BENCHWERK

Informationsplattform Hochleistungsfertigungsverfahren

für Produkte von morgen

www.benchwerk.de

Hochleistungsfertigungs-verfahren für Produkte von morgenErgebnisse von 14 Verbundprojekten

Inhalt

4–5 Impressum/Vorwort

6–7 Über die Informationsplattform

8–9 ETurbo · Funkenerosive und elektrochemische Hochleistungsendbearbeitung von feingegossenen und generativ hergestellten Turbolader-Turbinenrädern aus Gamma-Titanaluminid für den Automobilbau

10–11 GeWinDe · Effizientes Gewinde-Wirbeln durch synchrones Drehen

12–13 HiPer-LS · Ressourceneffizientes und reproduzierbares Hochleistungs-Laser-Sintern zur Herstellung von Kunststoffbauteilen

14–15 HLProKet · Entwicklung einer Hochleistungsprozesskette für die Großserienfertigung

16–17 HoFePro · Hochleistungsverfahren zur Herstellung von Profilnuten

18–19 HydroMill · Entwicklung der 5-Achs-Abrasivstrahl-Schruppbearbeitung zur effizienten Bearbeitung von Hochleistungswerkstoffen

20–21 IPROM · Innovative Prozesskette zur Massivteilfertigung aus einem neuartigen Leichtbaustahl

22–23 KombiFin · Kombinierte Finishtechnologien für Produkte von morgen

24–25 MultiForm · Entwicklung eines Hochleistungsfertigungsverfahrens zur simultanen Umformung von faserver-stärkten Kunststoffen mit Metallblechen für leichte und zuverlässige Bauteile in Karosserie und Fahrwerk

26–27 PROGEN · Hochproduktive generative Produktherstellung durch laserbasiertes hybrides Fertigungskonzept

28–29 SchwerSpan · Hochleistungsfräsen schwer zerspanbarer Werkstoffe

30–31 SmartStream · Intelligente Bearbeitung durch die Verwendung schaltbarer Fluide

32–33 UltraCaulk · Ultraschallunterstütztes Umformen und Verstemmen

34–35 ULTRASPAN · Hochleistungsbearbeitung von schwer spanbaren Werkstoffen durch hybride ultraschallunter-stützte Zerspanung

Innovative Fertigungstechnologien für neue Produkte

Die globale Wettbewerbssituation stellt deutsche Unternehmen vor immer größere Herausforderungen. Der internationa-

le Markt verlangt nach Produkten, die sowohl kostengünstig und effizient als auch umweltverträglich hergestellt werden.

Innovative Fertigungstechnologien sind dafür eine wesentliche Voraussetzung. Um aber auch zukünftig wirtschaftlich und

wettbewerbsfähig zu produzieren, müssen diese Fertigungstechnologien in ihrer Leistungsfähigkeit stetig gesteigert und

für eine effiziente Produktion weiterentwickelt und optimiert werden.

Der Einsatz von Hochleistungsfertigungsverfahren stärkt die Produktionskompetenz am Wirtschaftstandort Deutschland.

Um die Entwicklung neuer Produktionstechnologien zu unterstützen, hat das Bundesministerium für Bildung und For-

schung (BMBF) mit seiner Bekanntmachung „Hochleistungsfertigungsverfahren für die Produkte von morgen – Technolo-

gieinnovationen auf dem Weg zur intelligenten Fertigung“ vom 28. Februar 2013 einen Ideenwettbewerb initiiert. Gefragt

waren innovative Lösungen und Konzepte, die sich hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit deutlich vom Stand der Technik

abheben. Es wurden insgesamt 14 Verbundprojekte zur Förderung ausgewählt. Der Startschuss für die Projekte, in denen

mehr als 100 Forscher aus Industrie und Wissenschaft zusammengearbeitet haben, fiel am 1. August 2014. Technologi-

sche Weiterentwicklungen in den Bereichen trennender, umformender und generativer Fertigungsverfahren bildeten die

Forschungsschwerpunkte.

