrammanalysen in der Produktionsgüterindustrie. Durch die guten und engen Beziehungen von Herwart Opitz zur Werkzeugmaschinenindustrie beschäftigen sich die Wissenschaftler am WZL mehrheitlich mit ablauforganisatorischen Problemen im Maschinen- und Anlagenbau, die sich meist aus einer ausgeprägten Einzel- und Kleinserienfertigung herleiten lassen. Die Projekte im Bereich Betriebsorganisation werden geprägt bzw. induziert durch zwei wichtige Entwicklungstrends: • Problemstellungen und Zielsetzungen in der Einzel- und Kleinserienfertigung (Maschinen- und Anlagenbau), • Entwicklung und Verfügbarkeit von Datenverarbeitungsanlagen (EDV), Computern und Software. Diese Einflüsse, einmal marktgetrieben (Market-Pull) und zum anderen technologiegetrieben (Technology-Push), sollen im Folgenden jeweils in ihrer Rolle und ihrem Einfluss bei den diversen Forschungsschwerpunkten am WZL diskutiert werden. 13.2 Fertigungsplanung und -steuerung Anfang der 1960er Jahre steht in der Wirtschaft, insbesondere in Westdeutschland, immer noch im Vordergrund, den Nachholbedarf an Gütern und Produktionseinrichtungen aus dem Zweiten Weltkrieg zu decken. Das führt zu einer hohen Nachfrage nach Werkzeugmaschinen und Arbeitskräften. Während auf dem Arbeitsmarkt versucht wird, die fehlenden Arbeitskräfte durch sogenannte Gastarbeiter aus Italien, Spanien und Jugoslawien zu kompensieren, rücken bei den Produktionseinrichtungen, besonders in Bezug auf Werkzeugmaschinen und Produktionsanlagen, die Ziele Produktivität, Auslastung und hohe Verfügbarkeit in den Vordergrund. Das heißt hohe Auslastung und Produktivität von Arbeitskräften und Maschinenpark im Fertigungsbereich sind die Hauptziele bei der Ablauforganisation von Kunden- und Werkstattaufträgen. Muslim Bootwalla [Boot1965] und Walter Eversheim [Ever1965] zeigen in ihren Arbeiten, dass auch bei Einzel- und Kleinserienfertigung durch Bildung von Teilefamilien (sogenannte Scheinlose) Rüstzeiten reduziert, Transporte minimiert und somit Auslastung, Produktivität und Effizienz der Fertigungssteuerung gesteigert werden können. Die anfänglich auf den kapitalintensiven Fertigungsbereich konzentrierten und limitierten Ansätze erweitert Klaus Brankamp auf „ein Terminplanungs-System für Unternehmen der Einzel- und Serienfertigung“ [Bran1967]. Dieses rechnerunterstützte System nutzt die zu dieser Zeit verfügbare ComputerGeneration, die durch Lochkarteneingabe, Röhren- und Transistortechnik gekennzeichnet ist und in Rechenzentren mit Job-Betrieb organisiert wird. Eine Teillösung aus diesem ersten am WZL entwickelten Fertigungssteuerungssystem scheint besonders bemerkenswert. Im Rahmen einer groben Terminplanung und mit dem Ziel, realistische Liefertermine gegenüber dem Kunden nennen zu können, werden über sogenannte Belastungskurven bereits die Angebote mit ihrer durchschnittlichen Realisierungsrate in das Auslastungsprofil des jeweiligen Unternehmens eingeplant.

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KLAUS BRANKAMP, WALTER EVERSHEIM

Abb. 13.1 Stellung der Produktionsterminplanung im Unternehmen (Einzelfertigung) [Bran1967]

In weiteren Arbeiten vertiefen und ergänzen Bernd Feldhege [Feld1967] und Dieter Gräßler [Gräß1968] die Methoden, Regeln und Hilfsmittel zur Fertigungssteuerung. Mit Hilfe vieler Tests zur Steuerung der Einlastungsreihenfolge im Fertigungsbereich findet Gräßler heraus, dass eine Kombination von „kürzester Operationszeit-(KOZ)-Regel“ und „Schlupfzeit-Regel“ (SLACK) zu geringeren Warteschlagen vor den Arbeitsmaschinen, guter Auslastung und kurzen Durchlaufzeiten mit hoher Termintreue der Werkstattaufträge führt.

13. Fertigungsplanung und -steuerung (ab 1965)

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Abb. 13.2 Auftragsverteilungen der Maschinen der Zahnradbearbeitungsstraße [Gräß1968]

13.3 Technische Auftragsabwicklung In der zweiten Hälfte der 1960er Jahre zeichnet sich ab, dass bei Projekten und Kundenaufträgen zunehmend die „Liefertermintreue“ und „kurze Lieferfristen“ wichtige Wettbewerbsfaktoren werden. Andererseits hängen diese Zielgrößen nicht nur vom Fertigungsbereich ab, sondern werden maßgeblich beeinflusst von Durchlaufzeit und Termintreue in den übrigen, an der Auftragsabwicklung beteiligten Bereichen, wie Konstruktion, Arbeitsvorbereitung, Beschaffung und Montage. Diese ganzheitliche Fragestellung zieht sich wie ein roter Faden durch die Projekte, die sich mit der technischen Auftragsabwicklung am WZL beschäftigen [Homa1969, Heyn1969, Dirz1972, Heuw1974, Hemg1975, Voge1976]. Bei ihren Lösungen können

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KLAUS BRANKAMP, WALTER EVERSHEIM

Abb. 13.3 Der Einfluss der frei verfügbaren Wartezeit und der Auslastung auf die Ergebnisse der Simulation mit der KOZSLACK-Regel [Gräß1968]

die Wissenschaftler auch die inzwischen fortgeschrittenen Entwicklungen der Computertechnologie nutzen. Wolfgang Heyn verwendet aus der Netzplantechnik die in Frankreich entwickelte Metra Potential Methode (MPM), die neben einer Terminermittlung von Projekten/Aufträgen auch die Einlastung mehrerer Aufträge unterstützt. Derartige Bündel von Netzwerken sind inzwischen auf leistungsstärkeren Computern zu berechnen. Das Rechenzentrum der RWTH Aachen verfügt über die Rechenanlage Control Data CD 6400, an der WZL-Mitarbeiter arbeiten. Dennoch versuchen Heyn und später auch Hans Peter Wiendahl [Wien1971] und Franz von Falkenhausen [Falk1978], die Erstellung von umfangreichen Netzplänen effizient zu gestalten. Die Wissenschaftler untersuchen die Auftrags- und Produktstrukturen, um festzustellen, auf welchen Produktstrukturebenen bei Folgeaufträgen Wiederholungen auftreten und wo neue, kundenindividuelle Strukturen, Funktions-

13. Fertigungsplanung und -steuerung (ab 1965)

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Abb. 13.4 Planungsstufen und Planungsunterlagen der Produktionsterminplanung [Heyn1969]

oder Baugruppen bzw. Komponenten auftreten. Für die Strukturanteile mit hoher Wiederholhäufigkeit (Standard) werden Informations- und Datenbanksysteme aufgebaut, so dass in diesen Fällen die erneute Dateneingabe zum Netzwerkaufbau meist auf eine Parametrisierung beschränkt werden kann. Wiendahl differenziert bei seinen Produktgliederungen zwischen den Anforderungen, die bei der Angebotserstellung zu erfüllen sind, und denen, die eine Auftragsabwicklung unterstützen [Wien1971]. Für die Angebotserstellung wählt er auf den ersten zwei Gliederungsebenen eine verkaufsorientierte, funktionale Produktstrukturierung. Ab Ebene 2 und folgende geht er dann zu einer montageorientierten Baukastenstruktur über, die auch bei Auftragsabwicklung und Produktionssteuerung maßgeblich ist. Weitere Arbeiten von Harald Gühring [Gühr1972], Hans Grabowski [Grab1972], Dieter Mewes [Mewe1972] und Karl-Heinz Kambartel [Kamb1973] beschäftigen sich mit der Informationsbereitstellung für die Angebotserstellung und Auftragsabwicklung bei Einzel- und Kleinserienfertigung im Maschinen- und Anlagenbau. Diese Schwerpunktsetzung im WZL auf Maschinen- und Anlagenbau mit überwiegender Einzel- und Kleinserienfertigung macht noch einmal deutlich, dass in solchen Unternehmen Terminplanung und Termintreue und damit die Produktionsplanung und -steuerung (PPS) Priorität besitzen. Erst in einem zweiten, sukzessiven Planungsschritt

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KLAUS BRANKAMP, WALTER EVERSHEIM

Abb. 13.5 Ablauf der Auftragsnetzbildung [Falk1978]

werden die Aufgaben der Materialplanung, -steuerung und -beschaffung (Materials Requirement Planning, MRP-Systeme) angegangen. Die Verbindung von PPS-Systemen mit MRP-Systemen sind Gegenstand der Arbeiten von Hans-Wolfgang Homann „Materialbedarfsterminierung im Rahmen der auftragsgebundenen Kosten- und Liquiditätsplanung für Unternehmen der Investitionsgüterindustrie“ [Homa1969], Gerd Hemgesberg „Technische Materialplanung in Unternehmen mit Einzel- und Kleinserienfertigung“ [Hemg1975] und Hans Schmitz-Mertens [Schm1988b], der „einen Beitrag zur Integration flexibel automatisierter Produktionssysteme in Unternehmen der Einzel- und Kleinserienfertigung“ liefert.

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13. Fertigungsplanung und -steuerung (ab 1965)

Abb. 13.6 Grobgliederung eines Hydraulikbaggers [Wien1971]

Abb. 13.7 Gliederung des Unterwagens eines Hydraulikbaggers [Wien1971]

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KLAUS BRANKAMP, WALTER EVERSHEIM

Abb. 13.8 Durchführung der Konstruktionsplanung mit TERMIKON [Heuw1974]

13.4 Produktionsplanung und -steuerung Mitte der 1970er Jahre gewinnt das Ziel „Flexibilität“ in den produzierenden Unternehmen neben Kosten-, Termin- und Qualitätszielen zunehmend an Bedeutung. Die Betriebe investieren deswegen mehr in Bearbeitungszentren und sogenannte Flexible Fertigungssysteme (FFS). Um Flexibilität der Produktion zusammen mit Qualitätssicherung zu erreichen, werden in den 1980er Jahren in vielen Unternehmen mit überwiegender Einzel- und Kleinserienfertigung aufbauorganisatorisch Insel- oder Gruppenfertigungen gebildet, die weitgehend autonom bestimmte Teilefamilien komplett bearbeiten können. In der gleichen Zeitperiode entwickelt sich die elektronische Datenverarbeitung zunächst in eine mittlere Datentechnik (MDT) mit Kleinrechnern und Prozesscomputern (Nixdorf/AEG).

13. Fertigungsplanung und -steuerung (ab 1965)

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Ende der 1980er und Anfang der 1990er Jahre werden die ersten Personal Computer (PC) von Apple (1977) und IBM (1981) verfügbar.1 Mit dieser Entwicklung in der Computertechnologie wird es möglich, die dezentral verteilten Einheiten, die an der Auftragsabwicklung beteiligt sind, zum einen auch dezentral, quasi autonom, mit einer „Eigensteuerung“ zu versehen und zum anderen die ganzheitliche, integrierte Produktionsplanung und -steuerung auf zentralen Leitrechnern sicherzustellen.

Abb. 13.9 Konzeption eines Rechnerverbundsystems für die integrierte Auftragsabwicklung [Vöge1976]

1

Hans-Joachim Braun, Walter Kaiser (Hrsg.): Energiewirtschaft, Automatisierung, Information seit 1914 (= Propyläen Technikgeschichte, Band 5). Berlin 1997, S. 353 ff.

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Friedrich Heuwing entwickelt in seiner Dissertation die „Grundlagen der Terminplanung in der Konstruktion“ [Heuw1974], aus denen das Programmsystem TERMINKON in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart, am WZL entsteht.2 Auch die Arbeiten von Franz Otto Vogel [Voge1976] greifen die neuen Herausforderungen auf und führen zu dem SoftwareSystem DIAPLAN, das die technische Auftragsplanung im Dialog-Betrieb unterstützt [Voge1976]. 13.5 Montageplanung und -steuerung Im Montagebereich von Produktionsunternehmen laufen die Probleme aus Produktkonstruktion, Fertigung und Logistik zusammen. Bei Investitionsgütern, die vorwiegend in Einzel- und Kleinserien produziert werden, wird die Situation in der Montagephase zusätzlich dadurch verschärft und erschwert, dass neben Störungen in der Materialbereitstellung kaum wiederholbare und damit nicht planbare Arbeitsvorgangsfolgen auftreten. Diese Rahmenbedingungen führen dazu, dass bei den meisten Unternehmen mit Einzel- und Kleinserienfertigung keine Montageplanung stattfindet und die Montagesteuerung quasi situationsbedingt von qualifizierten Fachkräften und Facharbeitern improvisiert durchgeführt wird.

Abb. 13.10 Auftragsorientierte Sichtweise auf die Montage als Modellgrundlage [Hack1997]

Mitte der 1980er Jahre rückt jedoch die Ablaufplanung und -steuerung im Montagebereich mit dem Ziel einer ganzheitlichen Organisationslösung in den Vordergrund und

2

Autorenkollektiv: TERMINKON-Prospekt. VDMA, Abteilung Informatik. Frankfurt/Main 1974.

13. Fertigungsplanung und -steuerung (ab 1965)

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wird Gegenstand von Forschungsprojekten am WZL [Peff1982, Esch1985]. Insbesondere für Unternehmen, die großvolumige Produkte, wie Werkzeugmaschinen, Druckmaschinen, Hebezeuge, Koordinatenmessmaschinen oder gar Flugzeuge herstellen, wird die Verweildauer auf der Montagefläche (Montagedurchlaufzeit) zum Engpass und damit umsatzbestimmend. Eine Gruppe von Wissenschaftlern greift die Problemstellungen bei Klein- und Serienmontagen auf und erarbeitet in Forschungs- und Industrieprojekten Lösungen zu folgenden Zielen und Themen: • Planung von Struktur, Flexibilität und Automatisierungsgrad von Montagesystemen [Kald1987, Merz1987, Kett1987], • Produkt- und Montagestrukturierung [Unge1985, Schu1988b, Dahl1990, Caes1991, Korr2001], • Montagevorbereitung, Montageplanung und -steuerung, Inbetriebnahme [Kosm1988, Konz1989, Soss1989].

Abb. 13.11 Bausteine des Programmsystems INKOS [Groß1990]

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KLAUS BRANKAMP, WALTER EVERSHEIM

In weiteren Arbeiten werden – teilweise in Verbindung mit dem Sonderforschungsbereich 361 „Modelle und Methoden zur integrierten Produkt- und Prozessgestaltung“ – Themen wie „Störungsmanagement in der Einzel- und Kleinserienmontage“ [Lehm1992], „Integration von Produktionslogistik und Montageplanung und -steuerung“ behandelt.3 Schließlich liefert Thomas Hack mit seiner Dissertation „Simulationsgestützte Belegungsplanung in der Montage unter Berücksichtigung der Unschärfe“ [Hack1997] einen kompletten Methodenbaukasten zur Planung und Steuerung von Kleinserien- und Serienmontagen. 13.6 Produktionsplanung und -steuerung in Produktionsnetzwerken Mit der Konzentration auf Kernkompetenzen in der Produktionsgüterindustrie geht auch die Verteilung der wertschöpfenden Produktionseinheiten auf viele Produktionsstandorte und -einheiten einher.4 Zunehmend werden Produktionsnetzwerke organisiert, teilweise im Rahmen der Hülle der bisherigen Unternehmensformen, aber auch Anfang der 1990er Jahre in Form von „Virtuellen Unternehmen“, die sich für eine Auftragsabwicklung temporär befristet zusammenschließen.5 Diese neuartige Organisation von Wertschöpfungsverbünden stellt auch ganz andere Anforderungen an PPS- und MRP-Systeme. Die Wissenschaftler am WZL greifen die Fragestellungen auf und nutzen bei ihren Lösungsbeiträgen die neuesten Möglichkeiten, die moderne Informationstechnologien und Computer Generationen bieten. Mathias Groß entwickelt zur Planung der Auftragsabwicklung komplexer Produkte „ein EDV-gestütztes Hilfsmittel zur integrierten Auftrags- und Produktionsprogrammplanung in der Kleinserienproduktion“ [Groß1990]. Die Arbeiten von Stefan Müller [Müll1992], Reinhard Grosse Wienker [Gros1993] und Michael Linnhoff [Linn1993] liefern wichtige Beiträge zu neuartigen Konzepten, die eine zentrale Planung der Gesamtauftragsabwicklung vorsehen. Diese werden bei der Steuerung und Veranlassung von Aktivitäten von dezentralen, häufig ereignisorientierten Teilsystemen übernommen. 13.7 Leitstandskonzepte und -systeme Auch wenn alle Planungen und die sie unterstützenden EDV-Systeme von bestimmten Rahmenbedingungen und Annahmen ausgehen, müssen diese Voraussetzungen aber in der Realität mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit nicht eintreten bzw. nicht richtig sein. Zunehmend wird die Forderung nach kleinen, kurzfristig reagierenden Regelkreisen für die Auftragssteuerung immer wichtiger. Beiträge zur Erfüllung dieser Forderung entstehen in den Arbeiten, die Leitstellen,

3

Walter Eversheim, Günther Schuh (Hrsg.): Integrierte Produkt- und Prozessgestaltung. Berlin/Heidelberg 2005. 4 Coimbatore K. Prahalad, Gary Hamel: The Core Competence of the Corporation. In: Harvard Business Review, November-December 1990, pp. 79-91. 5 Günther Schuh (Hrsg.): Virtuelle Fabrik. Neue Marktchancen durch dynamische Netzwerke. München/Wien 1998.

13. Fertigungsplanung und -steuerung (ab 1965)

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Abb. 13.12 Gestufte Regelkreise zur Auftragsplanung und -überwachung [Linn1993]

Leitstandskonzepte und -systeme vorsehen [Böhm1994], [Schn1994], [Dobb1996], [Röhm1997]. Schließlich fassen Ralf-Peter Dohms [Dohm2000] und Thomas Lange-Stalinski [Lang2004] in ihren Arbeiten die bisherigen Lösungen zusammen und erweitern ihre Konzepte für „Wandlungsfähige Produktionsstrukturen“ und mobile Produktionssysteme. Letztere tragen speziell dem Trend Rechnung, der insbesondere zum Ende des 20. Jahrhunderts zu einer weiteren Variantenvielfalt und zunehmender Volatilität auf den Absatzmärkten führt.

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KLAUS BRANKAMP, WALTER EVERSHEIM

Abb. 13.13 Zusammenfassung der Anforderungen an das Kommunikationssystem [Gros1993]

Abb. 13.14 Architektur des verteilten Gesamtsystems [Gros1993]

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13. Fertigungsplanung und -steuerung (ab 1965)

Abb. 13.15 Hierarchische Einordnung eines Auftragsleitstandes [Böhm1994]

Abb. 13.16 Systemstruktur der Testrealisierung [Schn1994]

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KLAUS BRANKAMP, WALTER EVERSHEIM

Abb. 13.17 Identifikation mobilitätsrelevanter Wirkrelationen [Lang2004]

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Konstruktion und Berechnung von Werkzeugmaschinen (ab 1966) MANFRED WECK, STEPHAN WITT

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MANFRED WECK, STEPHAN WITT

Gliederung 14.1 Einleitung 14.2 Numerische Simulation strukturmechanischer Eigenschaften 14.3 Numerische Simulation thermischer Eigenschaften 14.4 Numerische Optimierung von Bauteileigenschaften 14.5 Entwicklung von CAD-Software und Kopplung mit Berechnungsprogrammen

14. Konstruktion und Berechnung von Werkzeugmaschinen (ab 1966)

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14.1 Einleitung Die strukturmechanischen Eigenschaften einer Werkzeugmaschine werden bereits in der frühen Phase ihrer Entwicklung festgelegt und bestimmen maßgeblich die Leistungsfähigkeit und die Präzision der Maschine. Die effiziente Gestaltung und Bewertung eines Entwurfs ist daher von besonderer Bedeutung, sowohl bezüglich der erreichbaren Werkstückqualität als auch aus wirtschaftlicher Sicht. Die wissenschaftlichen Arbeiten im Bereich Konstruktion und Berechnung von Produktionsanlagen am WZL beschäftigen sich mit dem Einsatz numerischer Berechnungs- und Optimierungsverfahren bis hin zu rechnergestützten Konstruktionsmethoden in der Produktentwicklung. Durch die Entwicklung der Rechnertechnik in den vergangenen 40 Jahren ist ein wirtschaftlicher Einsatz komplexer Entwicklungs- und Berechnungswerkzeuge im Konstruktionsprozess möglich, der heute in vielen Bereichen des Werkzeugmaschinenbaus Stand der Technik darstellt. Während in den 1960er bis in die 1980er Jahre besonders grundlegende Arbeiten zur Entwicklung von Berechnungsverfahren sowie zur Programmierung solcher Berechnungswerkzeuge durchgeführt werden, liegt der Fokus der heutigen Forschungsaktivitäten auf der Nutzung und der Kopplung kommerzieller Systeme. Mit der zunehmenden Rechenleistung ist ebenfalls eine Zunahme der betrachteten Modellkomplexität zu erkennen, wie in der Abbildung 14.1 dargestellt ist.

