En réponse à des contraintes écologiques et économiques de plus en plus forte dans l’industrie, la problématique de réduction et de maîtrise de la consommation énergétique est aujourd’hui prise en considération dans le domaine de la machine-outil. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet Green HSM porté par l’entreprise PCI-SCEMM ayant pour but de réduire la consommation énergétique d’une machine-outil de 30%. L’étude s’est focalisée sur le thème spécifique de l’allègement de structure. L’objectif est de concevoir des structures de machines-outils avec des masses mobiles les plus faibles possibles tout en gardant une rigidité fonctionnelle.Deux méthodes d’allègement de structures sont proposées dans le cadre de cette thèse. La première présente une méthode d’optimisation de structure de machines-outils par analyse de contraintes. Cette méthode a permis un allègement de deux pièces principales de la structure de 6,5% et 9% pour une réduction globale de la consommation énergétique de 3%.Une autre méthode pour concevoir une structure de machines-outils plus légère utilisant l’optimisation topologique est proposée. La méthode s’appuie sur deux paramètres spécifiques : l’espace de conception et DISCRETE. Cette méthode est présentée dans l’optimisation d’un cas simple de poutre encastrée soumise à un effort de flexion et donne de bons résultats. L’utilisation de la méthode sur le chariot X d’une machine-outil met en évidence les limitations de l’optimisation topologique dans le cas d’étude de structures complexes et l’influence du choix de la solution initiale. / In response to the increase of environmental and economic constraints in industry, the issue of reducing and controlling energy consumption is highlighted in machine tool context. This thesis is part of the Green HSM project carried out by the PCI-SCEMM company with the aim of reducing the energy consumption of a machine tool by 30%. The study focused on the specific topic of lightweight design. The objective is to design machine tool structures with the smallest mass while maintaining functional rigidity.Two methods of lightening structures are proposed in the framework of this thesis. The first one presents a method for optimizing the structure of machine tools by stress analysis. This method allows reducing the mass of two main parts of the structure of 6.5% and 9% for an overall reduction in energy consumption of 3%. Another method for designing a lighter machine structure using topological optimization is proposed. The method is based on two specific parameters: the space design and DISCRETE. This method is presented in the optimization of a simple case of embedded beam subjected to a bending effort and gives good results. The use of the method on the X-axis carriage of a machine tool highlights the limitations of topological optimization in the case of complex structure studies and the influence of the initial solution choice.

Die Forschungsarbeiten der 19 Teilprojektes des SFB/TR 96 verfolgen den Ansatz, spanende Werkzeugmaschinen zu Fertigungsqualität und Wirtschaftlichkeit unter den Bedingungen einer energieeffizienten Produktion durch konstruktive und steuerungstechnische Lösungen zu befähigen. Damit besteht das Ziel des SFB/TR 96 in der Lösung des Zielkonflikts von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität bei der spanenden Fertigung.

The purpose of this project was to develop and document curricular content for Computer Numerical Control education program for Mt. San Jacinto Community College. The design of the curriculum focuses on showing students how skills learned in academic classes can be applied to the workplace.

