Entwicklung einer thermoelektrisch temperierten Motorspindel/Development of a thermoelectrically tempered motorised spindle – Integration of Peltier modules in a high-frequency motorised spindle to reduce thermally induced displacements based on direct temperature control

Bei der spanenden Bearbeitung mit Werkzeugmaschinen wird ein signifikanter Anteil der geometrischen Bauteilfehler durch eine thermisch bedingte veränderte Lagezuordnung zwischen Zerspanwerkzeug und Werkstück verursacht. Verantwortlich hierfür sind elektrische sowie mechanische Verlustleistungen, durch die signifikante Wärmeströme in die angrenzenden Komponenten induziert werden. Die Antriebe sowie die Lager von Motorspindeln stellen solche maßgebliche Wärmequellen dar und besitzen aufgrund der Nähe zur Zerspanstelle einen erheblichen Einfluss auf die erreichbare Arbeitsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen. Mit dem Ziel, die thermischen Verlagerungen von Motorspindeln zu reduzieren, entwickelt das Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) in Kooperation mit der Alfred Jäger GmbH ein thermoelektrisches Temperiersystem für Motorspindeln. Der Lösungsansatz sieht die Integration von prismatischen sowie tubularen Peltierelemente vor, die eine unmittelbare Temperaturregelung der genauigkeitsbestimmenden Motorspindelkomponenten ermöglichen. Die Realisierung eines geregelten Kühl- und Heizbetriebs bietet insbesondere bei wechselnden Lasten das Potenzial zur Einhaltung eines thermischen Beharrungszustandes und damit zur Reduktion thermisch bedingter Verlagerungen. Die Funktionsweise des thermoelektrischen Temperiersystems sowie die positiven Auswirkungen auf das thermische Systemverhalten werden anhand von experimentellen Daten eines Demonstrators verdeutlicht. Zudem präsentiert der Beitrag den aktuellen Entwicklungsstand einer thermoelektrisch temperierten Motorspindel sowie das Potenzial zur Reduktion thermisch bedingter Verlagerungen.   During machining of parts, a significant proportion of geometrical errors is caused by thermally induced shifts of the positional correlation between tool and workpiece. This is due to electrical and mechanical power losses, which induce significant heat flow rates into the adjacent machine tool components. The drives and bearings of motorised spindles represent such significant heat sources. Due to their position close to the cutting point, motorised spindles have a considerable influence on the achievable working accuracy of machine tools. In order to reduce the thermal displacements of motorised spindles, the Institute for Machine Tools and Factory Management (IWF) and the Alfred Jäger GmbH develop a thermoelectric temperature control system for motorised spindles. The solution approach is based on prismatic as well as tubular Peltier modules, which allow a direct temperature control of the precision related components. Especially, in case of changing induced heat flow rates, the system offers the Potenzial to maintain a thermal steady state by controlled cooling or heating and thus, a reduction of thermally induced displacements. On basis of experimentally determined data of a scaled-down test bench, the functionality of the thermoelectric temperature control system as well as the positive effects on the thermal system behaviour could be demonstrated. In addition, the current state of development of the thermoelectrically tempered motorised spindle is presented and the Potenzial to reduce thermally induced displacements is pointed out.

Performansi Pendingin Termoelektrik Alat Transportasi Ikan Segar pada Berbagai Tegangan (Thermoelectric Performance of Refrigerated Fish Container at Various Voltages)

Thermoelectric performance test of refrigerated fish container at various voltages was conducted. Performance test aims to determine temperature of heat pipe, heat sink, room container and electric current requirements of thermoelectric refriferator at various voltages. Thermoelectric refrigerator composed of two pieces peltier elements, aluminiums bracket, fan, heat sink and heat pipe. Thermoelectric refrigerator was placed at the top of fish container. Various voltages used were 8 V, 10 V, and 12 V. Parameters measured were the amount of electric current through the thermoelectric, temperature of heat sink, heat pipe and room container. Room container temperature could be reached on 12, 10 and 8 V were 14, 16 and 17 °C respectively. Heat sink temperature on 12 V was -0.1 °C and temperature on 8 and 10 V were 3-4°C. Heat pipe temperature on 12 and 10 V reached 30-31 °C, while temperature on 8 V was 27 °C. The electric current requirements on 12, 10 and 8 V were 6.3, 4.8 and 3.8 A with energy requirements of refrigerated fish container were 75, 48 and 30 watt respectively. The cooling capacity of peltier module on 12 V was 12.5 W, while the cooling capacity on 10 and 8 V were 10.5 W respectively.ABSTRAKUji performansi pendingin termolektrik alat transportasi ikan segar pada berbagai tegangan telah dilakukan. Uji performansi dilakukan untuk mengetahui suhu heat pipe, heat sink serta ruang peti insulasi serta kebutuhan listrik sistem pendingin pada berbagai tegangan. Sistem pendingin termoelektrik tersusun dari dua buah elemen peltier, bracket alumunium, fan, heat sink dan heat pipe. Pendingin termoelektrik dipasang di bagian atas peti insulasi. Uji performansi dilakukan pada tegangan 8, 10 dan 12 V. Parameter yang diukur adalah jumlah arus listrik yang melalui sistem pengingin, suhu heat sink, heat pipe dan suhu ruang peti insulasi. Suhu ruang peti insulasi yang dicapai pada tegangan 12, 10 dan 8 V berturut-turut sebesar 14, 16 dan 17 °C. Suhu heat sink yang dicapai pada tegangan 12 V sebesar -0,1 °C, sedangkan pada tegangan 8 dan 10 V tidak jauh berbeda yaitu antara 3-4 °C. Suhu heat pipe yang dicapai pada tegangan 12 dan 10 V tidak jauh berbeda yaitu sekitar 30-31 °C, sedangkan pada 8 V sebesar 27 °C. Kebutuhan arus listrik sistem pendingin pada tegangan 12, 10 dan 8 V sebesar 6,3; 4,8 dan 3,8 A dengan kebutuhan energi berturut-turut 75, 48 dan 30 Watt. Nilai cooling capacity elemen peltier pada tegangan 12 V sebesar 12,5 W, sedangkan pada tegangan 10 dan 8 V sebesar 10,5 W.