Abb. 14.1 Geschichtliche Entwicklung der Simulationstechnik im Werkzeugmaschinenbau

Gegenstand heutiger Forschungsarbeiten ist die Berechnung und Simulation des Gesamtmaschinenverhaltens einschließlich des Fertigungsprozesses. Mit der „virtuellen Werkzeugmaschine“ versucht man die Leistungs- und Genauigkeitsmerkmale

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MANFRED WECK, STEPHAN WITT

der Maschine schon im Konstruktionsstadium vollständig zu erfassen und zu optimieren, um aufwändige Verbesserungen am realen Prototypen zu umgehen. 14.2 Numerische Simulation strukturmechanischer Eigenschaften Erste Arbeiten auf dem Gebiet der numerischen Simulation des strukturmechanischen Verhaltens werden am WZL Mitte der 1960er Jahre durchgeführt. Wilhelm Friedrich Dreyer [Drey1966] promoviert mit einer Arbeit über den Einsatz der Modelltechnik zur Bewertung des komplexen Bauteilverhaltens von Werkzeugmaschinen auf der Basis praktischer Vergleichsuntersuchungen und stellt die theoretische Übertragbarkeit seiner Modelle unter Beweis. Walter Döpper [Döpp1968] beginnt Ende der 1960er Jahre als erster am WZL mit der Entwicklung von Softwarewerkzeugen zur Berechnung der statischen Eigenschaften von Werkzeugmaschinenstrukturen mit Hilfe von Digitalrechnern. Hierbei erarbeitet er Zusammenhänge zur Beschreibung von Maschinenelementen und Gestellbauteilen von Werkzeugmaschinen mit Hilfe einfacher Elemente, z. B. Balkenelemente, womit die Berechnung komplexer Strukturen erstmals möglich wird (Abb. 14.2). In dieser Zeit entstehen viele wirkungsvolle Hilfsprogramme für die Konstruktionspraxis, z. B. QUB zur schnellen und einfachen Ermittlung von Querschnittsflächen, Trägheitsachsen und Trägheitsmomenten von komplizierten Ständerquerschnitten.

Abb. 14.2 Berechnungsmodell einer Einständermaschine mit Einspann- und Übergangseinflüssen [Döpp1968]

Auf Basis einfach approximierter Strukturmodelle erarbeitet Horst Bräuning [Bräu1973] in seiner Dissertation Ansätze zur Simulation instationärer Temperaturfelder in vorwiegend kastenförmigen Strukturen, z. B. Spindelkästen von Werkzeugmaschinen. Für diese dreidimensionalen Rechenmodelle werden auf Basis Fourier’scher Differentialgleichungen die Wärmeleitung und die Temperaturverteilungen in mechanischen Strukturen mit Hilfe von Digitalrechnern ermittelt.

14. Konstruktion und Berechnung von Werkzeugmaschinen (ab 1966)

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In den nachfolgenden Jahren werden, getrieben von den stetigen Weiterentwicklungen im Bereich der Rechnertechnik, zahlreiche Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der Finite-Elemente-Simulation einzelner Maschinenbauteile bis hin zu gesamten Maschinenstrukturen durchgeführt. Mit den Arbeiten von Rudi Noppen [Nopp1973] findet erstmals die FE-Berechnung Einzug in den Werkzeugmaschinenbau. In diesem Rahmen entsteht das legendäre Finite-Elemente-Programm FINEL am WZL, das viele Jahre das einzige und richtungsweisende FEM-Programm im Maschinenbau ist. Noppen entwickelt das Programm FINEL zunächst zur Approximation verschiedener Bauteile mit finiten Schalen- und Volumenelementen, womit eine effektive Berechnung der Deformations- und Spannungseigenschaften von Maschinenbetten möglich ist. Die Fortführung der FEM-Berechnung, bei der das WZL eine entscheidende Rolle spielt, bedeutet einen großen Entwicklungsschritt in der Berechnung des elastischen Strukturverhaltens von Werkzeugmaschinen. Rolf Finke [Fink1977] bearbeitet erstmals im Rahmen seiner 1977 veröffentlichten Dissertation Problemstellungen zur Simulation des dynamischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen auf Basis der Finite-Elemente-Methode. Mit Hilfe des entwickelten Programms DYNFIN berechnet er lineare Eigenformen und Eigenfrequenzen sowie Nachgiebigkeitsfrequenzgänge einzelner Strukturbauteile sowie von Werkzeugmaschinen-Baugruppen. An Fallbeispielen aus der Konstruktionspraxis bewertet er die erarbeiteten Ergebnisse verschiedener Berechnungen mittels messtechnischer Untersuchungen. Das Ziel von Max Klöcker [Klöc1981] ist die „Geräuschminderung an spanenden Maschinen“. Er entwickelt ein Rechenprogramm, mit dem die Schallabstrahlung einer Werkzeugmaschine abgeschätzt werden kann. Ausgehend von der dynamischen Bewegung der Maschinenoberfläche wird das Schallfeld im Raum um die Maschine berechnet. Die Körperschallübertragung und Schallabstrahlung der Gestellbauteile beeinflussen die von der Maschine abgestrahlte Gesamtschallleistung wesentlich. Alfred Heimann [Heim1977] untersucht in seiner Dissertation das Verhalten von Gestellbauteilen für Werkzeugmaschinen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode und leitet daraus Empfehlungen für deren beanspruchungsgerechte Gestaltung ab. Auf dieser Basis entsteht der erste analytisch erstellte Konstruktionskatalog für die optimale Gestaltung von Gestellquerschnitten. Neben der Entwicklung von Berechnungssoftware für Großrechner erkennt man am WZL sehr früh die Bedeutung der Kleinrechner für die Unterstützung des Konstruktionsprozesses von Werkzeugmaschinen. Mit seiner Arbeit zum Kleinrechnereinsatz für Berechnungsaufgaben im Konstruktionsbereich von Werkzeugmaschinen untersucht Norbert Diekhans [Diek1979] die Modellbildung von gesamten Maschinenstrukturen und veröffentlicht die Erkenntnisse 1979 in seiner Promotion. Er untersucht aufbauend auf den Vorarbeiten besonders das mechanische Verhalten und adäquate Modellierungsmethoden für verschiedene Maschinenelemente, z. B. Verschraubungen, Spindeln und Führungen. Die Erkenntnisse verifiziert er mit Beispielen aus dem Bereich des Werkzeugmaschinenbaus (Abb. 14.3). Der effektive Einsatz des Kleinrechners durch Diekhans stellt den Ausgangspunkt des Software-Pools dar, der bis heute besteht. Hier werden Programme entwickelt, die den Konstrukteur bei der Auslegung von Maschinenelementen und Strukturbauteilen unterstützen.

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MANFRED WECK, STEPHAN WITT

Abb. 14.3 Modellaufbau zur FE-Berechnung einer Senkrechtdrehmaschine [Diek1979]

Anfang der 1980er Jahre forscht Ernst-Knut Prößler [Pröß1980] zur experimentell-rechnerischen Analyse von Maschinenschwingungen. Hierbei dienen die Messergebnisse als Datenbasis zur Parameterbestimmung einfacher Maschinenmodelle auf Basis der Finite-Elemente-Methode. Die verifizierten Modelle werden anschließend zur Bewertung konstruktiver Änderungen genutzt. In den Jahren 1981 bis 1988 befassen sich Horst Heinrichs [Hein1981], Helmut Helpenstein [Help1983] und Thomas Rochlitz [Roch1988] mit der graphischen Datenverarbeitung, mit der Entwicklung von Methoden zur rationellen Netzgenerierung sowie der Nutzung von CAD-Geometrien zur Erstellung von FE-Modellen (Pre-Processing). Diese Arbeiten stellen wichtige Bausteine auf dem Weg zur benutzerfreundlichen Gestaltung von Finite-Elemente-Programmen dar und orientieren sich an den Anforderungen für eine effiziente konstruktionsbegeleitende Nutzung von Simulationen in der Werkzeugmaschinenindustrie sowie dem allgemeinen Maschinenbau. Andreas Heckmann [Heck1992] stellt ein Verfahren zur automatischen Zerlegung und Vernetzung von 3D CAD Modellen vor. Die Arbeit ist ein weiterer wichtiger Schritt auf dem Weg zur interaktiven benutzergeführten Nutzung von FE-Simulationen im Konstruktionsprozess. Diese Arbeiten werden 1997 von Frank Boshoff [Bosh1997] weitergeführt und um einen bidirektionalen Datenaustausch zwischen FE- und CAD-System erweitert. Dies ermöglicht die Rückführung von Optimierungsergebnissen aus FEBerechnungen in den CAD-gestützten Konstruktionsprozess (Abb. 14.4). Mit der fortschreitenden Entwicklung kommerzieller Finite-Elemente-Programme verlagert sich auch der Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten am WZL. Er liegt forthin auf der Anwendung der kommerziellen Programmsysteme und weniger auf der

14. Konstruktion und Berechnung von Werkzeugmaschinen (ab 1966)

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Abb. 14.4 Rückführung von Optimierungsergebnissen in eine CAD-Umgebung [Bosh1997]

Entwicklung theoretischer Zusammenhänge oder der programmtechnischen Weiterentwicklung. Im Fokus stehen werkzeugmaschinenspezifische Fragestellungen, z. B. die Parameterbestimmung für die Modellbildung von Maschinenelementen in Gesamtmodellen von Werkzeugmaschinen. 1998 veröffentlicht Paul Helmut Nebeling [Nebe1998] seine Arbeit zum Thema „Abgleich der dynamischen Eigenschaften numerischer Modelle mit realen mechanischen Strukturen“. Hierbei werden die Ergebnisse messtechnischer Untersuchungen genutzt, um die unbekannten Parameter numerischer Modelle von Werkzeugmaschinen zu bestimmen. Diese Anpassung der Parameter, z. B. der unbekannten Dämpfungseigenschaften, erfolgt durch die Formulierung eines Optimierungsproblems mit entsprechenden Zielfunktionen und Restriktionen (Abb. 14.5). Anhand einfacher Prüfstandsaufbauten und auch gesamter Werkzeugmaschinenstrukturen wird der automatische Abgleich entwickelt und verifiziert. In der jüngeren Vergangenheit beschäftigen sich die Forschungsarbeiten im Themenbereich „Simulation des dynamischen Verhaltens“ mit der Betrachtung des gesamten mechatronischen Systems einer Werkzeugmaschine. Bei diesen Simulationen werden sowohl das dynamische Verhalten der Maschinenstruktur als auch das Verhalten der Antriebsregelung berücksichtigt. Marcus Queins [Quei2005] veröffentlicht seine Dissertation zur Simulation des dynamischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen mit Hilfe flexibler Mehrkörpermodelle. Er entwickelt eine Vorgehensweise zur Simulation des mechatronischen Gesamtsystems, bei der die Maschinenstruktur mit Hilfe flexibler Mehr-

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Abb. 14.5 Strategie zum Modellabgleich von FE-Modellen mit Hilfe messtechnischer Untersuchungen [Nebe1998]

körpermodelle abgebildet wird und mit Modellen der Antriebsregelkreise in einer Computer-Aided-Control-Engineering-Umgebung (CACE) gekoppelt simuliert wird. Anhand zahlreicher praktischer Anwendungen stellt er die Praxistauglichkeit zur Simulation der Wechselwirkung zwischen Strukturdynamik und Antriebsregelung dieses Verfahrens unter Beweis. Aktuelle Arbeiten beschäftigen sich mit der integrierten Simulation der Wechselwirkung zwischen Werkzeugmaschine, Werkstück und Fertigungsprozess. Stephan Witt entwickelt und verifiziert im Rahmen des vom BMBF geförderten Verbundprojektes SindBap „Simulation industrieller Bearbeitungsprozesse“ Methoden zur simulativen Abschätzung der Prozessstabilität und des Fertigungsergebnisses. Hierbei wird eine Simulationsumgebung aufgebaut, die mit gekoppelten flexiblen Mehrkörpermodellen das Maschinenverhalten und mit analytischen Modellen das Prozessverhalten abbildet (Abb. 14.6).1 Einen weiteren Schwerpunkt der Arbeiten stellt die Aufbereitung und anwendungsfreundliche Darstellung von Berechnungsergebnissen für den Konstruktionsprozess dar. Bernhard Müller-Held und Günther Körner bearbeiten derzeit das von der AiF geförderte Projekt zum Thema „Interaktive Analyse von positionsabhängigen FE-Ergebnis-

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Christian Brecher, Fritz Klocke, Stephan Witt, et al.: Integrierte Simulation von Prozess, Werkstück und Maschine. Wettbewerbsfaktor Produktionstechnik. Tagungsband zum AWK 2005. Aachen 2005, S. 307 ff.

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Abb. 14.6 Integrierte Simulation von Prozess, Werkstück und Werkzeugmaschine

daten im gesamten Arbeitsraum am PC oder mit Hilfe der Virtual Reality“. Hier werden Verfahren entwickelt, die eine einfache und automatisierte Darstellung komplexer Berechnungsergebnisse ermöglichen und so dem Konstrukteur bereits während der Entwicklungsphase mit Hilfe der virtuellen Realität einen genaueren Einblick in das strukturmechanische Maschinenverhalten ermöglicht.2 14.3 Numerische Simulation des thermischer Eigenschaften Um bei Neukonstruktionen unabhängig von kostspieligen und zeitaufwändigen Prototypenuntersuchungen eine Analyse des thermischen Verhaltens durchführen zu können, ist es wünschenswert, den Wirkzusammenhang zwischen der eingespeisten Energie und der thermisch bedingten Beeinflussung der Arbeitsgenauigkeit bereits im Entwurfs- und Konstruktionsstadium rechnerisch zu erfassen und vorauszubestimmen. Mit diesem Ziel widmet sich Ludger Zangs [Zang1975] der simulativen „Berechnung des thermischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen“ auf Basis der Finite Elemente Methode. Dabei bildet er den Zusammenhang zwischen Temperaturverteilung und Verlagerungen über thermische Ersatzkräfte ab, die als äußere Kräfte aufzufassen sind und die gleichen Verlagerungen hervorrufen, wie sie in Folge einer Bauteilerwärmung entstehen. Durch den Einsatz gleicher finiter Elementtypen bei der Temperatur- und Verlagerungsberechnung und der damit möglichen modularen Programmstruktur gelingt es Zangs, den Speicher- bzw. Zeitbedarf für die Berechnung z. B. der in Abbildung 14.7 gezeigten Spindelverlagerung einer Schrägbettdrehmaschine um den Faktor 3 gegenüber der bisher angewandten Differenzenmethode zu reduzieren.

2

Rouven Meidlinger, Bernhard Müller-Held: FE-Ergebnisdarstellung mit Hilfe der virtuellen Realität und Maschinenbeurteilung im Arbeitsraum, Seminar „Messtechnik und Strukturanalyse im Werkzeugmaschinenbau“, WZL-Seminar. Aachen 2005.

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MANFRED WECK, STEPHAN WITT

Abb. 14.7 Vergleich von gemessenen und berechneten thermischen Verlagerungen [Zang1975]

In einer Vielzahl von Forschungsvorhaben wird fortan das thermische Verhalten von einzelnen Bauteilen und Baugruppen sowie kompletter Werkzeugmaschinen im Hinblick auf die Bearbeitungsgenauigkeit am Tool Centre Point (TCP) einer Maschine untersucht, beurteilt und optimiert. Dabei steht insbesondere das thermoelastische Verlagerungsverhalten in Folge Hauptspindelrotation sowie bewegter Linearachsen aufgrund der ausgeprägten Wärmeemission der Motoren und Antriebe im Mittelpunkt der Forschungsaktivitäten. In diesem Zusammenhang führt In-Ung Eun [Eun1999] eine „Optimierung des thermischen Verhaltens von elektrischen Linearmotoren für den Einsatz in Werkzeugmaschinen“ durch. Er beschreibt den wesentlichen Nachteil der relativ neuen Antriebstechnik in der hohen Verlustleistung und der damit verbundenen Erwärmung der Motoren und der sie umgebenden Maschinenstruktur. Daher untersucht Eun den Einsatz von verschiedenen Isolierschichten zwischen Primärteil und Schlitten sowie Sekundärteil und Maschinenbett. Darüber hinaus führt er umfangreiche Tests zur Flüssigkeitskühlung motorangrenzender Strukturen durch, bei denen er Kühlparameter wie Durchflussmenge oder Bauform des Kühlers selbst variiert. 14.4 Numerische Optimierung von Bauteileigenschaften Neben der reinen Simulation strukturmechanischer Eigenschaften im Verlauf des Konstruktionsprozesses ist der Einsatz numerischer Optimierungsverfahren von großer technischer und wirtschaftlicher Bedeutung. Durch den konstruktionsbegleitenden

14. Konstruktion und Berechnung von Werkzeugmaschinen (ab 1966)

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Einsatz können bereits im Vorfeld die Eigenschaften eines Produktes gezielt verbessert und den Anforderungen angepasst werden. Zahlreiche Arbeiten beschäftigen sich mit Optimierungsproblemen unter Berücksichtigung der speziellen Anforderung an moderne und leistungsfähige Werkzeugmaschinen. Peter Steinke [Stei1983] befasst sich 1983 erstmals mit numerischen Verfahren zur Spannungs- und Gewichtsoptimierung von Maschinenbauteilen. In seinen Ausarbeitungen formuliert er die Optimierungsziele als Variationsproblem der Form- sowie Parameteroptimierung auf Basis von Finite-Elemente-Modellen. Die Optimierungen werden an kritischen Bereichen (Kerben) von Maschinenbauteilen durchgeführt, z. B. an hochbelasteten Maschinenbetten und -ständern, die mit zweidimensionalen finiten Elementen approximiert sind. Frank Förtsch [Fört1988] stellt in seiner Dissertation Methoden und Anwendungen zur Optimierung des mechanischen Verhaltens von Bauteilen vor. Im Rahmen seiner Arbeiten entwickelt er die Softwaresysteme SPINOPT und DYNOPT zur Multikriterienoptimierung des statischen und dynamischen Verhaltens von Bauteilen auf Basis der Finite-Elemente-Methode. Zur Verringerung des Rechenaufwandes werden Zerlegungen der Finite-Elemente-Modelle der Gesamtstruktur in Teilstrukturen mit Hilfe der statischen Kondensation genutzt. Die Vektoroptimierungsprobleme werden hierbei für die Rechnungen mit Hilfe der Gewichtungsmethode in ein skalares Problem transformiert. Die Anwendbarkeit der Methode wird mit zahlreichen Beispielen bewiesen. Gregor Kölsch [Köls1992] befasst sich mit dem Thema der diskreten Optimierungsprobleme im Werkzeugmaschinenbau. Mit dem entwickelten Programmsystem CADOPT zur Bearbeitung nichtlinearer diskreter Optimierungsprobleme, das mit einer Bedienoberfläche aus dem CAD-Programm CATIA gesteuert werden kann, wird ein erster Schritt zu einer integrierten Konstruktionsumgebung vollzogen. Die Funktionalitäten des Optimierungsprogramms werden sowohl an Beispielen der Parameteroptimierung als auch der Topologieoptimierung getestet und deren industrielle Anwendbarkeit unter Beweis gestellt (Abb. 14.8). Thorsten Nottebaum [Nott1993] entwickelt Verfahren zur Optimierung des thermoelastischen Verhaltens von Strukturen aus faserverstärkten Werkstoffen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode. Im Rahmen seiner Arbeiten entwickelt er das Programm STRATHOS, das zur Optimierung von Finite-Elemente-Strukturen mit Schalenelementen dient. Als Restriktionen für die Optimierungen werden Verformungen, Spannungen und Versagenskriterien unter instationären thermischen Lasten sowie deren Gradienten nach Faserwinkel und Dicke der einzelnen Laminatschichten berücksichtigt. In seiner Dissertation beschäftigt sich Walter Sprangers [Spra1994] mit der Entwicklung und Anwendung von Verfahren zur 3D-Gestaltoptimierung dickwandiger, massiver Bauteile. Bei seinem Ansatz wird das FE-Netz mit sogenannten Gestaltfunktionen verändert, die vor der eigentlichen Optimierungsrechnung in einem zusätzlichen Rechenschritt ermittelt werden. Zur praxisgerechten Nutzung von Optimierungsrechnungen ist die berechenbare Modellgröße sowie die Rechenzeit von entscheidender Bedeutung. Vor diesem Hintergrund erarbeitet Margot Ruschitzka [Rusc1994] Dekompensationsstrategien für die Strukturoptimierung komplexer Bauteile unter Berücksichtigung der Architektur