<div>Machine tools are an important piece of manufacturing equipment that are widely used throughout many industries. Machine tools shape and form raw materials into desired products through processes such as grinding, cutting, bending, and forming, and when they perform these operations, they consume large amounts of energy. Due to the significant energy consumption, machine tools have a large environmental footprint. Addressing the environmental footprint of machine tools through energy reduction is important to addressing manufacturing and industry’s footprint. One strategy with great potential to reduce machine tool energy consumption is lightweighting. Lightweighting is a design strategy that reduces the mass of moving components with a goal of reducing energy consumption. This strategy is effective since a greater mass requires more energy to move. Lightweighting has had great success in the transportation sector where lightweight materials and lightweight design strategies have been implemented. There has been some work to explore the potential benefits of lightweighting machine tools, however an in-depth study relating mass to energy consumption in machine tools along with exploring other potential concerns, i.e., impact on dynamics and cost, is required.</div><div>To explore the lightweighting of machine tools, a lightweighting application along with models are proposed to investigate the connection between mass and energy in machine tools and potential concerns associated with lightweighting, i.e., decreased dynamic performance and increased machine tool cost. First, a method to reduce the mass of a vertical milling machine tool table is proposed. This method will include the implementation of a sandwich panel for the table while optimizing the structure of the table to maximize its strength and minimize its mass. Following, to link mass to energy consumption, an energy model is proposed to quantify the energy required to drive the table throughout the use of the machine, including cutting and non-cutting moves. In addition to modeling energy, this model will explore the role of motor sizing in the energy consumption of the drive system. To address dynamic concerns resulting from lightweighting, a dynamic model is proposed. This model will provide insight into the dynamic performance of the table and explore the impact of lightweighting on machine tool performance. Finally, a cost model of machine tools is proposed to study the impact of lightweighting on cost. Machine tool cost drivers will be explored along with the role that design complexity has on purchase price.</div><div>This dissertation provided a proof of concept for a lightweighting application through the sandwich panel design of the slide table. The energy model built considering the lightweight table provided a link between the mass and energy consumption in the machine tool. It was shown that more than 30% of the drive system energy could be saved by lightweighting the table. A 30% savings is substantial, especially if applied to multiple systems throughout the machine tool. The static and dynamic models showed that designing lightweight components can be accomplished without sacrificing performance. Various design tools, e.g., finite element analysis, can be used to address static and dynamic concerns. The cost model showed how lightweighting will not increase the cost of the machine tool and therefore will not discourage machine builders from implementing lightweighting to reduce energy consumption.</div><div>The contributions of this research are summarized as follows:</div><div>1.A shape optimization method to design the sandwich panel table, accomplished through a genetic algorithm. This provides a lower-cost lightweighting application.</div><div>2.A mechanistic model linking mass to energy consumption. This provides insight into design considerations required to implement lightweighting</div><div>3.Static and dynamic models of the milling machine slide table. These provide understanding of how lightweighting affects the performance machine tools</div><div>4.A cost model of milling machines. This provides insight into how lightweighting affects the machine tool cost</div><div><br></div>

This work deals with the design of a new concept of construction of main parts of machine tools. It is based on the essence of the modular building system and the solution is to use of small elements that will make a whole group. The content of the thesis is focused on the creation of the procedure for the first prototype of the kit. Specific machine is then modeled from a solution.

This master’s thesis deals with online diagnostics of the machine tool and marginal analysis of surface texture. The first part of the thesis deals with problems theoretically, there are described the machine tools, maintenance, methods of technical diagnostics, specifically online vibrodiagnostic systems and an overview of profile and area parameters. In the practical part, two test samples created under ideal and degraded conditions. In the practical part, two signal processing processes under ideal and degraded conditions are compared using signal analysis from an online vibrodiagnostic system and surface texture analysis. Part of the work is the evaluation of the performed analyzes and recommendations for practice.

Modern production systems have to allow high performance cutting processes in a flexible production system environment at a high level of accuracy. The final workpiece accuracy is mainly influenced by the thermo-elastic behavior of the machine tool and can be improved by additional measures, compensation strategies and an optimized machine design. These measures are often implemented as stand-alone solutions. According to the Industry 4.0 all information should be connected in a single model of the actual machine state to increase machining accuracy. It is therefore necessary to integrate upcoming smart fluid power systems into the machine network.

