Het nauwkeurig frezen moet steeds goedkoper en sneller. Maar wie sneller of juist dieper gaat frezen om zoveel mogelijk materiaal weg te halen in de kortste tijd, krijgt onverbiddelijk te maken met chatter (geratel, red.). De frees gaat trillen, ruïneert het bewerkte oppervlak en gaat soms kapot. De combinatie tussen accuraat en snel blijft lastig. Zeker in de bewerkingsindustrie waar de concurrentie moordend is. Een goed voorbeeld is de vliegtuigindustrie. Voor het vervaardigen van complexe spanten van een vliegtuigvleugel wordt meestal één blok aluminium gebruikt. Daarvan wordt met frezen 90 tot 95 procent weggehaald, tot de uiteindelijke vorm is bereikt. Het verwijderen van het metaal moet zo snel mogelijk gebeuren om geld te besparen. Ook de automobielindustrie en producenten van matrijzen kampen met zulke economische wetmatigheden.

Al ruim honderd jaar zoekt de bewerkingsindustrie naar oplossingen voor chatter. En het lijkt erop dat werktuigbouwkundige Niels van Dijk een stap in de goede richting heeft gezet. “Chatter is een dynamisch instabiliteitprobleem. Tot voor kort werd altijd gekozen voor de veilige optie; een bepaald toerental en diepte van de snede zodat het freesproces altijd stabiel blijft. Maar dat gaat ten koste van de productiviteit.”

Van Dijk zoekt daarom de grenzen op om zo optimaal mogelijk te kunnen frezen. Hij doet dat aan de hand van een zogeheten stabiliteitsdiagram. Die geeft de grens aan tussen een stabiele freesbewerking en een instabiele freesbewerking (zie illustratie). De lobachtige lijn wordt bepaald door het toerental en diepte van de snede. “Onder de lijn is het freesproces stabiel. Boven de lijn ontstaat chatter. Om een hoge productiviteit te kunnen bewerkstelligen, wil je werkpunten (toerental en snedediepte, red.) kiezen welke zover mogelijk in de hoek rechtsboven van het stabiliteitsdiagram liggen. Door het ontwikkelen van een actieve chatter regelstrategie is het mogelijk om het stabiliteitsdiagram aan te passen en zo voor een vooraf gedefinieerd gebied van werkpunten te kunnen garanderen dat geen chatter optreedt.”

Het voornaamste doel van de onderzoeker was het ontwikkelen van een actieve spindel die een operator meer flexibiliteit biedt. “Samen met TNO heb ik onderzocht of zoiets überhaupt mogelijk was. Kunnen we regelaars en algoritmes ontwikkelen die de dynamische eigenschappen van een freesmachine beïnvloeden? Tweede vraag is, hoe gaan we dat doen? We zijn uitgekomen bij de universiteit van Darmstadt, waar we experimenten hebben gedaan. In Duitsland staat een proefopstelling met een conventionele spindel die is aangepast met een actief magneetlager en sensoren om de dynamische eigenschappen van de hele machine te beïnvloeden.”

De experimenten in Darmstadt bleken een succes. Door de dynamische eigenschappen (zoals stijfheid of demping) van de spindel aan te passen, kan een machineoperator werkpunten kiezen die een hogere productiviteit representeren en welke zonder de actieve regelstrategie niet mogelijk waren. Het wordt hierdoor mogelijk om goedkoper te produceren. “Ons idee was dat bijvoorbeeld demping over het hele freesbereik veel te veel energie kost. Waarom zou je dat niet alleen toepassen in het segment waar het optimale werkgebied ligt? De magneetlager maakt een spindel niet alleen veel flexibeler, je kunt er ook mee meten. Als er ergens een verplaatsing optreedt, merk je dat aan de stroomverandering. Je zou met een dergelijke actuator zelfs het freesproces kunnen monitoren.Je kunt zien wanneer een lager kapot dreigt te gaan of een beitel is versleten. Omdat het een actief systeem is, kun je meer complexere zaken regelen dan met de huidige conventionele spindel.”

De actieve spindel bestaat nu slechts in een proefopstelling, maar zal in de toekomst ongetwijfeld zijn economische waarde bewijzen. Van Dijk: “Het zal even duren voordat fabrikanten dit oppikken. Maar als je eenmaal een actieve spindel hebt die zich laat meten met de commerciële spindels van nu, dan heb je een grote stap gemaakt. Kijkend naar de experimentele resultaten praat je over een kostenverbetering van 66 procent ten opzichte van het traditionele frezen. De volgende logische stap is om een spindel te ontwerpen waar je die vrijheid hebt. Er liggen nog veel vraagstukken open. Want hoe ontwerp je zo’n spindel? Waar zet je dat magneetlager neer? Voor het aanpassen van een freesmachine moet je ook de software aanpassen.”

Van Dijk betwijfelt of na honderd jaar zoeken naar oplossingen voor chatter, nu eindelijk het antwoord is gegeven met de actieve spindel. “Natuurlijk, je bent altijd op zoek naar de Heilige Graal. Je hoopt een bijdrage te kunnen leveren om tot die unieke oplossing te komen. Maar ik denk dat de unieke oplossing voorlopig nog niet bestaat. Ieder proces heeft zijn eigen specifieke problemen die telkens specifieke oplossingen vereisen. Maar de actieve spindel is zeker een stap in de goede richting om meer invloed uit te kunnen oefenen op het freesproces.” (FvO)

Ir. Niels van Dijk promoveerde 15 februari aan de faculteit Werktuigbouwkunde met zijn proefschrift: ‘Active chatter control in high-speed milling processes’.