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Abb. 14.8 Topologieoptimierung als diskretes Optimierungsproblem [Köls1992]

von Multiprozessor-Rechnersystemen und veröffentlicht die Ergebnisse in ihrer Dissertation 1994. In ihrer Arbeit stellt sie zum einen Strategien zur Aufspaltung komplexer Optimierungsprobleme vor, die anschließend unabhängig voneinander gelöst werden können. Zum anderen beschreibt sie eine Vorgehensweise zur Parallelisierung solcher Optimierungen auf Multiprozessor-Systemen und trägt damit zu einer Reduzierung der Rechenzeit bei. Dies ermöglicht es den Forschern am WZL, immer komplexere Strukturen mit einer hohen Anzahl an Freiheitsgraden zu berechnen. Einen weiteren wichtigen Schritt zur industriellen Anwendbarkeit von Optimierungsverfahren erarbeitet Jochen Asbeck [Asbe1996] im Rahmen seiner Dissertation und veröffentlicht die Ergebnisse 1996 zum Thema „Automatisierter Entwurf mechanisch optimaler Bauteile durch Integration von CAD und Strukturoptimierung“. Er wendet die Topologieoptimierung erstmals auf dreidimensionale Problemstellungen an und entwickelt Methoden zur Lösung der Optimierungsprobleme mit Hilfe der mathematischen Programmierung (Abb. 14.9). Zur effizienten Nutzung der Optimierungsergebnisse im Konstruktionsprozess entwickelt er ein Schema zur Glättung der optimierten Struktur, welches eine leichtere und effiziente Nutzung der Berechnungsergebnisse für den Konstrukteur ermöglicht. Annette Büßenschütt [Büße1998] veröffentlicht ihre Dissertation zum Thema „Gestaltoptimierung zur funktions- und gussgerechten Auslegung komplexer Bauteile“. In der Arbeit wird die Entwicklung des Programmsystems GESTALT vorgestellt, das die Optimierung komplexer Bauteile nach der Belastung und zusätzlich nach Kriterien der Energie- und Materialgesetze unter Berücksichtigung bindender konstruktiver und

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Abb. 14.9 Topologieoptimierung der Koppeln einer Werkzeugmaschine mit Parallelkinematik [Asbe1996]

fertigungstechnischer Vorgaben ermöglicht, z. B. der gießtechnischen Gestaltung. Einige Jahre später beschäftigt sich Christoph Hessel [Hess2003] mit dem Verfahren zur Integration der Topologieoptimierung in den CAD-gestützten Entwicklungsprozess. Das entwickelte Flächenrückführungssystem TOPOCAD ermöglicht eine automatisierte Rückführung der Optimierungsergebnisse in ein 3D-CAD-System (Abb. 14.10). Bei diesem Ansatz wird nach einer Glättung der Oberfläche des optimierten FE-Netzes eine Aufteilung in Regelgeometrien und Freiformflächen vorgenommen und in Form von Standardformaten zur Weiterverarbeitung im Konstruktionsprozess aufbereitet. Ein Verfahren zur Steigerung der Zahnfußtragfähigkeit von einsatzgehärteten Stirnrädern durch rechnerische Zahnfußoptimierung erarbeitet Olaf Brömsen [Bröm2005]. Er entwickelt ein Optimierungsverfahren auf Basis der 2D-Finite-Elemente-Methode, das die Restriktionen der in der Praxis verwendeten spanenden Fertigungsverfahren berücksichtigt und die Einflüsse der Fertigungsverfahren auf die Tragfähigkeit erfasst. Daniel Zuber führt die Arbeiten in einem von der DFG geförderten Projekt zum Thema „Gestaltoptimierung zur Maximierung der Dauerfestigkeit von Bauteilen mit Randschichtverfestigung“ fort und erweitert die Berechnungen auf die 3D-Simulation unter Berücksichtigung von Eigenspannungen und des Festigkeitsverlaufs in der Randschicht der Zahnräder.3

3

Daniel Zuber: Tragfähigkeits- und fertigungsorientierte Zahnfußoptimierung einsatzgehärteter Stirnräder, 46. Arbeitstagung „Zahnrad- und Getriebeuntersuchung“. Aachen 2005.

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Abb. 14.10 Flächenrückführung topologieoptimierter FE-Netze [Hess2003]

14.5 Entwicklung von CAD-Software und Kopplung mit Berechnungsprogrammen Neben der Simulation und Optimierung des strukturmechanischen Verhaltens ist die Rechnerunterstützung des Konstruktionsprozesses von großer Bedeutung. Hier werden am WZL zahlreiche Ansätze zur Integration unterschiedlicher Hilfsmittel in den computergestützten Gestaltungsprozess entwickelt und ihre Praxistauglichkeit unter Beweis gestellt. Anfang der 1970er Jahre entwickelt Udo Baatz [Baat1971] Ansätze zum bildschirmgestützten Konstruieren. Er beschäftigt sich mit Fragestellungen der Funktionsfindung, Prinziperarbeitung, Gestaltung und Detaillierung mittels graphischer Datenverarbeitungsanlagen im Konstruktionsprozess. Neben der Rechnerunterstützung befassen sich die Arbeiten ebenfalls mit der optimalen Funktionsfindung von Einzelmaschinen durch systematisches Vorgehen bei der Problemlösung. Klaus Schlemper [Schl1972] erarbeitet eine Vorgehensweise zur Gestaltung von Spindel-Lager-Systemen und Maschinengestellen für Werkzeugmaschinen im Dialog zwischen Konstrukteur und Computer (Abb. 14.11). Robert Gillessen [Gill1978] behandelt die graphische Datenverarbeitung im Konstruktions- und Entwicklungsbereich. Er zeigt mögliche Einsatzfelder für den Einsatz eines Digitalisierungsgerätes im Maschinenbau sowohl für Beispiele der Zeichnungserstellung als auch für die Erstellung von komplexen Berechnungsmodellen. In seiner Dissertation bearbeitet Bernhard Carl [Carl1989] Problemstellungen zur datenbankorientierten Kopplung von CAD-Modulen als einen Beitrag zur Lösung des Schnittstellen-Problems im CAD-Bereich. Hierbei stellt er die Anwendbarkeit der Datenbeschreibungssprachen (DLL) und der Datenmanipulationssprache (DML) zum

14. Konstruktion und Berechnung von Werkzeugmaschinen (ab 1966)

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Abb. 14.11 Systemkonfiguration eines Bildschirmarbeitsplatzes zum rechnergestützten Konstruieren [Schl1972]

Zweck der Programmkopplung unter Beweis und zeigt dies an Beispielen aus dem Bereich Konstruktion und Berechnung. Gegenstand der von Diethard Struck [Stru1989] veröffentlichten Arbeit ist die Konzeption und Entwicklung einer wissensbasierten Konstruktions- und Planungsumgebung. Die entwickelte Programmumgebung ermöglicht die Nutzung der Graphentheorie zur Problemlösungsfindung sowie die 3D-Geometriemodellierung zur Umsetzung in einen realen Konstruktionsentwurf. Im Jahr 1995 veröffentlicht Bernhard Behr [Behr1995] seine Dissertation zum industriellen Einsatz von Werkzeugen für die rechnerunterstützte Konstruktion auf der Basis autonomer Wissensdarstellungsformen. Im Rahmen der Arbeit wird eine Vorgehensweise entwickelt, die den produktorientierten Entwicklungsprozess unterstützt und aufgabenorientierte und autonome Wissensmodule nutzt. Zur Darstellung der Anwendbarkeit dieses Verfahrens im Konstruktionsprozess wird das Programmsystem SPILEX zur rechnergestützten Konstruktion von Spindel-Lager-Systemen entwickelt (Abb. 14.12). Mit seiner Dissertation Ende der 1990er Jahre erarbeitet Sebastian Repetzki [Repe1997] erste Ansätze zum ingenieurgerechten Konstruktionsarbeitsplatz. Seine Idee besteht darin, eine Vielzahl unterschiedlicher CAE-Systeme einzubinden. Er stellt die Anwendbarkeit an praxisnahen Beispielen, z. B. der Entwicklung einer Hydraulik-Baugruppe, unter Beweis. Eine weiterführende Arbeit zum Thema des Konstruktionsarbeitsplatzes veröffentlicht Michael Dammer [Damm2003], in der er die Entwicklung eines gesamtheitlichen Konstruktionsarbeitsplatzes vorsstellt, mit dem die Ableitung unterschiedlicher Berech-

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Abb. 14.12 Systemaufbau eines wissensbasierten Konstruktionssystems für den Entwurf von Spindel-Lager-Systemen [Behr1995]

nungsmodelle für die Werkzeugmaschinenkonstruktion weitestgehend automatisch durchgeführt werden kann. Dazu entwirft er ein objektorientiertes Datenmodell, das Konstruktionsobjekte für die Beschreibung von Werkzeugmaschinen zur Verfügung stellt, welche beispielsweise FE-Berechnungsprogrammen zugeführt werden können. In der entwickelten Konstruktionsumgebung werden die einzelnen CAE-Programme mit Hilfe eines übergeordneten Konstruktions-Management-Systems verwaltet. Neben der effektiven Nutzung von Hilfsmitteln für die Konstruktion ist der konstruktionsbegleitende und integrierte Einsatz moderner Berechnungswerkzeuge von großer Wichtigkeit für eine wirtschaftliche und effektive Entwicklung von Werkzeugmaschinen. Vor dem Hintergrund der praktischen Nutzung numerischer Hilfsmittel im Konstruktionsprozess werden zahlreiche Berechnungsprogramme im „Software-Pool“ am WZL entwickelt, die für die Lösung zahlreicher Fragestellungen aus dem allgemeinen Maschinen- und Werkzeugmaschinenbau zugeschnitten sind. Ab den 1980er Jahren entstehen zahlreiche Programme, die teilweise auf analytischen Zusammenhängen basieren, bis hin zu eigenen Finite-Elemente-Programmen. Besonders großen Anklang finden speziell vom WZL entwickelte Softwaresysteme zu spezifischen Fragestellungen des Werkzeugmaschinenbaus. Beispielsweise wird das Programm „NewSpilad“ zur FE-Berechnung des statischen, thermischen, gedämpften/ungedämpften dynamischen Verhaltens sowie zur Berechnung

14. Konstruktion und Berechnung von Werkzeugmaschinen (ab 1966)

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der Fliehkraftverlagerung von Spindel-Lager-Systemen entwickelt und findet weite Verbreitung bei Spindelherstellern und im Werkzeugmaschinenbau. Der Betriebszustand beliebig belasteter Spindellager unter Berücksichtigung aller Drehzahl- und Temperatureffekte kann durch die Software „Lager6“ bzw. „WinLager“ ermittelt werden. Das Programm „Führung“ berechnet die Verlagerung von Kraftangriffspunkten bei beliebig angeordneten Linearführungen mit Gleit-, Wälz, hydrostatischen und aerostatischen Führungsprinzipien.

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Rechnereinsatz in Konstruktion, Arbeitsvorbereitung, Fertigung und Montage (ab 1968) FELIX CANALES, WALTER EVERSHEIM, THOMAS NAD

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FELIX CANALES, WALTER EVERSHEIM, THOMAS NAD

Gliederung 15.1 Einleitung 15.2 Rechnereinsatz in der Konstruktion (Computer Aided Design/ CAD) 15.2.1 Rechnerunterstützte Zeichnungserstellung 15.2.2 Kopplung von Grafik mit Auslegungs- und Berechnungsprogrammen 15.2.3 Rechnerunterstützte Konstruktion 15.3 Rechnereinsatz in der Arbeitsvorbereitung (Computer Aided Process Planning/ CAPP) 15.4 Integrierte Informationsverarbeitung (Computer Integrated Manufacturing/ CIM) 15.5 Ingenieurwissen, Datenbanken, Lebenszyklusmodelle

15. Rechnereinsatz (ab 1968)

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15.1 Einleitung Während in den 1950er und Anfang der 1960er Jahre die Fertigung von Konsum- und Investitionsgütern mit den Zielen Rationalisierung und Automatisierung im Vordergrund steht, zeichnet sich ab ca. 1968/69 ab, dass zunehmend die der Fertigung zeitlich vorgelagerten Bereiche Konstruktion und Arbeitsvorbereitung sowie die nachgelagerte Montage in der produzierenden Industrie bei den Zielen Produktivitätssteigerung, Durchlaufzeitverkürzung, Kostensenkung und Qualitätssteigerung an Bedeutung gewinnen. Lösungsansätze, die geeignet sind, um diese Zielsetzungen zu erreichen, können mit systematischen Methoden und Hilfsmitteln konventionell, aber zum Ende der 1960er Jahre auch vermehrt durch den Einsatz elektronischer Datenverarbeitungssysteme (EDV) realisiert werden. Ähnlich wie die Entwicklung der NC-Technik treibt D. T. Ross Ende der 1950er Jahre die sogenannte „grafische Datenverarbeitung“ unter dem Begriff „Computer Aided Design“ (CAD) voran. Am Rechenzentrum der RWTH Aachen wird 1969 auf Initiative von Opitz und nach dem AWK von 1968, das sich bereits mit dieser Thematik beschäftigt, ein Rechner des Typs CD 1700 der Firma Control Data, USA, mit einem „aktiven“ Bildschirm installiert. Mittels eines „Light Pen“ (Photozelle) kann eine Verbindung zum Elektronenstrahl der Bildröhre hergestellt werden, so dass ein „Zeichnen“ und damit eine grafische Ein- und Ausgabe mit hoher Informationsdichte als Ergänzung der bis dahin verarbeitbaren alpha-numerischen Zeichen möglich wird. Diese neue Computertechnologie eröffnet zusätzliche Möglichkeiten für die Rechneranwendung beim Zeichnen (Drafting) und Konstruieren (Design), aber auch bei der Arbeitsplanung (Computer Aided Planning/ CAP) und NC-Programmierung und fertigung (Computer Aided Manufacturing/ CAM). Konstruktions- und Produktionslehrstühle bzw. -institute in Aachen, Berlin, Bochum, Braunschweig, Darmstadt, München und Stuttgart greifen die Chance auf und beschäftigen sich in Forschungs- und Entwicklungsprojekten mit der Anwendung dieser neuartigen grafischen Datenverarbeitung. Am WZL der RWTH Aachen werden Analysen in zahlreichen Maschinenbauunternehmen durchgeführt, um herauszufinden, für welche Arbeiten bzw. Tätigkeiten in Konstruktion und Arbeitsvorbereitung ein Rechnereinsatz (CAD/ CAP/ CAM) Vorteile bezüglich Beschreibung, Kostensenkung und Qualitätssteigerung bieten kann. Die Ergebnisse dieser Tätigkeitsanalysen zusammen mit den Erkenntnissen aus der Werkstückstatistik zur Teilefamilienbildung bestimmen im Folgenden die Entwicklung zu CAx-Systemen und deren Prioritäten am WZL. 15.2 Rechnereinsatz in der Konstruktion (Computer Aided Design) Die Häufigkeitsverteilungen aus den Tätigkeitsanalysen zeigen, dass die „Konstrukteure“ ca. 30-40 % ihrer Arbeitszeit damit verbringen zu zeichnen, das heißt ihre Lösungen in Form von Einzelteil-, Baugruppen- oder Gesamtzeichnungen zu dokumentieren. Getreu dem Ansatz „Automatisierung setzt Systematisierung voraus“1 werden am

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Walter Eversheim: Produktionsmanagement I. Vorlesungsskript, RWTH Aachen. Aachen 2001.

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WZL ab Ende der 1960er Jahre im Rahmen der rechnerunterstützten Konstruktion Arbeiten zur Systematisierung der Konstruktionsaufgaben durchgeführt. Rolf Simon [Simo1968] untersucht die Möglichkeit der Anpassung der Konstruktion an den gestiegenen Produktivitätsstand in der Fertigung durch EDV-Anlagen in der Konstruktion. Zur Systematisierung und Standardisierung des Konstruktionsprozesses entwickelt er Maßnahmen zur Datenaufbereitung und konzipiert eine Programmiersprache für Konstruktionsprobleme. In seiner Arbeit entwickelt Simon ein Hilfsmittel zur Lösung von repetitiven und gleichartigen Arbeiten, von Routinetätigkeiten und von logisch ablaufenden Prozessen auf der Basis des zuvor in den USA entwickelten Systems „Computer Aided Design“ (CAD), wobei hier das „D“ anfänglich mehr für Drafting=Zeichnen als für Design= Konstruieren steht. Aus den Vorarbeiten von Simon und weiteren Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen zu den Themen CAD und GDV (Grafische Datenverarbeitung) von Udo Baatz [Baat1971] ergeben sich vier Forschungslinien, die ab jetzt im WZL verfolgt werden: • Rechnerunterstützte Zeichnungserstellung (Drafting), • Kopplung von Grafik mit Auslegungs- und Berechnungsprogrammen, • Rechnerunterstützte Konstruktion (Computer Aided Design/ CAD), • Nutzung und Kopplung von Zeichnungsinformationen mit nachgeschalteten rechnergestützten Arbeitsplanungs- und NC-Programmiersystemen. Hans-Werner Butz [Butz1974] nimmt Mitte der 1970er Jahre eine Bewertung von Geräten und Programmsystemen zum CAD-Einsatz vor und entwickelt auf dieser Basis ein flexibles Programmsystem zur Auswahl von Programmen und Geräten für einzelne Tätigkeiten im Konstruktionsprozess. 15.2.1 Rechnerunterstützte Zeichnungserstellung Aus einem ersten Prototypsystem (DETAIL1), das die Erstellung von Einzelteilzeichnungen unterstützt, entwickeln Harald Prior [Prio1980] und Peter Patt [Patt1982] das System „DETAIL2“, das zur rechnerunterstützten Detaillierung von Rotationsteilen dient. Die Untersuchungen zur Werkstückstatistik haben gezeigt, dass im Maschinenbau ca. 80 % der Einzelteile rotationssymmetrische Teile (Wellen, Zahnräder, Bolzen, Buchsen, Ringe, Deckel etc.) sind, die mit einer zweidimensionalen Abbildung vollständig zu beschreiben sind. Diese Tatsache erlaubt zum einen eine vereinfachte rechnerinterne Darstellung (RID) mit weniger Speicherkapazität als 3-D-Modelle, zum anderen können auch klein- und mittelständische Unternehmen somit CAD-Anwendungen auf den inzwischen verfügbaren Kleinrechnern und Personalcomputern (PC) wirtschaftlich realisieren. Das Programmsystem „DETAIL2“ verfügt über ein vollautomatisches Bemassungsprogramm, das je nach Anforderung von einer funktionsgebundenen Bemassung auf eine bearbeitungsgerechte umgeschaltet werden kann. Hierbei bieten die Statistiken über Funktions- und Formelemente, die später bei der Weiterentwicklung als „Features“ bezeichnet werden, eine essentielle Voraussetzung. Die Ablage bzw. Speicherung dieser häufigsten „Features“ im Rechner oder auf Speichermedien unterstützt eine „parametrische Konstruktionssystematik“.

15. Rechnereinsatz (ab 1968)

Abb. 15.1 Anwendungsbeispiel für DETAIL2

Abb. 15.2 Aufbau eines werkstückbeschreibenden Klassifizierungssystems [Simo1968]

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15.2.2 Kopplung von Grafik mit Auslegungs- und Berechnungsprogrammen Im Jahr 1978 dokumentiert Werner Bracke in seiner Dissertation [Brac1978] die Erfahrungen, die mit der rechnerunterstützten Auslegung von Industrieanlagen gesammelt wurden. Gerd Brüninghaus [Brün1979] setzt CAD-Systeme mit Erfolg für die Konstruktion von Baukastenvorrichtungen ein. Rainer Koch [Koch1985] entwickelt schließlich diese Vorarbeiten weiter zu einem „Modularen System für die Projektierung und Angebotskonstruktion“. Projekte und Arbeiten, die vornehmlich die Kopplung von grafischer Repräsentation und Programmen zur „Finite-Elemente-Berechnung/ FEM“ zum Gegenstand haben, werden in Kapitel 18 in diesem Buch beschrieben. 15.2.3 Rechnerunterstützte Konstruktion (CAD) Ende der 1970er Jahre entwickelt Hans-Jürgen Wessel-Schlickmann [Wess1979] ein modellhaftes CAD-System, welches den Konstruktionsprozess in verschiedenen Einzelunternehmen abbilden soll. Dazu werden zunächst die Konstruktionsaufgaben nach ihren Anforderungen strukturiert. Des Weiteren werden Möglichkeiten zur Kopplung der verschiedenen Programmbausteine bestimmt und analysiert. Somit stellt diese Arbeit die Weichen für die Integration verschiedener Arbeitsschritte durch Programme und Systeme. Das beispielhaft entwickelte Programm VABKON ist ein System zur Variantenkonstruktion von Baugruppen bei Werkzeugmaschinenbetrieben, das unabhängig von unternehmensspezifischen Voraussetzungen auf verschiedene Produkte oder Produktvarianten angewendet werden kann. Hiermit wird der erste Schritt zur Erschließung des EDV-Potenzials in der Variantenkonstruktion unternommen.