Die Forschungsarbeiten der 19 Teilprojektes des SFB/TR 96 verfolgen den Ansatz, spanende Werkzeugmaschinen zu Fertigungsqualität und Wirtschaftlichkeit unter den Bedingungen einer energieeffizienten Produktion durch konstruktive und steuerungstechnische Lösungen zu befähigen. Damit besteht das Ziel des SFB/TR 96 in der Lösung des Zielkonflikts von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität bei der spanenden Fertigung.:Motivation und Überblick Christian Brecher (RWTH Aachen, Sprecher des SFB/TR 96) Erstellung und Abgleich eines strukturbasierten thermischen Modells der kugelgewindegetriebenen Vorschubachse eines Hexapoden Alexander Galant, Steffen Schroeder, Bernd Kauschinger (IWM TU Dresden) Michael Beitelschmidt (IFKM TU Dresden) Wärme im Zerspanungsprozess und ihre Wirkung im Werkzeug Matthias Putz, Gerhard Schmidt, Ulrich Semmler (IWU Chemnitz) Michael Bräunig (IWP TU Chemnitz) Fritz Klocke, Drazen Veselovac, Matthias Brockmann, Thorsten Augspurger, Patrick Mattfeld, Matthias Rasim, Christian Wrobel (Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren RWTH Aachen) Parameteridentifikation in thermo-elastischen Systemen Roland Herzog, Ilka Riedel (Professur für Numerische Mathematik (partielle Differentialgleichungen) TU Chemnitz) Bernd Kauschinger, Steffen Schroeder (IWM TU Dresden) Prognose von Verlustleistungen und Kontaktwärmeübergängen an Maschinenkomponenten Christian Brecher, Marcel Fey, Kolja Bakarinow, Stephan Neus (Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen RWTH Aachen) Reinhold Kneer, Yona Frekers (WSA RWTH Aachen) Berechnung von thermo-elastischen Deformationen in Werkzeugmaschinen – Vergleich numerischer Verfahren – Michael Beitelschmidt, Marian Partzsch (IFKM TU Dresden) Peter Benner, Norman Lang (MiIT TU Chemnitz) Andreas Naumann, Axel Voigt, Jörg Wensch (IWR TU Dresden) Analyse der Wärmeentstehung im Antrieb und Temperierung von Strukturen und Antrieben am Beispiel von Werkzeugmaschinen Stefan Winkler, Ralf Werner (EWA TU Chemnitz) Andre Bucht, Welf-Guntram Drossel (Fraunhofer IWU) Jürgen Weber, Juliane Weber (IFD TU Dresden) Immanuel Voigt (IWP TU Chemnitz) Experimenteller Vergleich kennfeld- und strukturmodellbasierter Korrektur Steffen Ihlenfeldt, Christian Naumann (Fraunhofer IWU) Xaver Thiem, Mirko Riedel, Bernd Kauschinger (IWM TU Dresden) Zeitabhängige Beschreibung volumetrischer thermo-elastischer Verlagerungen von Werkzeugmaschinen Christian Brecher, Marcel Fey, Matthias Wennemer (Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen RWTH Aachen) Messtechnisch basierte Ansätze zur Korrektur thermischer Verlagerungen Mirko Riedel, Jens Müller (IWM TU Dresden) Michel Klatte, Christian Wenzel (Fraunhofer IPT) Bewertung thermisch bedingter Verlagerungen mit Prüfwerkstücken Hajo Wiemer, Hubert Höfer (IWM TU Dresden)

Additive mechatronische Systeme (AMS) sind geeignet, die Funktionalität von Werkzeugmaschinen (WZM) zu verbessern. Die Vielfalt und Redundanz der entwickelten Lösungen erschwert jedoch die optimale Berücksichtigung von AMS im frühzeitigen Entwicklungsprozess von WZM. In der vorliegenden Arbeit wird eine Vorgehensweise aufgezeigt, den möglichen Lösungsraum schon frühzeitig einzugrenzen und damit zielführende Lösungen effektiv zu kanalisieren. Hierfür werden im ersten Schritt Funktionalitätsgrenzen von WZM bewertet. Danach erfolgt die Definition von AMS-Funktionsprinzipien und eines geeigneten Beschreibungsansatzes, um daraus allgemeine Eingriffsstrategien für AMS in WZM abzuleiten und vergleichend zu bewerten. Abschließend werden die Auswirkungen der vorgeschlagenen Vorgehensweise auf den Entwicklungsprozess von WZM diskutiert. Anhand dreier Anwendungsbeispiele werden die erarbeiteten Vorgehensweisen und Werkzeuge validiert und Grenzen aufgezeigt. / Additive mechatronic systems (AMS) are suitable for improving the functionality of machine tools. However, the variety and redundancy of the solutions developed make it difficult to optimally take AMS into account in the early development process of machine tools. In the present work a procedure is shown to limit the possible solution space and thus to identify effective solutions at an early stage. For this purpose, the functional limits of machine tools are assessed in the first step. This is followed by the definition of AMS functional principles and a suitable description approach in order to derive general intervention strategies for AMS in machine tools and to evaluate them comparatively. Finally, the effects of the proposed procedure on the development process of machine tools are discussed. Using three application examples, the developed procedures and tools are validated and limits are shown.