Abb. 15.3 Integration der Systeme FREKON und VABKON [Wess1979]

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15. Rechnereinsatz (ab 1968)

Im Jahre 1980 wird das CAD-Modell VABKON aus dem vorangegangenen Jahr zu einem flexibel einsetzbaren Programmsystem zur freien Gestaltung eines breiten Spektrums an WZM-Baugruppen weiterentwickelt. Das neue von Ernst Albien [Albi1980] entwickelte Programm FREKON ist ein lernendes System, welches auch für die Anwendung auf Nichtrotationsbauteile konzipiert ist. Es arbeitet nach dem Generierungsprinzip und unterstützt die freie Konstruktion (FREKON).

Abb. 15.4 Beispiel für die Volumengenerierung eines Blechteils mit parallelen Biegeachsen [Abol1985]

Mit steigender Leistungsfähigkeit der Rechner (Rechengeschwindigkeit und Speicherkapazität) und mit dem Ausbau der CAD-Softwaresysteme zu 3D-Flächen- und 3DVolumenmodellen werden auch die CAD-Anwendungsprogramme weiterentwickelt. So beschäftigt sich Hans Schmeink [Schm1983] mit der „Rechnerunterstützten Erstellung von Baugruppenzeichnungen“ und demonstriert die Praktikabilität seiner Lösung am Beispiel eines Kegelradgetriebes. Gunter Abolins [Abol1985] modelliert prismatische Werkstücke und beschäftigt sich mit der Abwicklung von Blechteilen. Im Rahmen des deutsch-norwegischen Kooperationsprojektes Advanced Production System (APS) werden in den Jahren von 1981 bis 1987 moderne CAD/CAM-Werkzeuge und -Systeme für mechanische Konstruktion entwickelt und für die industriel-

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le Nutzung verwendungsfähig gemacht. Das Projekt wird im Wesentlichen von der Stiftung für Wissenschaft und industrielle Forschung am Norwegischen Institut für Technologie (SINTEF) in Trondheim, dem Zentralinstitut für industrielle Forschung (SI) in Oslo und auf deutscher Seite vom IPK Berlin und dem WZL durchgeführt, unterstützt von den jeweiligen Forschungsministerien. Es werden vier wesentliche Arbeitsschwer-

Abb. 15.5 Arten und Status der Ergebnisse des APS Projektes

punkte in den Mittelpunkt des Projektes gerückt, welches in zwei Phasen unterteilt ist. Von 1981 bis 1984 werden zunächst bestehende CAD/CAM-Module verbessert und integriert, bevor in den Jahren 1985 bis 1987 einige neue Module entwickelt werden und die Implementierung und Anpassung an die industriellen Bedürfnisse in den Vordergrund rücken. Den ersten Arbeitsschwerpunkt bildet die Entwicklung des APS Geometric Modeller auf der Basis der Systeme COMPAC und SS. Darauf folgt der Aufbau eines Produktdatenmodells, welches vor allem die Integrationsfähigkeit des Systems mit weiteren bestehenden Systemen verbessern soll. Des Weiteren erfolgen eine Untersuchung der Schnittstelle Mensch/Maschine und abschließend die Entwicklung verschiedener integrierbarer Maschinenelementberechnungsverfahren im Rahmen der industriellen Anwendung. So wird ein CAD/CAM-System entwickelt, das sowohl praxisnah und anwenderfreundlich gestaltet ist als auch den Anforderungen des kommerziellen Marktes entspricht.2 Wissensmanagement im Rahmen der Konstruktion rückt erstmalig 1987 in den Vordergrund. Georg Buchholz [Buch1987] entwickelt ein Modul zur funktionalen Beschreibung

15. Rechnereinsatz (ab 1968)

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Abb. 15.6 Aufbau und Ablauf der Problemlösungskomponente im Wissensmanagement [Stru1989]

der Produktidee und somit zum Aufbau einer Funktionsstruktur in der Konstruktion. Dieses Modul ist in der Lage, nicht nur grafische Darstellungen, sondern auch organische und logische Zusammenhänge zu verwalten und lässt sich in der mechanischen Konstruktion des Maschinenbaus universell einsetzen. Es werden zwar nur spezielle Algorithmen und Eingabetechniken ergänzt und die eigentliche Abbildung der Konstruktion nicht erweitert, aber dafür erstmals Schnittstellen zu vor- und nachgelagerten Bereichen wie Arbeitsplanung oder NC-Programmierung betrachtet. In diesem Punkt trägt die Arbeit auch einen wichtigen Teil zur Erstellung eines durchgängig unterstützten Produktgestaltungsprozesses bei. Zwei Jahre später erarbeitet Diethard Struck [Stru1989] eine Designumgebung zur Einbeziehung der Wissensverarbeitung in die Bereiche der Konstruktion und Planung. Diese Umgebung unterstützt die Repräsentation und Verarbeitung des teilweise schwer algorithmischen Wissens sowie den Aufbau von Designmodellen, die das gesamte problem- und produktbezogene Wissen enthalten. Aufbauend auf den vorangegangenen Arbeiten entwickelt und bewertet Bernard Behr [Behr1995] Werkzeuge für die rechnergestützte Konstruktion, welche auf autonomen Wissensdarstellungen basieren.

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Oyvind Björke (Hrsg.): Advanced Production System – CAD/CAM for the Future. Projektbericht. Trondheim 1987.

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15.3 Rechnereinsatz in der Arbeitsvorbereitung 15.3.1 Einleitung In produzierenden Unternehmen werden im Bereich der Arbeitsvorbereitung zwei Hauptaufgaben erfüllt: • die Arbeitsplanung, • die Arbeitssteuerung. Die Möglichkeiten und Systeme zum Rechnereinsatz bei der Arbeitssteuerung oder Arbeitsveranlassung werden im Kapitel 13 beschrieben. Die planerischen und vorbereitenden Aktivitäten, die eine Off-Line-Programierung von NC-Werkzeugmaschinen, Handhabungsgeräten und Robotern betreffen, sind in Kapitel 8 aufgeführt. Hier sollen im Folgenden die Arbeiten am WZL diskutiert werden, die eine rechnerunterstützte Arbeitsplanung (Computer Aided Process Planning; Akronym zunächst CAP, später CAPP) zum Gegenstand haben. 15.3.2 Rechnerunterstützte Arbeitsplanung (Computer Aided Process Planning/ CAPP) Die Überlegungen, auch bei der Arbeitsplanung EDV-Systeme einzusetzen, werden Anfang der 1970er Jahre am WZL aus folgenden Gründen aufgegriffen: • Eine rechtzeitige Bereitstellung von Arbeitsplänen ist Voraussetzung für die Fertigungssteuerung und Belegungsplanung. • Die Durchlaufzeit in der Arbeitsvorbereitung wirkt häufig mitentscheidend über den Liefertermin eines Auftrags. • Das Erfahrungswissen der Arbeitsplaner, die meistens vorher qualifizierte Facharbeiter waren, ist personengebunden und nur in „alten“ Arbeitsplänen für identische Werkstücke dokumentiert. • Die Zahl der hochqualifizierten Fachkräfte ist begrenzt und ihre persönliche Erfahrung geht beim Verlassen der Firma verloren. • Nicht zuletzt belegen die erfolgreichen Anwendungen von EDV-Systemen bei der sehr detaillierten Off-line-Programmierung für NC-Werkzeugmaschinen (z. B. EXAPT) die Vorteile, die man aus den zuvor genannten Gründen erreichen will. Am WZL greift Wilfried Olbrich [Olbr1970] diese Problematik auf und analysiert in einer repräsentativen Anzahl von Maschinenbaubetrieben die Anforderungen an und die Voraussetzungen für EDV-gestützte Arbeitsplan-Erstellungssysteme. Die Ergebnisse aus diesen statistischen Erhebungen zu Werkstück- und Teilespektren liefern die Grundlagen für die zu entwickelnden EDV-gestützten Arbeitsplanungssysteme (CAP/CAPP). Abhängig von den Häufigkeitsverteilungen der zu planenden Werkstücke, der Losgröße und der Wiederholhäufigkeit von Planungstätigkeiten, -regeln, -informationen und -entscheidungen definiert Werner Wiewelhove [Wiew1976] drei Planungsmethoden: Wiederholplanung, Ähnlichkeitsplanung, Neuplanung. Für die Wiederholplanung wird die Teileklassifizierung mit dem WZL-Schlüssel zusammen mit Mikrofilmlochkarten und -archiven benutzt [Gold1979a]. Auch die Suche nach vorhandenen Arbeitsplänen bzw. Planungsunterlagen für

15. Rechnereinsatz (ab 1968)

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Abb. 15.7 Planungsmethoden [Wiew1976]

ähnliche Werkstücke aus Teilefamilien wird über das Klassifizierungssystem organisiert und unterstützt. Für die sogenannten Neuplanung, die aufwändigste Arbeitsplanungsmethode für neukonstruierte Teile, werden Planungs- und Entscheidungsregeln ermittelt und dokumentiert, die sich einerseits auf Fertigungsmerkmale (Features), Werkstoff, Ausgangsmaterial und Stückzahl der Werkstücke und andererseits auf den vorhandenen Maschinenpark inklusive Werkzeuge und Vorrichtungen beziehen [Berg1970, Bard1972, Bach1973]. Da insbesondere die Ähnlichkeitsplanung hohe Rationalisierungspotenziale erwarten lässt, werden hierfür EDV-gestützte Arbeitsplanungsprogramme und -module entwickelt [Budd1970, Stei1973, Bach1973, Graa1975, Szab1976, Steu1980, Fuch1981, Zons1983, Loer1983]. Michael Steudel fasst in seiner Arbeit diese Forschungsergebnisse zu einem „Modularen System zur automatischen Arbeitsplanerstellung“ zusammen [Steu1980]. Für ähnliche Produktfamilien, wie Getriebe und Elektromotoren, wird ein System zur „Automatischen Arbeitsplanerstellung/ AUTAP“ entwickelt und ausgebaut [Wiew1976, Fuch1981]. Parallel zu den Arbeiten, die eine Rechnerunterstützung der Arbeitsplanung zum Gegenstand haben, werden in vielen Forschungs- und Industrieprojekten die Möglichkeiten untersucht, die inzwischen vorhandenen CAD/CAPP/CAM-Systeme miteinander zu koppeln [Wiew1976, Koer1977, Brün1979, Schö1982, Rele1985, Abol1985, Knap1986].

496

FELIX CANALES, WALTER EVERSHEIM, THOMAS NAD

Abb. 15.8 Modularen Systemen zur automatischen Arbeitsplanerstellung [Steu1980]

Abb. 15.9 Aufbau des Systems AUTAP3

15. Rechnereinsatz (ab 1968)

497

15.4 Integrierte Informationsverarbeitung (Computer Integrated Manufacturing/CIM) Bei den Arbeiten zum Rechnereinsatz in Konstruktion, Arbeitsvorbereitung, Fertigung und Montage wird evident, dass häufig dieselben Informationen und Daten mehrfach in die Computergeräte und -programme eingegeben werden. Andererseits sind diese Informationen sehr oft bereits im Rechner oder auf Datenträgern und in Dateien elektronisch gespeichert und verfügbar. Mit den Zielen, Fehlerquellen auszuschalten, Datenredundanzen zu vermeiden und den Informationsfluss ganzheitlich auch bei gemischter Hard- und Software von verschiedenen Herstellern zu gestalten, soll ein integrierter, gekoppelter, rechnerunterstützter Informationsfluss organisiert werden. Eines der wichtigsten Kennzeichen dieser Integrationsidee ist der durchgängige Informationsfluss zwischen den einzelnen produktionstechnischen Abteilungen sowie den administrativen Bereichen. Ein Schwerpunkt des rechnerunterstützten Informationsflusses liegt dabei auf den Abteilungen, die die Produktdaten aufbereiten und für die Produktion zur Verfügung

Abb. 15.10 Kennzeichen des „Computer Integrated Manufacturing“4

3 4

Spur 1979, a.a.O., S. 246. Aachener Werkzeugmaschinen Kolloquium: Wettbewerbsfaktor Produktionstechnik, Tagungsband. Düsseldorf 1987, S. 2.

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FELIX CANALES, WALTER EVERSHEIM, THOMAS NAD

stellen (Abb. 15.11). In dieser CIM-Kette „Produkt“ werden zwischen den CAD-, CAPund CAM-Systemen vorwiegend Graphikinformationen ausgetauscht. Die Datenübertragung zwischen den Systemen ist im Vergleich zur CIM-Kette „Produktion“ nicht zeitkritisch. Die CIM-Kette „Produktionsplanung“ behandelt überwiegend Massendaten, die in alpha-numerischer Form als Bezeichnungen, Namen oder Nummern anfallen. Die Verarbeitungsprogramme, wie Stückleistenprozessoren, PPS-Systeme, Materialwirtschaftssysteme u. ä. beanspruchen große interne und externe Datenspeicher und bedingen häufig auch lange Laufzeiten. Die Kopplung der Programme wird meist über Ein- und Ausgabe-Protokolle als konstruktive „Rechnerläufe“ organisiert. Im Gegensatz dazu müssen in der CIM-Kette „Produktion“ wegen der Real-Time-Anforderungen des Produktionsprozesses die meist als Sensorsignale oder Steuerbefehle anfallenden Daten sehr schnell übertragen und verarbeitet werden. Nur so können Kollisionen vermieden werden. Viele Überwachungs- und -steuerungssysteme stoßen dabei an ihre derzeitigen Grenzen. Diese prinzipielle Unterscheidung gilt für die Serienfertigung, bei der die CIM-Ket-

Abb. 15.11 Schwerpunkte des rechnerunterstützten Informationsflusses in den CIMKetten5

5

Ebd., S.3.

499

15. Rechnereinsatz (ab 1968)

ten „Produktionsplanung“ und „Produktion“ nach gewissem zeitlichem Abstand der Aufbereitung von Produktdaten angestoßen werden. Bei auftragsbezogener Einzel- und Kleinserienproduktion vermischt sich die aufgezeigte Trennung, weil Produktspezifikation und Produktion zeitlich sehr nah zusammenliegen, teilweise sogar überlappt ablaufen. Die Anforderungen an eine leistungsfähige, schnelle Datenübertragung und -verarbeitung, die bei dieser Fertigungsart besonders hoch sind, werden seit Mitte der 1980er Jahre von der Computerindustrie erfüllt. In mehreren Projekten zur CIM-Kette „Produkt“ werden die grafischen Informationen, die beim Einsatz von CAD-Systemen auf Baugruppen- oder Einzelteilebene entstehen und meist über Plotter in Papierform ausgegeben werden, über neu definierte und geschaffene Schnittstellen oder Kopplungsmodule mit CAPP, CAQ (Qualitätsplanung / Programmierung für Koordinatenmessmaschinen) und CAM (vornehmlich NC-Programmierung) als Eingabedaten genutzt [Rele1985, Auge1988, Diel1989, Zell1990, Coba1990]. Durch diese integrierte Datenverarbeitung wird es in vielen Anwendungsfällen möglich, einen deutlichen Fortschritt bezüglich der Kernziele „besser, billiger, schneller und flexibler produzieren“ zu erreichen. Die Integrationskonzepte in der CIM-Kette „Produktion“ werden in dem Kapitel 13 behandelt. Die Arbeiten zur horizontalen Integration auf der Ebene Fertigung,

Abb. 15.12 Schwerpunkte des rechnerunterstützten Informationsflusses [Auge1988]

500

FELIX CANALES, WALTER EVERSHEIM, THOMAS NAD

Montage, Prüfung (Computer Aided Manufacturing/ CAM) sind Gegenstand der Dokumentation in den Kapiteln 7 und 25. Hier sollen die im Rahmen von „Computer Integrated Manufacturing/ CIM“ am WZL entwickelten Informationssysteme, Wissensmodelle und Daten- bzw. Informationsmanagementsysteme im Folgenden zitiert werden. 15.5 Ingenieurwissen, Datenbanken, Lebenszyklusmodelle Die Ausführungen zu den Entwicklungen von CAx-Systemen sowie zur Integration von CIM-Architekturen zeigen, dass parallel zu verschiedenen Methoden, Modellen und EDV-Lösungen immer wieder Fakten, Regeln, Wissen und Erfahrungen gesammelt, gebraucht und dokumentiert bzw. gespeichert werden müssen. Auch diese Fragestellungen zu Herstellbarkeit (Design for Manufacturing/ DFM), Montierbarkeit (Design for Assembly / DFA), Prüfbarkeit (Design for Testing/ DFT), Kostengerechtigkeit (Design to Cost/ DTC) sowie Recyclebarkeit (Life Cycle Design) sind Gegenstand vieler Untersuchungen und Lösungsansätze im WZL [Rade1982, Nata1985, Roth1986, Deic1987, Brac1988, Wien1988, Crem1992]. Mit zunehmender Verarbeitungsgeschwindigkeit von Hard- und Software, Reduktion der Speicherkosten, Weiterentwicklung von Datenbanksystemen (z. B. Relationale Datenbank) und den Möglichkeiten, unscharfe Informationen (Fuzzy Technology) und damit auch implizites Wissen zu verarbeiten, werden für die Unterstützung des sogenannten „Life Cycle Design“ und CIM-Modelle, Engineering Data ManagementSysteme (EDM), Product Data Managementsysteme (PDM) und Enterprise Resource Planning (ERP) entwickelt und für den Einsatz in Produktionsunternehmen verfügbar. Zu Beginn der 1980er Jahre zeichnen sich die ersten Produktdaten-ManagementSysteme durch die Verwaltung technischer Dokumente aus. In der 1. Generation der PDM-Systeme sind die verschiedenen Einzelsysteme noch isoliert, während in der 2. Generation die vertikale Integration im Vordergrund steht. Ende der 1990er Jahre werden dann PDM-Systeme mit vorhandenen ERP-Systemen im Sinne einer horizontalen Integration zu PLM-Systemen weiterentwickelt. Für die Informationsverarbeitung und -beschaffung sind von verschiedenen Anbietern Weiterentwicklungen von PDM-Systemen je nach Anwendungsumfang auf dem Markt: PDM2 = Product and Process Development Management CPC = Collaborative Product Commerce cPDM = Collaborative Product Data Management VPDM = Virtual Product Definition Management PDC = Product Definition and Commerce PKM = Product Knowledge Management Aktuelle Forschungsarbeiten des WZL fokussieren nicht nur auf eine bidirektionale Kopplung von CAx- und Simulationssoftware zur Reduzierung der Entwicklungszeiten, zur Verbesserung der Qualität in der Produktentwicklung und nicht zuletzt zur

6

Günther Schuh: Produktionsmanagement II. Vorlesung 9, Vorlesungsskript, RWTH Aachen, 2005, S. 6.

501

15. Rechnereinsatz (ab 1968)

Abb. 15.13 Kennzeichnende Tendenzen der Datenverarbeitung [Loer1983]

Abb. 15.14 Entwicklungsgeschichte von PDM-Systemen6

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FELIX CANALES, WALTER EVERSHEIM, THOMAS NAD

Steigerung der Entwicklungsproduktivität. Vielmehr erfordert eine drastische Erhöhung der Unternehmenseffizienz einen integralen Ansatz, der möglichst alle Produktdaten über den gesamten Lebenszyklus eines Produktes, d. h. von der Konstruktion und der Arbeitsvorbereitung über die Fertigung und die Montage bis hin zur Nutzung und Entsorgung effizient verwaltet. Ziel der Integration ist es, die heute noch vorherrschenden Grenzen zwischen verschiedenen Abteilungen und Wertschöpfungsprozessen aufzuheben. Zur Unterstützung des Integrationsgedankens entlang des Produktlebenszyklus sind in der industriellen Praxis die implementierten IT-Systeme heranzuziehen. Auf der Ebene der IT-Systeme führt dies zum neuen Begriff des Product-LifecycleManagement (PLM). PLM ist die Gestaltung der an das Unternehmen bzw. an Unternehmensnetzwerke angepasste Funktionen und Prozesse über den gesamten Lebenszyklus der Produkte und deren Integration in ein Gesamtsystem.8 Während in der Vergangenheit die IT-Unternehmensperformance nur durch eine Optimierung der Spezialsysteme vorangetrieben wurde, ist hier für viele Spezialsysteme eine Grenze erreicht, über die hinaus keine deutliche Leistungssteigerung erzielt werden kann. Erst eine Vernetzung und Integration der Spezialsysteme unter der Nutzung von Standards eröffnet neue Optimierungspotenziale hinsichtlich der Systemperformance. Eben dort, bei der Integration von Spezialsystemen entlang des gesamten Lebenszyklus, setzt PLM an (Abb. 15.15 und 15.16).

Abb. 15.15 PLM-Gedanke7

15. Rechnereinsatz (ab 1968)

503

Abb. 15.16 Entstehung des PLM durch Funktionsintegration von CAx und ERP8

7

Ebd.

8

Günther Schuh: Produktionsmanagement I. Vorlesung 8, Vorlesungsskript, RWTH Aachen, 2005, S. 3.