Lösungen für die thermo-energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen zur Verminderung von thermisch bedingten Maßabweichungen in der spanenden Bearbeitung.:FE-basierte, thermo-elastische online-Simulation einer gesamten WZM. Strategien, Konzepte und Workflow M. Beitelschmidt (IFKM TU Dresden), A. Galant, B. Kauschinger (IWM TU Dresden) Simulation gekoppelter Baugruppen: Parallele Zeitintegrationsverfahren und Modellordnungsreduktion N. Lang, P. Benner (MIIT TU Chemnitz), A. Naumann, J. Wensch (IWR TU Dresden) Modellgestützte Potentialanalyse eines dezentralen Fluidsystems L. Shabi, J. Weber, J. Weber (IFD TU Dresden) Thermische Werkzeugmodellierung M. Putz, C. Oppermann (Fraunhofer IWU), M. Bräunig (IWP, TU Chemnitz) Vollkompensierte Werkzeugmaschinen - Vision und Wirklichkeit K. Wegener (IWF, ETH Zürich), J. Mayr, S. Weikert (Inspire AG, Zürich) Analyse von Wärmetransportvorgängen an Maschinenkontakten unter Berücksichtigung fluider Zwischenmedien Y. Frekers, K. Niemietz, R. Kneer (WSA, RWTH Aachen) Kennfeldbasierte Berücksichtigung der Umgebungsrandbedingungen für die Simulation des thermischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen J. Glänzel, S. Ihlenfeldt, C. Naumann (Fraunhofer IWU) Analysen zur Wärmestromaufteilung im Zerspanprozess mit definierter und undefinierter Schneide F. Klocke, T. Augspurger, C. Wrobel, B. Döbbeler, P. (WZL, RWTH Aachen) Softwareunterstützung zur effizienten Parameterbestimmung für modulare Modelle B. Hensel, K. Kabitzsch (TIS, TU Dresden) Unsicherheiten bei der Beschreibung der reibungsbedingten Verlustleistungen von Lagern an Werkzeugmaschinen S. Schroeder, B. Kauschinger (IWM, TU Dresden) Optimale Sensorplatzierung zur Online-Zustands- und Parameter-Identifikation R. Herzog, I. Riedel (nm, TU Chemnitz) Experimentelle Analyse modellbasierter Korrekturverfahren für thermo-elastische Verformungen im Online-Einsatz an einer Demonstratormaschine C. Naumann, S. Ihlenfeldt (Fraunhofer IWU), R. Spierling, M. Wennemer, M. Fey, C. Brecher (WZL, RWTH Aachen), X. Thiem, M. Riedel, B. Kauschinger (IWM, TU Dresden) Funktionsprinzip der messtechnisch basierten Korrektur thermischer Verlagerungen am Versuchsträger MAX M. Riedel, J. Müller (IWM, TU Dresden), F. Tzanetos (Fraunhofer IPT) Thermische Modellierung von Lineardirektantrieben und aktive Steuerung der Wärmeströme unter Einsatz von Latentwärmespeichern I. Voigt, W.-G. Drossel (IWP, TU Chemnitz; S. Winkler, R. Werner (EWA TU Chemnitz), A. Bucht (Fraunhofer IWU) Methoden und Möglichkeiten von virtuellen Demonstratoren zur Gestaltung und Korrektur des thermoelastischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen H. Wiemer, H. Höfer, S. Ihlenfeldt, J. Müller, X. Thiem, S. Schroeder, A. Galant, B. Kauschinger (IWM, TU Dresden)