16

Prozessanalyse und -entwicklung im Bereich der Kaltumformung (ab 1984) FRITZ KLOCKE, SEBASTIAN MADER, THOMAS MAßMANN

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FRITZ KLOCKE, SEBASTIAN MADER, THOMAS MAßMANN

Gliederung 16.1 Einleitung 16.2 Herstellung von Verzahnungen durch Kaltumformen 16.3 Tribologie 16.4 Aktuelle Forschungsarbeiten

16. Prozessanalyse und -entwicklung im Bereich der Kaltumformung (ab 1984) 507 16.1 Einleitung In den 1980er Jahren rücken zunehmend Aspekte der Ressourcenschonung in den Vordergrund. Unter dem Begriff „Near Net Shape Technologies“ oder endkonturnahe Fertigung gewinnen Verfahrenskombinationen an Bedeutung. Deshalb werden am WZL ausgewählte Verfahren der zweiten Verarbeitungsstufe in das Forschungsprogramm aufgenommen. Mit einer Konzentration auf das Kaltfließpressen, Feinschneiden und die Tribologie wird das Forschungsportfolio marktgetrieben erweitert. Später kommt am Fraunhofer IPT das Drückwalzen hinzu. 16.2 Herstellung von Verzahnungen durch Kaltumformung Die ersten Arbeiten auf dem Gebiet der Verzahnungsherstellung durch Kaltumformung werden am WZL in den 1980er Jahren durchgeführt. Hierbei untersucht Gottfried Bartsch [Bart1986] mehrere Walzverfahren zur inkrementellen Herstellung von Verzahnungen und zeigt, dass das diskontinuierliche Grobverfahren die größte Flexibilität bei der Herstellung von Zylinderradverzahnungen bietet. Dies liegt vor allem daran, dass die Zahnlücken segmentweise im Formverfahren hergestellt werden, wodurch jegliche abwälzende Relativbewegung quer zu den Zahnflanken vermieden wird (Abb. 16.1).

Abb. 16.1 Prozesskinematik des Grob-Verfahrens [Bart1986]

Dies wiederum stellt eine entscheidende kinematische Voraussetzung dar, um Einschränkungen bezüglich der erzielbaren Profilform und des Eingriffswinkels zu umgehen. Um die erzielbare Verzahnungsqualität zu steigern, werden herkömmliche Berechnungsmethoden zur Auslegung der Werkzeuggeometrie an die verfahrensspezifischen Gegebenheiten angepasst, wodurch optimierte Werkzeugkonturen berechnet

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FRITZ KLOCKE, SEBASTIAN MADER, THOMAS MAßMANN

werden können. Die mit dieser Methode erzielbare Verbesserung der Verzahnungsqualität wird anhand umfangreicher praktischer Untersuchungen belegt. Ähnliche Fortschritte erzielt Wolfgang Koll [Koll1990] bei Forschungsarbeiten zum Kaltfließpressen von schrägverzahnten Zahnrädern. Intensive experimentelle Untersuchungen zum Stofffluss sowie theoretische Prozessbeschreibungen liefern einen tiefen Einblick in die elastisch-plastischen Umformvorgänge während des Prozesses. Diese Erkenntnisse liefern die Grundlage, um den Prozess gezielt zu beeinflussen, indem durch eine angepasste Einlaufform der Werkstoff zum Voreilen auf der druckabgewandten Matrizenseite gezwungen wird. Die hiermit einhergehende Stützwirkung führt zur Entlastung der Matrizenzähne und bewahrt das Werkzeug vor dem sofortigen Bruch. Mit der verminderten Werkzeugbelastung erfolgt eine Reduzierung der elastischen Matrizenverformung, was sich positiv auf die erzielbare Verzahnungsqualität auswirkt, die in den Bereich von IT 6 bis 7 vorstößt. Aufbauend auf den inzwischen gewonnenen Erkenntnissen zur umformtechnischen Herstellung von Verzahnungen untersucht Jürgen Lennartz [Lenn1994] die Möglichkeiten und Einschränkungen des Kaltfließpressens von wellenförmigen, einseitig hohlen Bauteilen mit Verzahnungen. Hierbei wendet er erstmals neben experimentellen Grundlagenuntersuchungen auch die Methode der Finiten Elemente (FEM) an und kann die Werkzeugbelastungen für unterschiedliche Prozessauslegungen vorhersagen. Die Ergebnisse zeigen unter anderem den deutlichen Einfluss der Matrizendehnung im Verzahnungsbereich auf die erzielbare Verzahnungsqualität. Der Realprozess bestätigt diesen Einfluss und es gelingt durch eine entsprechend angepasste Armierung der Werkzeugmatrize die Maßabweichungen zu reduzieren. Dies ermöglicht in der Verfahrenskombination aus Querfließpressen und Napfen, in einem einzigen Pressenhub aus einem zylindrischen Rohteil eine verzahnte Getriebewelle umzuformen (Abb. 16.2), wodurch gegenüber einer rein spanenden Herstellung fast die Hälfte an Rohstoff eingespart wird.

Abb. 16.2 Zwischenzustände bei der Kaltumformung einer Halbhohlwelle in einem Pressenhub [Lenn1994]

Kevin Sweeny [Swee1999] baut vor allem auf den Erkenntnissen von Wolfgang Koll [Koll1990] und Jürgen Lennartz [Lenn1994] auf und untersucht den Prozess des Kaltfließpressens von Schrägverzahnungen intensiv mit Hilfe der FEM. Mit ihr werden Aussagen bezüglich Zahnform, Ausfüllung und Presskraftverlauf erzeugt und innerhalb experimenteller Untersuchungen verifiziert. Weiterhin gehen in die FEModelle die

16. Prozessanalyse und -entwicklung im Bereich der Kaltumformung (ab 1984) 509 Werkzeuge als elastische Elemente ein und lassen somit eine lokalspezifische Untersuchung der Werkzeugdehnungen während des Umformprozesses zu. Um der damit verbundenen Verfälschung der Verzahnungsgeometrie entgegenzuwirken, wird eine Geometrieanpassung der Werkzeugmatrize durchgeführt. Hierdurch kann die resultierende Geometrieabweichung um etwa 90 % reduziert werden. Die erfolgreiche Anwendung der FEM auf die Prozesse der Kaltumformung ermutigen später Johannes Wilhelm Raedt [Raed2002], diese Methode auf die besonderen Randbedingungen der Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide anzupassen. Dieser Ansatz wird von Gregor Messner, Peter Frank und Stefan Hoppe [Hopp2003] aufgegriffen und zu einem neuen Forschungsfeld aufgebaut, in dem ein vertieftes Verständnis für die spanerzeugenden Umformvorgänge entwickelt wird. Auch wird die FEM zunehmend auf Fertigungsverfahren der mechanischen Randzonenverfestigung angewendet. So versucht Karsten Röttger [Rött2002] mit Hilfe der FEM die durch den Prozess Hartglattwalzen erzeugten oberflächennahen Eigenspannungen vorherzusagen. Dies wird durch Sebastian Mader, in Form der Modellierung des Festwalzens, weiter ausgebaut. 16.3 Tribologie Bereits im Zuge der Verzahnungsuntersuchungen zu Beginn der 1990er Jahre wird deutlich, dass die tribologischen Bedingungen in einem Umformprozess, d. h. die Reibungs- und Verschleißvorgänge in der Wirkfuge zwischen Umformwerkzeug und Werkstück, einen erheblichen Einfluss auf das Umformergebnis ausüben. So beginnt Wolfgang Koll [Koll1990] mit Untersuchungen zum Einfluss der Werkstückphosphatierung auf die Presskraft beim kalten Hohl-Vorwärts-Fließpressen von Schrägverzahnungen. Das Ziel seiner tribologischen Untersuchungen besteht in einer Standzeiterhöhung der Fließpressmatrizen, welche im Umformprozess hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Dazu verbessert Koll die eingesetzten Zinkphosphatschichten durch eine Optimierung des Phophatierprozesses hinsichtlich Phosphatiertemperatur und -dauer (Abb. 16.3). Das Ergebnis ist eine verringerte Reibungsbelastung, die im Falle der Niedrigtemperatur-Phosphatierung zu einer Presskraftreduktion von 17 % führt. Zusätzlich kann Koll in einem Stichversuch zeigen, dass der Einsatz von PVD-Werkzeugbeschichtungen (Physical Vapour Deposition) den Werkzeugverschleiß erheblich mindert. Nach 40.000 gefertigten Zahnrädern ist eine mit TiN beschichtete Matrize noch nicht verschlissen. Jürgen Lennartz [Lenn1994] widmet sich eingehend der Untersuchung von PVDWerkzeugbeschichtungen. Im Gegensatz zu Koll betrachtet er das Verzahnungspressen mittels kombiniertem Napf-Rückwärts- und Querfließpressen. Um herauszufinden, welche Kombination aus Werkzeugendbearbeitung und anschließender PVDBeschichtung am besten zum Verzahnungspressen geeignet ist, führt er Reibversuche mit einem selbst entwickelten Klötzchen-Walze-Prüfstand durch. Die optimale Endbearbeitung ist demnach das maschinelle Schleifen, welches bei der komplexen Geometrie der verzahnten Matrizen (Abb. 16.4 links) reproduzierbarer arbeitet als z. B. das Kugelstrahlen oder Polieren und damit bessere Oberflächen erzeugt als die Erodier-

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FRITZ KLOCKE, SEBASTIAN MADER, THOMAS MAßMANN

Abb. 16.3 Einfluss der Phosphatschichtbildung auf die Presskraft beim Fließpressen von schrägverzahnten Zahnrädern [Koll1990]

verfahren, welche unzulässige weiße Schichten erzeugen. Für die Beschichtungen CrN und TiAlN kann er schließlich eine Reduzierung des Reibwertes um ca. 20 % nachweisen, wobei TiCN-Schichten aufgrund ihres Multilagenaufbaus und der daraus resultierenden höheren Duktilität eine höhere Versagenssicherheit aufweisen. In Fließpressversuchen wird schließlich TiAlN und TiCN eingesetzt, wobei die Werkzeuge aufgrund der extremen Belastungen durch Bruch ausfallen, bevor die Beschichtungen ihr Standzeitende erreichen. Zusätzlich untersucht Lennartz verschiedene Schmierungsarten und stellt fest, dass eine Phosphatierung der Werkstücke mit anschließender Beseifung zu besseren Ergebnissen hinsichtlich Abrasion und Adhäsion führt als andere Schmierstoffe (Abb. 16.4 rechts). In der Folge wird die Beschichtungstechnologie auch für andere Umformverfahren weiterentwickelt. Christoph Rentsch [Rent1996] untersucht so das Einsatzverhalten von PVD-beschichteten Feinschneidwerkzeugen beim Feinschneiden der Blechwerkstoffe C16B und 41Cr4. Dazu werden sechs verschiedene PVD-Hartstoffschichten und fünf unterschiedliche Werkzeugendbearbeitungen untersucht und hinsichtlich der erzielbaren Schnittteilqualität verglichen. Insbesondere das quaternäre Schichtsystem TiAlNbN sowie die Werkzeugherstellung durch funkenerosives Schneiden mit anschließendem Strahlen der Oberfläche führen zu hohen Standmengen bei gleichzeitig geringen

16. Prozessanalyse und -entwicklung im Bereich der Kaltumformung (ab 1984) 511

Abb. 16.4 Links: TiN-beschichtete Matrize zum kombinierten Napf-Rückwärts- und Querfließpressen von verzahnten Hohlwellen; rechts: Rohling (phosphatiert und beseift) und Werkstück [Lenn1994]

Schnittflächenrauheiten. Zur Interpretation der Versuchsergebnisse werden Modellversuche zur Simulation der beim Feinschneiden auftretenden Verschleißmechanismen Ermüdung (Dauerschwingversuche), Adhäsion (Reibversuche) und Abrasion (Strahlversuche) durchgeführt. Dadurch können Korrelationen zwischen einzelnen Schichteigenschaften und dem Schneidergebnis hergestellt werden (Abb. 16.5).

Abb. 16.5 Korrelation zwischen abrasivem Verschleißwiderstand und Schnittflächenrauheiten beim Feinschneiden von 41Cr4 mit unterschiedlichen Hartstoffschichten [Rent1996]

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FRITZ KLOCKE, SEBASTIAN MADER, THOMAS MAßMANN

Abgerundet wird die Darstellung mit einer FEM-Simulation des Feinschneidprozesses, bei der ausgehend von einer Stoffflusssimulation die Werkzeugbelastung ermittelt wird. Mit der Entwicklung leistungsfähiger Rechenanlagen ist die FEM ein weit verbreitetes numerisches Werkzeug zur Simulation von Umformvorgängen geworden. Dabei ist die genaue Definition der Randbedingungen, insbesondere der Reibung in der Wirkfuge, entscheidend für die Anwendbarkeit rechnerischer Ergebnisse in der Praxis. Jin Hong Li [Li1995b] hat diese Problematik erkannt und verschiedene Modellversuche hinsichtlich ihrer Eignung zur Reibwertermittlung für die FEM miteinander verglichen. Zur Untersuchung der Wirkflächenreibung führt er die drei Modellversuche Ringstauchen, Schrägstauchen und Durchdrücken durch, die drei grundlegende Umformvorgänge repräsentieren. Das Ziel von Lis Arbeit ist es, mit Hilfe einfacher Modellverfahren, bestehend aus Experiment und FEM-Berechnungen, die Reibverhältnisse in der Wirkfuge für die FEMSimulation eines komplexen Umformprozesses zu formulieren. Bei Raumtemperatur testet er neben kolloidalem Graphit einen kombinierten Schmierstoff aus Zinkphosphat und Seife. Zudem führt er auch Versuche mit beschichteten Werkzeugen durch. Die Modellversuche mit Schmiermittel und ohne Hartstoffschicht bei Raumtemperatur zeigen, dass der geringste Reibfaktor m bei den phosphatierten und beseiften Proben mit Ausnahme des Schrägstauchens auftritt. Eine deutliche Abhängigkeit des Reibwertes von der Temperatur kann bei den Modellversuchen festgestellt werden. Bei den FEM-Simulationen der Umformvorgänge der Modellversuche können gute Übereinstimmungen mit den jeweiligen Experimenten hinsichtlich der Umformkraft und des Werkstoffflusses erzielt werden. Dazu muss jedoch die in den Versuchen ermittelte Abhängigkeit der Reibwerte von ihren Einflussgrößen in die Berechnung einbezogen werden. Abschließend widmet auch Li sich dem Fließpressen von Verzahnungen, indem er den Pressvorgang mittels FEM simuliert und dabei seine ermittelten Reibwerte überprüft. Dabei rechnet er jedoch mit zeitlich und örtlich konstanten Reibwerten, so dass das Ergebnis zunächst hinsichtlich Werkstofffluss und Presskraft ungenau bleibt. Günther Munzinger [Munz2000] hingegen geht einen Schritt weiter. Er befasst sich mit einer sehr ähnlichen Thematik, wobei er das Zahnradschmieden von Verbundwerkstoffen untersucht. Neben einer verbesserten Berücksichtigung der Fließspannungsschwankungen während des Schmiedevorgangs versucht er, den Coulomb’schen Reibwert µ als eine örtlich und zeitlich veränderliche Größe in die FEM zu implementieren. Dazu diskutiert er zunächst, dass eine orts- und zeitaufgelöste Abstufung des Reibwerts entlang der Werkstückoberfläche notwendig ist (Abb. 16.6). Um dies zu erreichen, wird der Reibwert mit analytischen Berechnungsvorschriften in jedem Rechenschritt für jedes einzelne Oberflächenelement ermittelt. In die Gesetzmäßigkeit fließen die ebenfalls in der FEM berechneten Prozessgrößen Temperatur, Umformgrad, Umformgeschwindigkeit, Kontaktnormalspannung und aktuelle Fließspannung ein. Sein Reibgesetz beruht auf der Synthese verschiedener zuvor veröffentlichter Gesetzmäßigkeiten anderer Autoren. Er kommt damit zu zufriedenstellend genauen Berechnungsergebnissen, wenngleich auch er noch Vorschläge zur weiteren Genauigkeitssteigerung machen kann. So diskutiert er die Einbeziehung

16. Prozessanalyse und -entwicklung im Bereich der Kaltumformung (ab 1984) 513

Abb. 16.6 Einfluss falscher Reibwerte auf die Simulation eines Verzahnungspressvorgangs [Munz2000]

mikro-tribologischer Vorgänge in die Berechnung des Reibwerts. Dies veranschaulicht Munzinger exemplarisch am Beispiel der real tragenden Traganteile, die sich aus der wahren Kontaktfläche ergeben. Dadurch werden Vorhersagen zur Werkstoffverteilung im Bauteil bzw. der Randschichtdicke im ausgeschmiedeten Zahnrad beim Einsatz von gradierten Werkstoffen möglich. Zum Verschleißschutz werden in der Kaltumformung Vorbehandlungen der Werkstücke und höher additivierte Schmierstoffe eingesetzt. Dabei entstehen Emissionen, die die Ökobilanz der Prozesse verschlechtern. Inzwischen werden durch die politischen Rahmenbedingungen Umweltschutz- und wirtschaftliche Aspekte immer stärker verknüpft. Die Arbeit von Johannes Wilhelm Raedt [Raed2002] will zeigen, wie dieses Ziel in Bezug auf die Schmierbedingungen in der Kaltumformung erreicht werden kann. Dazu betrachtet Raedt die Umformverfahren Napfrückwärtsfließpressen und Feinschneiden. Beim Napfrückwärtsfließpressen treten extrem hohe Kontaktnormalspannungen auf. Beim Feinschneiden sind ebenfalls hohe Kontaktspannungen mit einer sehr hohen Oberflächenvergrößerung verbunden. Gängige Kaltumformverfahren bewegen sich in ihren tribologischen Bedingungen zwischen diesen Extremen oder stellen geringere Anforderungen an das Tribosystem. Deshalb sind diese beiden Umformverfahren gut als Basis zur Entwicklung umweltfreundlicher Tribosysteme geeignet. Durch eine intensive Analyse der Ursachen, die zur Verschleißbildung beim Umformen führen, gelingt es, Anforderungen an Werkzeugbeschichtungen und

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FRITZ KLOCKE, SEBASTIAN MADER, THOMAS MAßMANN

umweltfreundliche Schmierstoffe zu formulieren, damit diese den hohen tribologischen Anforderungen des Umformprozesses gerecht werden. Wichtig ist dabei, die auftretenden Effekte sowohl im makroskopischen als auch im mikro- und nanoskopischen Maßstab zu untersuchen (Abb. 16.7).

Abb. 16.7 Untersuchung tribologischer Vorgänge in 4 Größenordnungen [Raed2002]

Daher führt Raedt transmissionselektronen-mikroskopische Untersuchungen an verschlissenen Reibproben durch und berechnet die Spannungen in einer Werkzeugbeschichtung unter umformtechnischen Belastungen mittels der FE-Methode. Hierdurch leistet er einen wesentlichen Beitrag zur zukünftigen Entwicklung von Beschichtungen und Schmierstoffen. Außerdem zeigt Raedt, dass selbst eine schmiermittelfreie Umformung durch den Einsatz geeigneter Beschichtungen möglich ist, auch wenn er keine ausführlichen Standzeituntersuchungen durchführt. 16.4 Aktuelle Forschungsarbeiten Derzeit werden am WZL von Thomas Maßmann und Christian Kuwer Arbeiten auf dem Gebiet der Tribologie geleistet, wobei die Wirkzusammenhänge immer tiefgehender erforscht werden, um das Potenzial günstiger tribologischer Mechanismen gezielt erschließen zu können. Weiterhin hat die FEM einen festen Stellenwert erhalten und wird bezüglich der Abbildung einzelner metallographischer Effekte durch Dirk Breuer konsequent erweitert. Zusätzlich zu den bisher erschlossenen Forschungsgebieten widmet sich Sebastian Mader der Randzonenverfestigung dynamisch beanspruchter Bauteile mittels Festwalzens. All diese Aktivitäten tragen dazu bei, Umformprozesse wirtschaftlich zu nutzen und die Verfahrensgrenzen stetig zu erweitern.

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Handhabungstechnik und Robotik (ab 1980) CARLOS ALMEIDA, MARTIN HORK, MANFRED WECK

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CARLOS ALMEIDA, MARTIN HORK, MANFRED WECK

Gliederung 17.1 Einleitung 17.2 Mechanischer Aufbau von Industrierobotern, Roboterkomponenten sowie messtechnische Untersuchung von Robotern 17.3 Robotersteuerung 17.4 Online-Programmierung 17.5 Offline-Programmierung 17.5.1 Anwendungsorientierte Offline-Programmierung 17.6 Einsatz von Robotern in Fertigung und Montage

17. Handhabungstechnik und Robotik (ab 1980)

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17.1 Einleitung In den 1980er Jahren beginnt auch in Deutschland die Roboterforschung. Das groß angelegte BMBF-Forschungsprogramm „Humanisierung der Arbeitswelt“ erlaubt den Forschungsinstituten in Verbundprojekten mit der Industrie die Roboteranwendung und -entwicklung einschließlich der Programmierung voranzutreiben. Am WZL und IPT führt man viele interessante Roboterprojekte durch, wobei die Spanne der Anwendungen sehr breit angelegt ist. Schwerpunkte liegen im Bereich der Konstruktionsoptimierung, der Steuerungstechnik und der komfortablen Programmierung der Roboter. 17.2 Mechanischer Aufbau von Industrierobotern, Roboterkomponenten sowie messtechnische Untersuchung von Robotern Mit Beginn der industriellen Anwendungen von Handhabungsgeräten beginnt das WZL mit Forschungsarbeiten zur Untersuchung des Aufbaus von Handhabungsgeräten sowie deren mechanischen Komponenten, der Entwicklung und Erweiterung von Robotersteuerungen, der Identifikation von geeigneten Anwendungsfeldern sowie der Programmierung von Handhabungsgeräten. So beschäftigt sich Gerd Engel [Enge1980] mit der Konzipierung und Auslegung von modular aufgebauten Handhabungssystemen. Engel beschreibt funktionale Zusammenhänge zwischen mechanischen Komponenten, Antriebselementen und Steuerungen von Handhabungseinrichtungen mit dem Ziel, einen für anwenderspezifische Vorgaben optimalen Lösungskatalog zu erstellen und die Wirtschaftlichkeit der Handhabungssysteme für verschiedene Anwendungen zu verbessern. Die Arbeiten am WZL zur messtechnischen Untersuchung der statischen und dynamischen Steifigkeit von Portalrobotern und der trägheitsbedingten Verformungsamplituden beim Beschleunigen fasst Hinrich Stave [Stav1992] in seiner Arbeit „Möglichkeiten und Grenzen der mechanischen Optimierung von Portalrobotern“ zusammen (Abb. 17.1). Seine Dissertationsschrift stellt dank einer umfangreichen Analyse der

Abb. 17.1 Beispiel einer Schwingungsform eines Portalroboters bei 7,8 Hz [Stav1992]

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CARLOS ALMEIDA, MARTIN HORK, MANFRED WECK

Schwachstellen von vorhandenen Portalroboterkonstruktionen eine bedeutende Arbeitshilfe für Konstrukteure dar. Ferner beschreibt er die am WZL entwickelten Systeme und Verfahren zur Messungen der statischen und dynamischen Steifigkeit. Die wichtige mechanische Komponente „Getriebe für Industrieroboter“ untersucht Thomas Rosenbauer [Rose1994] eingehend. Zielsetzung seiner Arbeit ist einerseits die Untersuchung der Leistungsfähigkeit verschiedener Getriebearten, andererseits die Ermittlung von Kenngrößen und Kenndaten für eine Bewertung der Getriebe. Zur Erfassung der Verdrehsteifigkeit und der Positionier- und Bahngenauigkeitskennwerte von Getrieben führt er Versuche mit einem speziellen Prüfstand durch. Abschließend fasst er die ermittelten Ergebnisse in einer allgemeinen Gestaltungsregel für Konstrukteure von Handhabungseinrichtungen zusammen (Abb. 17.2).

Abb. 17.2 Betriebseigenschaften hochuntersetzter Sondervorschubgetriebe [Rose1994]

Die Verkabelungsstrategie bei Industrierobotern ist Gegenstand der Untersuchung von Joachim Fuchs [Fuch1993]. Sie steht in unmittelbarem Zusammenhang mit der Flexibilität, Beweglichkeit und Zuverlässigkeit der rotierenden Achsen und somit des gesamten Handhabungssystems. Ziel seiner Arbeit ist der Energie- und Signalfluss durch den Roboter ohne von außen sichtbare Kabel und Rohre. Hierzu entwickelt Fuchs einen Drehübertrager, über den nicht nur die Energie für den Antrieb der Werkzeuge bzw. Greifer geführt wird, sondern auch die Sensorsignale (Abb. 17.3).

17. Handhabungstechnik und Robotik (ab 1980)

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Abb. 17.3 Übertragereinheit für Energie und Messsignale an Robotern [Fuch1993]

17.3 Robotersteuerung Der wirtschaftliche Einsatz von Robotern in automatisierten Montagezellen erfordert eine hohe Flexibilität der Robotersysteme. Dies schließt insbesondere die Fähigkeit ein, möglichst schnell eine neue Montageaufgabe ausführen zu können. Dazu ist bei den vorgegebenen wirtschaftlichen Rahmenbedingungen eine drastische Verringerung der Programmerstellungszeit zwingend erforderlich. Deshalb existieren seit den 1970er Jahren Bestrebungen zur Entwicklung aufgabenorientierter Roboterprogrammiersysteme. Aufbauend auf industriell eingesetzten Programmierlösungen entwickelt und erprobt das WZL leistungsfähige Greif- und Bahnplanungssysteme für die automatisierte Montage. In den frühen 1980er Jahren besteht ein Hauptproblem der Robotik in der Entwicklung geeigneter Bahnsteuerungsalgorithmen. Die Steuerung mehrachsiger Industrieroboter ist das Thema von Christopher D’Souza [DSou1980]. Ziel dieser Arbeit ist die Realisierung von Software- und Hardware-Komponenten für eine modulare Robotersteuerung. D’Souza entwirft in der Arbeit ein Rechenmodell zur Beschreibung der kinematischen Struktur eines sechsachsigen Roboters. Die Koordinatentransformation – sie ermöglicht es, kartesische Weltkoordinaten in Roboter-Gelenkkoordinaten umzurechnen – erfolgt mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens, dem Newton-Raphson-Verfahren. D‘Souza realisiert zudem ein grafisches Simulationstool, um Bahnverläufe offline generieren und evaluieren zu können. Heinz Peter Stöck beschäftigt sich in seiner Arbeit mit dem Thema „Online Kollisionsvermeidung bei Handhabungssystemen“ [Stöc1986]. Die von Stöck im Rahmen seiner

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Arbeit realisierte Sicherheitseinrichtung gewährleistet zum einen eine hohe Flexibilität des Handhabungsgeräts, da z. B. keine mechanischen Achsbegrenzungen verwendet werden. Zum anderen werden Personen zuverlässig vor Verletzungen bzw. Maschinen sicher vor Beschädigungen geschützt. Das indirekt arbeitende Online-Kollisionsvermeidungssystem basiert darauf, dass Kollisionsräume während der Roboterinbetriebnahme mit Hilfe einer Teach-In-Methodik vorgegeben werden. Diese Räume werden für die weitere Verarbeitung als virtuelle Hüllflächen, die der Roboter in der Betriebsphase nicht durchdringen darf, gespeichert. Ein Abgleich der aktuellen Roboterposition und des rechnerinternen Umweltmodells erfolgt online im Steuerungsrechner. Einen Weg in Richtung autonome Systeme beschreitet Josef Stettmer mit seiner Arbeit „Sensorgestütze Kollisionsvermeidung bei Industrierobotern“ [Stet1994]. Er entwickelt ein aktives, sensorbasiertes Online-Kollisionsschutzsystem, das auch bei hohen Bewegungsgeschwindigkeiten des Roboters arbeitet. Dazu ist eine schnelle Signalerfassung über optische Sensoren, eine beschleunigte Signalverarbeitung und eine zeitparallele Generierung von Ausweichbahnen erforderlich. Die Überwachung des Kollisionsraums erfolgt mit Hilfe eines Laserscanners, der das Höhenprofil der Roboterumgebung vermisst und das erfasste Profil mit einem gespeicherten Umgebungsmodell vergleicht. Das sensorbasierte Sicherheitssystem erlaubt die Kollisionserkennung in einem Bewegungsbereich von 1000-1800 mm. Die Idee des sensorgeführten Roboters wird am WZL von Dirk Prust aufgegriffen. Gegenstand seiner Arbeit ist ein System zur sensorgestützten Bewegungsführung, um ein vom Roboter geführtes Polierwerkzeug mit Hilfe von optischen und kraftmessenden Sensoren über ein stationär eingespanntes Bauteil zu bewegen. Die verwendete Sensorik dient gleichzeitig auch dem Kollisionsschutz. In seiner Dissertation „Autonome Freiformflächenbearbeitung durch sensorische Bewegungsführung von Industrierobotern“ [Prus2000] wird ein Sensor entwickelt, der sowohl den Abstand zu einer Oberfläche als auch die Neigung der Fläche in zwei Dimensionen zuverlässig bestimmt (Topologiesensor) (Abb. 17.4).

Abb. 17.4 Sensorgeführter Roboter [Prus2000]

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17.4 Online-Programmierung Im Bereich der Online-Programmierung entwickelt man am WZL verschiedene Systeme, die eine intuitive Vorgabe von Roboter-Bewegungsbahnen ermöglichen. Frank Weiß realisiert ein solches System in seiner Arbeit „Prozeßnahe Roboterprogrammierung unter Einsatz eines inertialen Meßsystems“ [Weiß1989]. Weiß beschreibt ein System, welches eine schnelle, komfortable Programmierung von Handhabungssystemen gewährleistet. Durch Abfahren und gleichzeitiges Speichern von Raumkurven mit Hilfe eines inertialen Messaufnehmers lassen sich Roboterbahnen einfach festlegen (Inertialsystem aus dem Flugzeug DC 10). Einen wesentlichen Beitrag zur intuitiven Online-Programmierung von Robotern liefert auch Hans-Georg Lauffs mit seiner Arbeit über „Bediengeräte zur 3D-Bewegungsführung“ [Lauf1991]. Darin werden verschiedene effiziente Verfahren zur Bewegungsvorgabe vorgestellt und Bediengeräte entwickelt, die die Bewegungsführung beschleunigen und die Roboterprogrammierung vereinfachen sollen. Ein Beispiel hierzu ist ein mobiles Bediengerät, das in der Lage ist, die Auslenkung des Joysticks in eine gleichgerichtete Roboterbewegung umzusetzen (Bedienfeld-Koordinaten-Korrektur) (Abb. 17.5).

Abb. 17.5 Mobiles Bediengerät mit Bedienfeld-Koordinaten-Korrektur [Lauf1991]

Andreas Zabel vereint in seiner Arbeit „Werkstattorientierte Programmierung von Industrierobotern für automatisches Lichtbogenschweißen“ [Zabe1993] die Vorzüge der direkten Bewegungsführung mit den Vorteilen graphisch-interaktiver Benutzeroberflächen, um den wirtschaftlichen Einsatz von Schweißrobotern auch in Kleinserien zu ermöglichen. Zabel konzipiert dazu ein Programmiersystem mit sprachgesteuerten Benutzermenüs. Um die Programmierung eines Schweißvorgangs zu erleichtern, werden dem Bediener über das Programmiersystem Makrobefehlsbausteine zur

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Verfügung gestellt, die eine implizite Beschreibung des Prozesses in Abhängigkeit von der jeweiligen Nahtform ermöglichen. 17.5 Offline-Programmierung Eine Pionierrolle in der Offline-Programmierung übernimmt Detlef Zühlke mit seiner Dissertation „Offline-Programmierung numerisch gesteuerter Industrieroboter“ [Zühl1982], in der er ein modulares Offline-Programmiersystem mit grafischer Simulationsumgebung entwickelt. Zühlke bedient sich dabei der standardisierten Steuersprache (IRDATA), um unabhängig von speziellen Industrierobotertypen Handhabungsoperationen programmieren zu können. Darüber hinaus entwickelt er auch eine eigene Programmiersprache ROBEX (Roboter Exapt) in Anlehnung an die Eingabesprache für das Programmiersystem EXAPT. Theodor Niehaus [Nieh1987] verfeinert mit seiner Arbeit über rechnergestützte Anwendungsprogrammentwicklung für Industrieroboter und flexible Automatisierungsgeräte einerseits das Programmiersystem zu einer auf Minirechnern lauffähigen Version ROBEX-M, in dem er das System hinsichtlich der in der Robotertechnik weniger praktikablen textuellen Geometriedefinitionen reduziert und um Funktionsumfänge zur Sensordatenverarbeitung erweitert. Andererseits realisiert er auf Basis von ermittelten Anwendungskriterien eine Arbeitsstation zur rechnergestützten Programmerstellung. Eine Weiterentwicklung im Bereich der simulationsbasierten Offline-Programmierung stellt das System GROSIM (Graphische Roboter Simulation) von Meinolf Osterwinter dar. Ziel des GROSIM-Systems, welches in seiner Arbeit „Steuerungsorientierte Robotersimulation“ [Oste1991] beschrieben wird, ist die Generierung aufgabenorientierter Roboterprogramme. Der Anwender beschreibt also nicht mehr, welche Programmlogik zur Steuerung des Industrieroboters erforderlich ist, sondern definiert nur noch, welche Teile oder Werkstücke ein Roboter handhaben soll. Ausgangsbasis für die aufgabenorientierte Programmierung ist eine detaillierte Produkt- und Umweltbeschreibung. Darauf aufbauend übernehmen die Planungsmodule „Aktions-, Greif-, Bahn- und Fügeplaner“ die Zerlegung der Aufgabe in ausführbare Steuerungsanweisungen. 17.5.1 Anwendungsorientierte Offline-Programmierung Der Einsatz von Robotern zur automatischen Montage erfordert neben montagegerechten Komponenten angepasste und flexible Roboterprogrammiermethoden. Im Hinblick auf diese Anforderungen entwickelt James Weeks [Week1996] ein autonomes, objektorientiertes System, das die Aufgaben der Greifplanung, der Berechnung und Eintragung der Konfigurationsraumhindernisse zur Freiraumberechnung sowie der Planung kollisionsfreier Bahnen eigenständig durchführen kann. Durch die Anwendung dieses Systems können komplexe Montageaufgaben in der Werkstatt automatisch programmiert, durch Simulation der generierten Roboterprogramme auf Korrektheit überprüft und anschließend in der Montagezelle ausgeführt werden. Frank Hollenberg entwickelte die „CAD-basierte Offline-Programmierung von Lichtbogenschweißrobotern“ [Holl1995], für die nur geringe Programmierkenntnisse erforderlich sind. Eine wesentliche Neuerung dieses Ansatzes besteht darin, dass sich die

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CAD-Daten von Schweißkonstruktionen dazu nutzen lassen, Roboterprogramme für Schweißaufgaben zu generieren. Zu diesem Zweck werden die für die Prozessführung relevanten Informationen strukturiert, Ähnlichkeiten im CAD-Modell identifiziert und vom entwickelten Programmiersystem aufbereitet. Wie bei Zabel wird auch in der Arbeit von Hollenberg eine Nahtklassifikation durchgeführt. Sie dient der Definition von Nahtkonturen und -parametern sowie der Ermittlung der Schweißreihenfolge und -richtung. Einer ähnlichen Aufgabe widmet sich auch Stephan Peper. Sein Ziel ist die Schweißstruktur-orientierte Offline-Programmierung von Lichtbogenschweißrobotern [Pepe1997], wobei eine Vereinfachung der Roboterprogrammierung im Vordergrund steht. Wiederkehrende Abläufe sollen automatisiert und applikationsspezifisches Expertenwissen eingebunden werden. Ferner sollen sich roboterspezifische Eingaben auf ein Minimum reduzieren lassen. Peper entwickelt daher eine intuitive Programmiermethodik, mit der sich einzelne Nahtverläufe und Programmteile beliebig einfügen, verschieben und löschen lassen. Zudem ist es für erfahrene Benutzer über spezielle Programmieroberflächen möglich, Parameter des Schweißprozesses selbstständig zu optimieren. Unerfahrenen Benutzern unterbreitet man hingegen Parametervorschläge, wodurch die Anpassungsfähigkeit zwar eingeschränkt, das Programmieren an sich jedoch vereinfacht wird. Eine neue Art der Roboterprogrammierung entwickelt Ralph Dammertz in seiner Dissertation „Ein Programmiersystem zur graphisch-strukturierten Erstellung von Roboterprogrammen und Programmieroberflächen“ [Damm1996]. Sein Programmierverfahren entsteht vor dem Hintergrund, dass komplexe Programmabläufe schnell unübersichtlich werden, wenn mehrere Verzweigungen, Schleifen, Sprünge oder Interrupts festzulegen sind. Unter Verwendung des von Dammertz entwickelten, grafischstrukturierten Ansatzes lässt sich dieses Problem bereits bei der Programmerstellung umgehen. Um verzweigte Programmstrukturen und parallel ablaufende Prozesse zu visualisieren, werden Ablaufdiagramme eingesetzt. Ausgehend von diesen Möglichkeiten entsteht das Programmiersystem OPERA, das heutzutage unter dem Namen BAPSplus mit der Entwicklungsumgebung RobotSuite von Bosch Rexroth kommerziell vertrieben wird (Abb. 17.6). In seiner Dissertation stellt Dammertz neben dem grafischen Programmieransatz auch ein Planungssystem vor, das Experten und Applikationsspezialisten die Möglichkeit bietet, anwendungsspezifische Programmieroberflächen schnell und einfach zu erstellen. Bei allen bereits vorgestellten Online-Programmierverfahren muss der Bediener jede Programmsequenz, d. h. jede einzelne Roboterbewegung und jeden Steuerbefehl, separat vorgeben. Bei der aufgabenorientierten (impliziten) Programmierung ist dies nicht notwendig, da der Anwender nur die für die Ausführung der Handhabungsaufgabe erforderlichen, vom Roboter auszuübenden Operationen, z. B. „Entnehme Rohteil aus Palette“, spezifiziert. Eine Planungskomponente setzt die einzelnen Operationen automatisch in eine Sequenz von Roboterbewegungen und Steueraktionen um. Für die Werkstückhandhabung erarbeitet Jan Gottschald in seiner Dissertation „Place&Play-Roboter – Ein portables Handhabungssystem für die Werkstatt“ [Gott2001] einen vielversprechenden, aufgabenorientierten Ansatz. Ein Teilziel der Arbeit ist es,

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Abb. 17.6 Programmieroberfläche BABSplus [Gott2001]

eine Programmierplattform zu entwickeln, die den Randbedingungen für die industrielle Anwendung in kleinen und mittelständischen Unternehmen gerecht wird. Da das dortige Personal in der Regel über geringes oder kein roboterspezifisches Fachwissen verfügt, entwirft Gottschald eine aufgabenorientierte, grafische Programmiermethodik, mit der sich betriebssichere Roboterprogramme mit einem stark reduzierten Aufwand und ohne umfangreiche Programmierkenntnisse generieren lassen. Der Grundgedanke des Place&Play-Roboters wird im Projekt „Porthos“ erneut aufgegriffen und bis zur Industriereife weiterentwickelt.1 Die aktuellen Forschungsarbeiten von Carlos Almeida und Ben Schröter beinhalten u. a. auch die Weiterentwicklung der Programmierplattform.2 Diese soll einerseits eine zeitsparende Modellierung der Roboterzelle ermöglichen, andererseits soll sie im Vergleich zu ihrem Vorgängermodell intuitiver zu programmieren sein. Ein weiteres aktuelles Projekt am WZL beschäftigt sich mit der Einrichtung und Programmierung sensorgeführter Handhabungsaufgaben, da die Integration von

1

Christian Brecher et al.: Portables Robotersystem – Wirtschaftliche Durchführung wechselnder Handhabungsaufgaben. In: VDI-Z Integrierte Produktion. Nr. 7/8, 2004. 2 Carlos Almeida, Christian Brecher et al.: Intuitiv bedienbare Programmiersysteme zur effizienten Programmierung von Handhabungsaufgaben. In: Robotik 2004: Leistungsstand – Anwendungen – Visionen – Trends, VDI-Berichte: 1841. Düsseldorf 2004, S. 303-310.

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Abb. 17.7 Konzept der unscharfen Roboterprogrammierung

externen Sensoren zur Objekt- und Lageerkennung eine sichere Handhabung von ungenau positionierten Werkstücken ermöglicht. Die Einbindung von Sensoren in den Handhabungsablauf des Roboters stellt allerdings hohe Anforderungen an die Fähigkeiten des Programmierers in Bezug auf die Einrichtung und Programmierung des Roboter-Sensor-Systems. Ziel des Projekts „Unscharfe Roboterprogrammierung“ von Almeida ist daher die Entwicklung eines durchgängigen Konzepts (Abb. 17.7), das die Integration von externen Sensoren wesentlich vereinfacht, eine intuitive Programmierung des Roboters wie auch des Sensors ermöglicht und eine betriebssichere Durchführung von sensorgeführten, adaptiven Handhabungsaufgaben gewährleistet. Das zukünftige Anwendungsgebiet soll sowohl die Materialhandhabung als auch die Montagetechnik umfassen.3 Neben Arbeiten zum mechanischen und steuerungstechnischen Aufbau der Roboter werden auch zahlreiche Forschungsarbeiten zur Nutzung der Roboter im industriellen Umfeld durchgeführt. 17.6 Einsatz von Robotern in Fertigung und Montage Die Anforderungen an Roboter und andere Handhabungsgeräte in Fertigung und Montage sind Gegenstand bei einer Vielzahl von Forschungsarbeiten des WZL. Mit Arbeiten

3

Carlos Almeida, Manfred Weck: Unscharfe Roboterprogrammierung – Programmierung von sensorgeführten Handhabungsaufgaben. In: Wolfgang Adam et al. (Hrsg.): Neue Sensoren und Aktoren für produktionstechnische Anwendungen. Fortschritt-Berichte VDI, Fertigungstechnik (Reihe 2). Düsseldorf 2003, S. 1-16.

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in den Bereichen spanende Fertigungstechnik, Umformtechnik, Textiltechnik liefert das WZL Lösungsansätze, wie ein industrieller Einsatz der Roboter unter dem Aspekt einer wirtschaftlichen Fertigung realisiert werden kann. In seinen Forschungsarbeiten zum Thema „Materialhandling beim Freiformschmieden mit Industrierobotern“ gelingt es Mike Girguis [Girg1997] nachzuweisen, dass Industrieroboter für die Handhabung der Bauteile beim Freiformschmieden geeignet sind und durch ihren Einsatz die Komplexität der Bauteilgeometrien erweitert werden kann. Für den Schmiedebetrieb rüstet Girguis einen Industrieroboter mit einem am WZL entwickelten Stoffflusskompensator an einem schmiedetauglichen Greifer aus. Als Versuchswerkstücke untersucht er die Umformung eines Bauteilspektrums aus Aluminium (Iängsförmige Werkstücke mit quaderförmigen Nebenformelementen) (Abb. 17.8).

Abb. 17.8 Schmiedeversuch im Prototyp einer Freiformschmiedezelle mit Industrieroboter [Girg1997]

Im Jahr 2001 fasst Guido Schweitzer [Schw2001] seine am WZL durchgeführten Arbeiten zum Thema „Methodik zur rechnergestützten Entwicklung von Formkörpern für das automatisierte Nähen mit Robotern“ zusammen, die er im Rahmen eines Verbundprojektes zum Thema „Integriertes 3D-Nähsystem“ erarbeitet. Im Mittelpunkt der Arbeit steht der Formkörper als zentrale und qualitätsbestimmende Komponente des automatisierten Nähens sowie dessen Entwicklung und Herstellung. Neben den eigentlichen Geometrieinformationen, die sich zur Fertigung des Formkörpers nutzen lassen, leitet Schweitzer als weiteres Ergebnis aus den Berechnungsmodellen zur Formkörpergenerierung den räumlichen Verlauf der Nahtbahnen am Formkörper ab. Hierdurch verkürzen sich auch die Zeiten für die Generierung der Roboternahtbahnen, welche nun offline programmiert werden können. Somit ergibt sich ein wesentlicher Beitrag zur flexiblen Automatisierung des Nähprozesses gemäß des Fertigungsprinzips der „3D-Nähtechnik“. Klaus Etscheid untersucht in seiner Arbeit die „Automatisierte Montage modularer Spannvorrichtungen mit Industrierobotern“ [Etsc1997]. Hierzu stellt er ein weitgehend

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werkstückunabhängiges Gesamtkonzept für die Spannung von Bauteilen auf, dessen zentrale Idee auf sogenannten verstellbaren Zwischenelementen beruht, die dazu dienen, die Funktionsträger der Vorrichtung exakt zu positionieren (Abb. 17.9). Zusätzlich entwickelt Etscheid das Programmiersystem VORKON (Vorrichtungs-Kontrolle), das in der Lage ist, eine fehlerhafte Anbringung der Spannelemente am Werkstück zu erkennen. Das Programmiersystem VORKON erweitert Etscheid anschließend so, dass die Berechnung der an die Robotersteuerung zu übertragenden Parameterwerte aus dem CAD-Modell und einigen externen Dateien möglich ist.

Abb. 17.9 Roboterunterstütze Montage eines Spannelementes mit Hilfe eines Montagegreifers [Etsc1997]

Die Arbeiten von Etscheid werden im Verlauf eines Sonderforschungsbereiches (SFB 368: Autonome Produktionszelle) aufgenommen und weiterentwickelt.4 Zusätzlich zu den konventionellen, modularen Spannmitteln werden hier auch niedrigschmelzende und geschäumte Metalle als Spannmittel sowie flexible Greifersysteme für den Einsatz in einer autonomen Produktionszelle untersucht (Abb. 17.10).

4

Manfred Weck u. a.: Sonderforschungsbereich SFB 368: Autonome Produktionszellen. Arbeits- und Ergebnisbericht. Aachen 2002. Vgl. auch Kapitel 29 zum Thema Autonome Produktionszelle ab 1994.

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Abb. 17.10 Spannen mit niedrigschmelzenden Metallen; Greifen mit einem flexiblen Stößelgreifer

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Maschinenentwicklung (ab 1982) CHRISTIAN BRECHER, FRANK HOFFMANN, MANFRED WECK

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Gliederung 18.1 Maschinenentwicklung 18.1.1 Entwicklung von Sondermaschinen 18.2 Entwicklung von Werkzeugmaschinen mit Parallelkinematik 18.2.1 Geschichtliche Entwicklung der Parallelkinematik 18.2.2 Konstruktion und Berechnung 18.2.3 Transformationsalgorithmen, Kalibrierungs- und Kompensationsverfahren 18.3 Integration von Lasertechnologie in Werkzeugmaschinen

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18.1 Maschinenentwicklung Im Rahmen der angewandten Forschung wurden und werden am WZL auch vollständige Neuentwicklungen von Maschinen und Anlagen für die Produktionstechnik durchgeführt. In Projekten mit der Industrie sowie in Forschungsprojekten entstehen industriell einsetzbare, voll funktionsfähige Prototypen, die neue Technologien für die Produktion nutzbar machen. Die Schwerpunkte der Maschinenentwicklung am WZL liegen auf der Entwicklung von Sondermaschinen und auf der Realisierung von hochdynamischen Werkzeugmaschinen mit paralleler Kinematik. Am Fraunhofer IPT werden Werkzeugmaschinen realisiert, die durch die Integration von Lasersystemen oder anderer Zusatzwerkzeuge eine Steigerung der Leistungsfähigkeit oder grundsätzlich neue Bearbeitungsverfahren ermöglichen. 18.1.1 Entwicklung von Sondermaschinen Werkzeugmaschinen sollen auf der einen Seite eine hohe Produktivität aufweisen, auf der anderen Seite sollen sie aber auch eine möglichst hohe Flexibilität in Bezug auf die zu fertigende Werkstückgeometrie bieten. Diese vom Grundsatz her gegensätzlichen Forderungen können nicht gleichzeitig in vollem Umfang erfüllt werden. Für die Fertigung kleiner bis mittlerer Stückzahlen werden universell einsetzbare Maschinen mit hoher Flexibilität, aber niedrigerer Produktivität verwendet, für die Großserienfertigung kommen speziell auf die Fertigungsaufgabe abgestimmte Mehrmaschinensysteme oder Sondermaschinen zum Einsatz, die zu Lasten der Flexibilität eine hohe Produktivität für ein begrenztes Werkstückspektrum erlauben. Am WZL und IPT werden Maschinen im gesamten Anwendungsspektrum entwickelt, so dass neben den universell einsetzbaren Werkzeugmaschinen auch Sondermaschinen konstruiert werden. 1994 beschäftigt sich Hagen Wiesner [Wies1994] im Rahmen seiner Arbeiten mit mess- und fertigungstechnischen Problemen beim Richten nicht maßhaltiger, ebener Bauteile aus Blech, z. B. Kreissägeblätter. Zunächst entwickelt er Auswertealgorithmen, mit denen die bei der Richtbearbeitung wichtigen Formtoleranzen Geradheit, Ebenheit sowie die Lagetoleranz Winkligkeit schnell und sicher erfasst werden können. Die geometrische Vermessung und Auswertung bildet die Voraussetzung für das Richten von Bauteilen. Auf Basis der so gewonnenen Daten erfolgt die Auswahl eines geeigneten Richtverfahrens. Hier stellt Wiesner mit dem 3-Punkt-Konzept und dem Führungsleistenkonzept zwei automatisierte Anlagenkonzepte gegenüber. Unabhängig vom Anlagenkonzept besteht das Problem darin, aufbauend auf den gemessenen Verformungen des aktuellen Bauteils, die individuell durchzuführenden Formänderungen zu bestimmen, die zur Verbesserung der Maßgenauigkeit erforderlich sind. Hierzu werden Lösungsmöglichkeiten erarbeitet und an Beispielbauteilen (z. B. Kreissägeblättern) überprüft. Michael Swoboda baut auf der Arbeit von Wiesner auf und entwickelt eine „Automatisierte mechanische Richtbearbeitung von HSS-Kreissägeblättern“ [Swob1999]. In Reihenuntersuchungen klassifiziert er die auftretenden Formabweichungen und die Auswirkung von abgestimmten Schlagfolgen. Daraus leitet er eine Richtstrategie ab,

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die schließlich konstruktiv umgesetzt wird. Die Anlage hat im Zentrum eine drehbar gelagerte Werkzeugaufnahme. Oberhalb der Aufnahme befinden sich zwei pneumatische Schlaghämmer für die gezielte Formänderung und Lasertriangulationssensoren für die Vermessung der Kreissägeblätter (Abb. 18.1).

Abb. 18.1 Schnittzeichnung der kombinierten Mess- und Richteinheit für Kreissägeblätter

18.2 Entwicklung von Werkzeugmaschinen mit Parallelkinematik 18.2.1 Geschichtliche Entwicklung der Parallelkinematik Konventionelle Werkzeugmaschinen besitzen einen seriellen Aufbau der Maschinenachsen, bei dem in einem kartesischen System eine Achse auf der anderen aufbaut. Bei Parallelkinematiken ist jedoch eine Plattform, die z. B. die Arbeitsspindel trägt, über verschiebbare oder längenveränderliche Stäbe, sogenannte Aktoren, mit dem Maschinengestell verbunden. Durch die koordinierte Bewegung der Aktoren werden die kartesischen Bewegungen der Spindel realisiert. Idealerweise sind die Aktoren ausschließlich Zug- und Druckkräften ausgesetzt, so dass bei entsprechender Auslegung gute Aktorsteifigkeiten erzielt werden. Darüber hinaus ermöglichen die verhältnismäßig geringen zu beschleunigenden Massen eine hohe Dynamik. Hybridkinematiken wiederum kombinieren parallele und serielle Antriebsstrukturen. Mittlerweile sind einige innovative Maschinenlösungen auf dem Markt.

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Seit etwa 1960 sind Parallelkinematiken in industriellen Anwendungen aus der Robotertechnik bekannt. Die ersten Prototypen für Werkzeugmaschinen mit diesem Verfahren, wie zum Beispiel der Hexapod der Firma Ingersoll, werden erstmals 1994 in Chicago vorgestellt. Seit 1995 forscht das WZL sowohl auf dem Gebiet der Findung neuer Kinematiken, im Bereich der Konstruktion, der Berechnung und der Optimierung als auch im Bereich der Regelung von Werkzeugmaschinen mit parallelen Kinematiken. 18.2.2 Konstruktion und Berechnung Die Konstruktion und Berechnung von Parallelkinematiken basiert auf der Berechnung der Kinematik, der Kinetostatik und der Strukturmechanik eines ungleichförmig übersetzenden Getriebes. Es werden die Geschwindigkeits- und Kraftübersetzungen zwischen dem Tool-Centre-Point (TCP) und den Antrieben berechnet und optimiert. Außerdem wird das statische und dynamische Verhalten der Struktur mit Hilfe von Simulationen bewertet. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart wird ab 1995 das vom BMBF geförderte Verbundprojekt DYNAMIL (DYNAMische, Innovative Leichtbaukonstruktionen für die Produktionsmaschine 2000) vorangetrieben. Am ISW entsteht eine sechsachsige, modulare Parallelkinematik „Linapod“. Am WZL wird eine dreiachsige Hybridkinematik „Dyna-M“ als Transferstraßenmodul entwickelt und 1996 zum Patent angemeldet. In der zweiten Phase des Projektes wird die Maschine in den Jahren 1997 bis 2000 von Matthias Giesler in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern weiterentwickelt. Die Firma Hüller-Hille fertigt den Prototypen, der in Abbildung 18.2 links dargestellt ist. Die Maschine ist als Bipod-Konzept ausgeführt, bei dem die Parallelkinematik in der X-Y-Ebene eine verfahrbare, serielle Z-Pinole mit Motorspindel trägt. Der Antrieb des M-förmigen Koppelgetriebes erfolgt durch zwei Teleskop-Kugelgewindespindeln. Die Erfahrungen aus dem DYNAMIL-Projekt führen im Jahr 2000 zur Anmeldung eines Patentes für eine weitere Kinematik, das sogenannte V-Konzept (Abb. 18.2, rechts). Dieses Konzept wird in Zusammenarbeit mit dem Maschinenhersteller Chiron als kompaktes Hochgeschwindigkeits-Bearbeitungszentrum „Chiron Vision“ für die dreiachsige Fräsbearbeitung umgesetzt. Durch Verfahren der V-förmig angeordneten Schubstangen wird die Bewegung in der X-Y-Ebene realisiert. Als Antrieb dienen vier Lineardirektmotoren in Doppelkammbauweise, die auf den beiden Schubstangen angeordnet sind. Der Vorschub des Spindelkastens in Z-Richtung wird hingegen konventionell mittels eines Kugelgewindetriebes realisiert. Das dargestellte Maschinenkonzept ermöglicht im Vergleich zu seriellen Konzepten eine deutliche Reduktion der bewegten Massen bei gleichzeitig erhöhter Steifigkeit, so dass sich Eilganggeschwindigkeiten von bis zu 120 m/min, Achsbeschleunigungen von bis zu 3 g sowie eine daraus resultierende Span-zu-Span-Zeit von 1,2 s realisieren lassen. Im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Fertigungsmaschinen mit Parallelkinematik“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft werden am WZL seit 2001 „rechnergestützte Werkzeuge zur automatisierten Optimierung paralleler Kinematiken für Produktionsmaschinen“ entwickelt. Matthias Giesler und Frank Hoffmann untersuchen

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Abb. 18.2 Hochdynamische Bearbeitungszentren für die 3-Achs-Fräsbearbeitung

Möglichkeiten, die zahlreichen Konstruktionsmerkmale von Parallelkinematiken, z. B. erreichbarer Arbeitsraum, Aktorgeschwindigkeiten, Aktorkräfte, Steifigkeiten, Beschleunigungsvermögen und Eigenfrequenzen, gleichzeitig zu optimieren.1 Für diese Multikriterienoptimierung von Parallelkinematiken wird im Rahmen des Projektes ein spezieller „genetischer Algorithmus“ entwickelt, der die natürliche Evolution zum Vorbild hat (Abb. 18.3). Ausgehend von einer Startpopulation werden die Merkmale zu einer Pareto-Ergebnisfront entwickelt, die die vorgegebenen Kriterien bestmöglich im Sinne einer Kompromisslösung erfüllt. 18.2.3 Transformationsalgorithmen, Kalibrierungs- und Kompensationsverfahren Die Achsbewegungen einer Werkzeugmaschine werden im NC-Programm in kartesischen Werkstück-Koordinaten programmiert. Bei Parallelkinematiken müssen die Werkstück-Koordinaten steuerungsintern in Antriebskoordinaten bzw. Aktorlängen transformiert werden. Bei Hexapoden werden z. B. die sechs kinematischen Freiheits-

1

Matthias Giesler, Manfred Weck: Konfigurierung von Parallelkinematiken – Anwendungsorientierte Mehrkriterienoptimierung für Werkzeugmaschinen. In: wt Werkstattstechnik, 92. Jg., 2002, H. 7, S. 361-368. Frank Hoffmann, Stephan Witt, Manfred Weck: Rechnergestützte Werkzeuge zur automatisierten Optimierung paralleler Kinematiken für Produktionsmaschinen. Berichtskolloquium des DFG-SPP PKM, September 2003, Stuttgart.

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Abb. 18.3 Optimierung von Parallelkinematiken

grade der Bearbeitungsplattform durch sechs längenveränderliche Teleskopbeine zwischen Gestell und Plattform gesteuert. Andreas Meylahn beschäftigt sich in seiner Dissertation „Effiziente Algorithmen für die Steuerung von Werkzeugmaschinen mit Hexapod-Kinematik“ [Meyl2001] mit Algorithmen für die Lösung der Transformationsgleichungen von Hexapoden. Ein zweiter Schwerpunkt der Arbeit ist die Kollisionsüberwachung und Freifahrunterstützung an den Grenzen des Arbeitsraumes. Um Kollisionen zu vermeiden, muss hierzu bei Hexapoden insbesondere eine Überwachung der Abstände zwischen den sechs Teleskopbeinen durchgeführt werden. Die Implementierung dieser Funktionen in der Maschinensteuerung ist die Grundlage für weitergehende Maßnahmen, die die Leistungsfähigkeit von Werkzeugmaschinen mit Hexapod-Kinematik steigern. Am WZL wird im DFG-Projekt „Genauigkeitssteigerung von Hexapoden“ ein patentiertes Kalibrierverfahren für Parallelkinematiken von Dirk Staimer erarbeitet, bei dem die Position und Orientierung des TCPs aus sechs Abstandsmessungen zwischen dem feststehenden Maschinentisch und der bewegten Plattform bestimmt wird (Abb. 18.4).2 Hierzu wird ein Messstab als redundantes Messbein zur Abstandsbestimmung zwischen Kugelaufnahmen an Maschinentisch und Plattform eingebaut. Auf diese Weise können die tatsächlichen Positionen der Kinematik-Gelenke auf dem Gestell und der Plattform

2

Dirk Staimer, Manfred Weck: Accuracy Issues of Parallel Kinematic Machine Tools, Journal of Multi-Body Dynamics, I Mech E, Part K1, Vol. 216, 2002.

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Abb. 18.4 Kalibrierung von Parallelkinematiken

bestimmt werden. Somit lassen sich Fertigungs- und Monatagetoleranzen, die einen erheblichen Einfluss auf die Maschinengenauigkeit haben, erfassen und über die Steuerung kompensieren. Staimer beschäftigt sich außerdem mit der Kompensation von Verlagerungen an Parallelkinematiken aufgrund von Gewichtskräften. Er implementiert ein erweitertes analytisches Steuerungsmodell, das sowohl die Massen der Plattform und der Teleskopaktoren als auch die Steifigkeiten der Aktoren berücksichtigt. Die Berücksichtigung dieser Einflussgrößen ermöglicht es, die Positioniergenauigkeit signifikant auf 20 µm im gesamten Arbeitsraum zu steigern. Thermisch bedingte Verlagerungen der Gelenkpunkte im Gestell werden zusätzlich durch eine Temperierung der Gestellstruktur vermindert. Taka Yamasaki sieht eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der Bearbeitungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen mit Parallelkinematik in der aktiven Kompensation von Strukturschwingungen. Parallelkinematik-Strukturen haben in Richtung der Antriebsstreben eine hohe Steifigkeit, nicht jedoch in Querrichtung. Die in Querrichtung auftretenden Maschinenschwingungen können sich limitierend auf die erreichbare Dynamik des Systems auswirken. Im Rahmen des DFG-Projektes „Prädiktive Schwingungskompensation bei Maschinen mit paralleler Kinematik“ entwickelt Yamasaki ein echtzeitfähiges Kompensationssystem. Der Vorteil dieses Systems besteht darin, dass keine zusätzlichen Aktoren benötigt, sondern nur die in der Maschine bereits vorhandenen Antriebe zur Schwingungskompensation genutzt werden. Das Verfahren kann den periodischen Anteil der Maschinenschwingungen in einem weiten Frequenzbereich von 50 bis 200 Hz dämpfen.3

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Für die Regelung von Maschinen mit Parallelkinematik stellt Peter Krüger neue Ansätze vor. Da bei Parallelkinematiken „klassische“ Regelungsverfahren nur bedingt geeignet sind, entwickelt er eine verbesserte „Steuerung und Regelung für Maschinen mit ebener Parallelkinematik“ [Krüg2004]. Seine Ziele, die Bewegungsdynamik zu steigern und das dynamische Regelungsverhalten im Arbeitsraum zu verbessern, erreicht er durch eine ständige Berücksichtigung der in der aktuellen Bewegung zur Verfügung stehenden Beschleunigungsreserven der Antriebe. Steuerungsintern werden die für die Beschleunigung zu überwindenden Reibungs- und Trägheitskräfte in Abhängigkeit von der aktuellen Position der Kinematik berechnet. Zur Erhöhung der möglichen Reglereinstellungen an Parallelkinematiken schlägt Krüger eine achsübergreifende Regelung vor, die die gegenseitige Beeinflussung der Antriebe verhindern soll. Diese achsübergreifende Regelung für parallele Kinematiken ist Gegenstand des aktuellen Forschungsvorhabens „Entwicklung eines Führungs- und Regelungskonzeptes für parallele Kinematiken“ (DFG) am WZL. 18.3 Integration von Lasertechnologie in Werkzeugmaschinen Die Lasertechnologie findet heute aufgrund der hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten, Flexibilität und Prozesssicherheit ein weites Anwendungsfeld in der Produktion. Hierzu zählen das Laserstrahlbeschichten, -legieren, -härten, -löten, schneiden, -strukturieren und die laserunterstützte Warmzerspanung. Am Fraunhofer IPT werden die Anforderungsprofile für eine produktionstaugliche Integration von Lasersystemen in Werkzeugmaschinen erarbeitet. Aufbauend auf diesen Grundlagen werden entsprechende Anlagen und Arbeitsköpfe für verschiedenste Anwendungen entwickelt und aufgebaut. Hierbei werden neben hybriden Verfahren zur Steigerung der Leistungsfähigkeit und dem Anwendungsspektrum von Anlagen grundsätzlich neue Bearbeitungsverfahren entwickelt. Die ersten Arbeiten am Fraunhofer IPT auf dem Gebiet der Laserintegration hat Hans-Gert Mayrose [Mayr1992] durchgeführt. Als Basis für eine breite Umsetzung der Laserstrahltechnologie in der Produktion werden in seiner Arbeit geeignete Kopplungsprinzipien von Lasern und verschiedenen Werkzeugmaschinen dargestellt und Wege zur Überwindung technischer Problemstellungen bei der Realisierung laserunterstützter Maschinen gezeigt. Anhand der Integration des Laserhärtens in eine handelsübliche Drehmaschine werden unterschiedliche Konzepte zur Strahlführung in der Werkzeugmaschine vorgestellt. Christoph Hermanns [Herm1995] entwickelt Anforderungsprofile für Anlagen zur laserunterstützten Warmzerspanung. Dabei werden Lösungsansätze zur Konfiguration und zum Aufbau von Warmzerspanungsanlagen dargestellt. Hierzu wird der Aufbau von Anlagen, bestehend aus einer Zweischlitten-Schrägbettdrehmaschine, einer Fünfachs-Fräsmaschine und zwei Hochleistungslasern, beschrieben. Des Weiteren werden die Strahlformung und die mechanische und optische Auslegung und Konstruktion

3

Christian Brecher, Manfred Weck, Taka Yamasaki: Prädiktive Schwingungskompensation bei Maschinen mit paralleler Kinematik. Tagungsband: Elektrisch-mechanische Antriebssysteme. Berlin 2004.

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CHRISTIAN BRECHER, FRANK HOFFMANN, MANFRED WECK

Abb. 18.5 Wechselobjektiv für das Oberflächenveredeln mit hohen Laserleistungen [Schö1996]

der Arbeitsköpfe, die Regelung der Laserleistung und das thermische Verhalten der Drehmaschine während der Warmzerspanung dargestellt. Aus den Ergebnissen der Untersuchungen werden die Anforderungen an eine Warmzerspanungsanlage in Form von Datenblättern zusammengefasst. Inwiefern die Integration von Sensoren und Aktoren in die Strahlführung in Verbindung mit einer geeigneten Automation der Rüst- und Kalibriervorgänge die Flexibilität einer Maschine wesentlich steigern kann, behandelt Jörg Schön [Schö1996] in seiner Forschungsarbeit von 1996. Anhand einer Beispiellösung für die Automation und Online-Kontrolle einer Strahlführungseinheit zum Oberflächenveredeln (z. B. Pulverhartstoff-Beschichten) stellt er die Potenziale dieser Technologie dar. Die Abbildung 18.5 zeigt einen Arbeitskopf zur Oberflächenveredelung, in den alle zu diesem Zeitpunkt bekannten Stell- und Messmöglichkeiten integriert sind. Aufbauend auf den Ergebnissen von Christoph Hermanns [Herm1995] ist die wissenschaftliche Untersuchung und Entwicklung der anlagentechnischen Grundlagen für eine produktionstaugliche laserunterstützte Drehbearbeitung mit Hochleistungsdiodenlasern das Ziel der Arbeit von Stefan Kasperowski [Kasp2000]. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Fertigung rotationssymmetrischer, hochfester keramischer Bauteile, wie Umformwerkzeuge oder Wälzlagerringe, wobei eine weitgehende Substitution der bis dahin eingesetzten zeitintensiven Schleifbearbeitung angestrebt wird.

18. Maschinenentwicklung (ab 1982)

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Abb. 18.6 Prozessbild des Laserpulver-Beschichtungskopfes beim Beschichten von Freiformflächen

Aktuelle Arbeiten von Karl Groll beschäftigen sich mit dem Einsatz von Lasertechnologie innerhalb einer automatisierten Reparaturzelle für den Werkzeug- und Formenbau.4 Hierbei wird ein modular einwechselbarer, kompakter 2-Achs-Kopf zum Laserpulverbeschichten von Freiformflächen aufgebaut (Abb. 18.6), der als Strahlquelle einen 2 kW-Diodenlaser nutzt.

4

Christian Brecher, Karl Groll et al: Machine tool for the automated reparing of worn-out moulds and dies with integrated 3D-measuring system and an adaptive two-axis-laser-cladding-head. 4th International Conference on Laser Asssisted Net Shape Engineering LANE2004. Erlangen, September 2004, S. 21-24.

19

Ultrapräzisionsmaschinen (ab 1988) FRANK NIEHAUS, CHRISTIAN PESCHKE, MANFRED WECK, CHRISTIAN WENZEL

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FRANK NIEHAUS, CHRISTIAN PESCHKE, MANFRED WECK, CHRISTIAN WENZEL

Gliederung 19.1 Einleitung 19.2 Ultrapräzisionsmaschinen für die spanende Mikrostrukturierung 19.3 Optimierung von Vorschub-Achssystemen für die Ultrapräzisionsfertigung 19.4 Automatisierung in der Mikroproduktionstechnik und Mikromontage

19. Ultrapräzisionsmaschinen (ab 1988)

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19.1 Einleitung Die Technik und das Know-how auf dem Gebiet der „Präzisions- und Ultrapräzisionsmaschinen“ sind bis zu Beginn der 1980er Jahre in Japan, den USA und in England zu Hause. Mit der Gründung des Fraunhofer IPT im Jahre 1980 setzt sich Manfred Weck das Ziel, diese Technologie, an der in Deutschland bis dahin kein Forschungsinstitut arbeitet, zum Hauptarbeitsgebiet seiner Abteilung werden zu lassen. Mit seinem ersten Oberingenieur, Robert Hartl, gelingt es ihm, über 20 deutsche Firmen zu gewinnen, die der Forschungsgemeinschaft Ultrapräzisionstechnik beitreten. Es handelt sich hierbei um Maschinenhersteller zur Bearbeitung optischer Komponenten, um Messgerätehersteller und um Anwender dieser Maschinen. Als Mitgliedsvereinigung der AiF besteht diese Forschungsgemeinschaft nun seit 1988. Sie ist heute international mit amerikanischen, englischen, niederländischen und deutschen Firmen besetzt. Zweimal jährlich wird über Forschungsaufgaben beraten und den Mitgliedern über die erarbeiteten Forschungsergebnisse berichtet. Manfred Weck steht dieser Forschungsgemeinschaft bis zu seinem Ausscheiden im Jahre 2002 vor. Seitdem wird sie von seinem Nachfolger Christian Brecher geleitet.

Abb. 19.1 Mitglieder der Forschungsgemeinschaft Ultrapräzisionstechnik e.V.

19.2 Ultrapräzisionsmaschinen für die spanende Mikrostrukturierung Die ultrapräzise Zerspanung mit hauptsächlich monokristallinen Diamantwerkzeugen gewinnt seit ihren Anfängen in den 1960er Jahren eine zunehmend wachsende Bedeutung in der Industrie. Anwendungen aus dem täglichen Leben sind die Herstellung von Kontaktlinsen, von optischen Sensoren für die Fertigung oder von Scanner-

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optiken an der Kasse des Supermarkts. Mit der zunehmenden Verbreitung von TFTDisplays in der mobilen Kommunikationstechnologie, dem Automobil- und Heimbereich wachsen die Anforderungen an die Genauigkeit bei gleichzeitig steigenden Größen der Bauteile. So benötigen beispielsweise 24”-Monitore ultrapräzise Masterwerkzeuge in optischer Oberflächenqualität und einstelliger Mikrometer-Genauigkeit. Abbildung 19.2 gibt einen Überblick über physikalische Funktionen derartiger Bauteile, Anwendungsbeispiele, verwendete Werkstoffe sowie korrelierende Präzisionsanforderungen. Funktion

Anwendungsbeispiele

Werkstoffe

Anforderungen

Lichtreflektierende Oberflächen

- Scanner für Überwachung von Endlosprodukten - Scanner für Luft- und Bodenphotographie - Optiken von Bearbeitungslasern, Photokopierern und La-serdrucktrommeln

- Aluminium - Kupfer - Messing - Bronze - chemisch Nickel - Zinn

Reflexion: > 95% Ebenheit: 0,1 – 0,01 µm Rauheit: Ra = 0,0002 µm

Lichtdurchlässige Oberflächen

- Kontaktlinsen - Nachtsichtgeräte (Germani-umlinse) - Austrittsfenster von Laserquellen

- Optische Kunststoffe - Acrylglas - Germanium - Silizium

Ebenheit: 0,1 – 0,01 µm Rauheit: Ra = 0,1 – 0,002 µm

Nicht optische Oberflächen

- Magnetspeicherplatten - Elektroden für Teilchenbeschleuniger - Pressstempel für Glaslinsenherstellung

- Aluminium - Nickel - ferritische Werkstoffe

Ebenheit: 0,1 µm Rauheit: Ra = 0,01 µm

Abb. 19.2 Übersicht über Ultrapräzisionsbauelemente [Hart1988]

19. Ultrapräzisionsmaschinen (ab 1988)

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Eine fortlaufende Qualitätsverbesserung der Produkte bei sinkenden Produktionskosten und steigender Stückzahl prägen die Entwicklung dieser Technologien. Nur durch intensive fachübergreifende Forschungsarbeiten in diesem Grenzgebiet des Maschinenbaus und dem konsequenten Annähern an physikalische Barrieren können z. B. Festplatten zu heutigen Massenprodukten der Konsumgüterindustrie werden. Das Fraunhofer IPT forscht seit seiner Gründung intensiv an den übergreifenden Grundzusammenhängen der Mikro- und Nanotechnolgie und erstellt praxisorientierte Maschinenund Komponentenkonstruktionen. Die Symbiose aus Maschinen- und Prozessentwicklung sowie dem Aufbau einhergehender Messtechnik zur Analyse der Bauteile unter einem Dach lassen das Institut in Aachen in seinem Portfolio heute einzigartig in Deutschland dastehen. Als erster Mitarbeiter der Abteilung Produktionsmaschinen des Fraunhofer IPT und späterer Oberingenieur dieser Forschergruppe analysiert Robert Hartel [Hart1988] die Einflüsse des Maschinenverhaltens auf die Oberflächengüte. Hierbei legt er den Fokus auf die Herstellung reflektiver Optiken aus Nichteisenmetallen sowie den maschinenseitigen Einfluss auf erzielbare Formgenauigkeiten und Oberflächenrauheiten von ultrapräzise zerspanten Oberflächen. Aufgrund der mit Ultrapräzisionsmaschinen erzielbaren Genauigkeiten lässt sich hierzu die Maschinencharakterisierung mit direkten Messmethoden wegen ihres fehlenden Auflösungsvermögens nur noch eingeschränkt verwenden. Hartel zeigt in seiner Arbeit eine Vorgehensweise, wie indirekte Messtechnik mittels einer Analyse gefertigter Bauteile die direkt gemessenen Eigenschaften einer Maschine für relevante Anforderungen der Ultrapräzisionstechnik weiterführend detaillieren kann. Auf der von ihm selbst entwickelten Ultrapräzisionsmaschine (UPM 1) des Fraunhofer IPT kann er Korrelationen zwischen Fehlern von Maschinenkomponenten, wie Spindeln, Führungen, Antrieben und Messsystemen, und der resultierenden Bauteilqualität erarbeiten. Schwingungsbedingte Werkstückoberflächenmodulationen schränken immer wieder die geforderten hohen Fertigungsgenauigkeiten bei der Ultrapräzisionszerspanung ein. Daher ermittelt Karl Modemann [Mode1989] anhand theoretischer und experimenteller Untersuchungen die Wirkung von Einflussgrößen auf die Ausbildung von Schwingungen im Feinstdrehprozess. Modemann analysiert hierbei auf Basis der Oberflächeninterferometrie die erfassten Oberflächenwelligkeiten mittels synthetisch erstellter Interferogramme hinsichtlich der verursachenden Schwingungen und gliedert diese in maschinen-, werkstück-, werkzeug- und feinstdrehprozessbedingte Faktoren. Modemann zeigt, dass aufgrund messtechnischer Untersuchungen wirkungsvolle Maßnahmen zur gezielten Verbesserung des statischen und dynamischen Verhaltens von Ultrapräzisionsmaschinen durchgeführt werden können. Weiterhin lassen sich mit Hilfe des Modells zum Feinstdrehprozess günstige technologische Parameter zum Erreichen geringer Prozessschwingungen und damit höchster Oberflächenqualitäten ermitteln (Abb. 19.3). Neben Forschungsarbeiten hinsichtlich des Verhaltens eines gesamten Maschinensystems leistet Jörg Luderich [Lude93] einen grundlegenden Beitrag zur Bewertung und Optimierung von ultrapräzisen Maschineneinzelkomponenten. Die Werkzeugbzw. Werkstückspindel bestimmt in großem Maße die erzielbare Bearbeitungsgenau-

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Abb. 19.3 Ultrapräzisionsgedrehte Werkstücke [Mode1989]

igkeit hinsichtlich der Formhaltigkeit und der Oberflächenrauheit. Während im konventionellen Maschinenbau primär wälzgelagerte Spindeln zum Einsatz kommen, werden in der Ultrapräzisionstechnik vornehmlich aerostatische und hydrostatische Spindeln verwendet. Luderich untersucht für derart hochpräzise Spindeln den Einfluss externer und interner Belastungen, wie Drehzahl, Zerspankraft, Schwingungen und lokale Temperaturdifferenzen, auf eine Verlagerung des Rotors. Es gelingt ihm, das charakteristische Verhalten von aerostatischen und hydrostatischen Spindeln für die Ultrapräzisionstechnik messtechnisch zu erfassen, Zusammenhänge zwischen konstruktiven Spezifika und Spindelgenauigkeit zu beschreiben sowie diese in die direkte Korrelation zu den Ergebnissen am Bauteil zu setzen. Durch die hohe Rundlaufgenauigkeit hydrostatischer Lagerungen sind diese vor allem bei Präzisions- und Ultrapräzisionsmaschinen von Interesse. Bei hochgenauen Anwendungen spielt das thermische Maschinenverhalten, das durch die hydrostatische Lagerung stark beeinflusst wird, eine besondere Rolle. Ulrich Böttger [Bött1994] erarbeitet in seiner Dissertation „Hydrostatische Präzisionsspindeln“ Maßnahmen zur Genauigkeitssteigerung derartiger Lager- und Spindelsysteme durch eine geeignete Werkstoffwahl. Zudem entwickelt er in diesem Zusammenhang Kompensationsstrategien, z. B. Gehäusetemperierungen (Abb. 19.4). Abschließend fasst er diese in einem Maßnahmenkatalogen zusammen. Dabei werden vor allem durch die Gehäusetemperierung Möglichkeiten zur wirksamen und kostengünstigen Reduktion von thermisch bedingten Spindelverlagerungen aufgezeigt. Ihm gelingt es, die thermische Drift einer hydrostatisch gelagerten Ultrapräzisionsdrehmaschine auf etwa 1 µm zu reduzieren. Ein zunehmendes Anwendungsfeld in der ultrapräzisen Optikherstellung erschließen nicht-rotationssymmetrische Spiegel (NRS) (Abb. 19.5). Sie finden Einsatz in der deterministischen Strahllenkung in Lasersystemen, in der Beleuchtungstechnik oder bei Scannern. Zur Herstellung dienen ultrapräzise Drehmaschinen in Kombination mit hochdynamischen Zusatzachsen, um den nicht-rotationssymmetrischen Anteil zu

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19. Ultrapräzisionsmaschinen (ab 1988)

Abb. 19.4 Keramikspindel mit geregelter Lagerkühlung [Bött1994]

Als Herausforderung für die Maschinentechnik ergibt sich die Symbiose aus hochdynamischen Werkzeugbewegungen bei gleichzeitiger sub-mikrometer-genauer Positionierung der Diamantschneide.

Abb. 19.5 NRS-Spiegel [Pyra1994]

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Michael Pyra [Pyra1994] liefert in diesem Zusammenhang einen grundlegenden Beitrag zur Herstellung von nicht-rotationssymmetrischen Laserspiegeln. Hierbei betrachtet er deren Herstellungstechnologie, einsetzbare Maschinensysteme sowie daraus resultierende Fertigungsgenauigkeiten. Von der optischen Applikation herkommend, leitet er in seiner Arbeit notwendige Formgenauigkeiten und Oberflächenrauheiten systematisch ab, die sich anhand der verwendeten Laserwellenlänge berechnen lassen. Parallel zu der Anforderungsspezifikation analysiert Pyra die prozessbedingten Einflüsse bei der Herstellung derartiger Freiformflächen hinsichtlich der minimal erzielbaren Gestaltabweichungen. Anhand der aufgestellten Korrelationen zwischen den maximal erzielbaren Genauigkeiten einerseits und den optischen Anforderungen andererseits kann er Gestaltungsrichtlinien für ein fertigungsgerechtes Design von nicht-rotationssymmetrischen Laserspiegeln erfolgreich aufstellen. Im Anschluss an seine theoretischen Grundlagenuntersuchungen baut Pyra ein piezogetriebenes hochdynamisches Werkzeug-Positionier-System oder auch Fast-Tool-Servo-System (FTS) und erprobt es für die obige Applikation. Treten beim Betrieb von Maschinen Probleme im Zusammenhang mit dem dynamischen, thermischen oder statischen Verhalten auf, so lassen sich die Wirkzusammenhänge oft nur durch moderne Mess- und Analysemethoden identifizieren. Daher ist das Ziel der Arbeit von Heinrich Ostendarp [Oste1996], durch gezielte Weiterentwicklungen von flächigen Messverfahren oder durch eine Kombination flächiger und punktueller Sensoren neue Möglichkeiten der Verformungsanalyse aufzuzeigen. Um neben matten Oberflächen auch Verformungen spiegelnder und transmittierender Bauteile, z. B. bei optischen Komponenten, erfassen zu können, führt er das Prinzip der Zwischenabbildung ein, welche durch das entwickelte ESPI-Messsystem (Electronic Speckle Pattern Interferometrie) ausgewertet wird. Ostendarp erarbeitet weiterhin einer Vorgehensweise zur zeitabhängigen Erfassung thermisch bedingter Verformungen, die auf einer erweiterten Aufnahme- und Auswertetechnik zum ESPI-Verfahren basiert. Der durch Hans-Bernd Schroeder [Schr1996] behandelte Forschungsschwerpunkt „Thermische Einflüsse durch Prozess und Raumtemperatur bei der Ultrapräzisionsbearbeitung“ ergänzt die Betrachtungen der Maschinengenauigkeit unter rein statischen und dynamischen Belastungen. Er legt einen Fokus auf das thermische Verhalten von ultrapräzisen Werkzeugmaschinen infolge innerer und äußerer Wärmequellen. In seinen Untersuchungen betrachtet er thermische diskontinuierliche Belastungen auf die Werkzeugmaschine, die aus dem Prozess selbst, den Maschinenantrieben sowie externen Umgebungseinflüssen resultieren. Als zu untersuchendes Wirksystem nutzt er die Plandrehbearbeitung von Kupferspiegeln. Schroeder gelingt es, die thermischen Korrelationen und Interaktionen durch Modelle abzubilden, um komplexe Ursache-Wirkzusammenhänge zu erläutern. Der Werkzeughalter aus Stahl mit dem aufgelöteten Diamanten wird in Bezug auf die erzielbaren Formgenauigkeiten am Werkstück als eines der sensibelsten Elemente identifiziert. Ein innovatives, aktiv geregeltes Kühlsystem für den Werkzeughalter wird im Rahmen der Arbeiten ausgelegt und aufgebaut, mit dem sich eine Verbesserung der Formhaltigkeit am Werkstück von über 50 % erzielen lässt. Darüber hinaus entwickelt er eine Kompensationssoftware, welche die Maschinensteuerung ergänzt. Auch durch diesen Ansatz können

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deutliche Verbesserungen in der Gesamtgenauigkeit der ultrapräzisen Maschine erzielt werden. Im Jahre 2000 betrachtet Stephan Fischer [Fisc2000] weiterführend die fertigungstechnischen Potenziale für die Ultrapräzisionszerspanung mittels Drehen, Fräsen und Hobeln. Grundlage hierzu sind umfangreiche prozesstechnologische Analysen am Fraunhofer IPT. Die im Rahmen der Arbeit durchgeführte messtechnische Analyse der auf dem Prüfstand gefertigten Bauteile zeigt reproduzierbare Arbeitsgenauigkeiten im Bereich