Nach mehr als drei Jahren Forschungsarbeit liegen die Ergebnisse nun vor und werden in dieser Broschüre in einem kurzen

und kompakten Überblick präsentiert. Die dargestellten Beispiele für kooperativ entwickelte Fertigungstechnologien

zeigen Lösungen für die Zukunft des Produktionsstandortes Deutschland auf. Wegweisende Ergebnisse wurden insbeson-

dere für Anwendungen im Maschinen- und Werkzeugbau, im Bereich des Automobilbaus und für die Luftfahrzeugtechnik

erzielt. Für Fragen und weitere Informationen sowie einen weiteren Einblick in alle Projektergebnisse stehen Ihnen die

aufgeführten Ansprechpartner gern zur Verfügung.

Impressum

Die in dieser Broschüre aufgeführten Verbundprojekte wurden mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Programms „Forschung für die Produktion von morgen“ im Förderschwerpunkt „Hochleistungsfertigungsverfahren für die Produkte von morgen – Technologieinnovationen auf dem Weg zur intelligenten Fertigung“ gefördert und vom Projekt-träger Karlsruhe betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor (Verbundprojektkoordinatoren und rubicondo).

Weitere Informationen zu den Verbundprojekten erhalten Sie unter: www.benchwerk.de

KontaktadresseProjektträger KarlsruheKarlsruher Institut für Technologie (KIT)Standort DresdenHallwachsstraße 301069 Dresden

Ansprechpartnerin für den Förderschwerpunkt:Ulrike Kirsten

Redaktion und Gestaltungrubicondo – Agentur für Kommunikation und ProjektmanagementDr. Claudia WeiseRossertblick 1865817 Eppstein BildnachweisFotolia, Verbundprojekte und Benchwerk

Oktober 2017

4 5

Über die InformationsplattformDie Informationsplattform Benchwerk informiert über die

vom BMBF geförderten Forschungsvorhaben. In den

14 Verbundprojekten arbeiten 84 Unternehmen und 17 For-

schungseinrichtungen zusammen. Das Benchwerk verfolgt

das Ziel, Interesse für die vielfältigen Forschungsarbeiten zu

wecken und einen leichten Zugang zu Informationen und

Ansprechpartnern aus den Projekten zu ermöglichen. Auf

diese Weise trägt die Plattform dazu bei, den Weg von der

Forschung in die industrielle Anwendung zu bereiten.

Die Internetpräsenz dient als Drehscheibe für Informationen

rund um die Forschungsprojekte. Aktuelle Forschungsergeb-

nisse, Pressemeldungen sowie Veranstaltungshinweise und

-berichte sorgen für ein abwechslungsreiches Informations-

angebot. Unter dem Dach vom Benchwerk ist zudem eine

neue Veranstaltungsreihe enstanden – die Tagung „Prozess-

kette im Automobilbau“. Nach zwei erfolgreichen PiA-Tagun-

gen – im Mai 2016 und im Juli 2017 – soll diese Veranstal-

tung auch über die Laufzeit der Projekte hinaus im jährlichen

Rhythmus stattfinden. In den beiden PiA-Veranstaltungen

haben verschiedene Benchwerk-Projekte über ihre Ergebnis-

se berichtet. Dabei standen fertigungsrelevante Themen der

Automobilindustrie im Fokus. Diese Branche stellt einen der

wichtigsten Anwender der Benchwerk-Ergebnisse dar.

Um Interessenten einen schnellen Einstieg in die vielfältigen

Projektthemen zu ermöglichen, sind für jedes Vorhaben die

weiterentwickelten Fertigungsverfahren, die eingesetzten

Materialien sowie die potenziellen Anwender ausgewiesen.

Die Einteilung sieht folgendermaßen aus:

1. nach Fertigungsverfahren:

• Additive Verfahren

• Hybride Verfahren: Trennen + Additiv sowie Umformen +

Additiv

• Trennen/Abtragen

• Umformen

2. nach Werkstoffen

• Aluminium

• CFK (carbonfaserverstärkter Kunststoff)

• Keramik

• Kunststoffe

• Leichtbaustahl

• Metalle

• Nickel

• Stahl

• Titan

3. nach Anwendern des Verfahrens

• Automobilbau

• Energie

• Luftfahrt

• Maschinenbau

• Medizintechnik

• Werkzeugbau

Kontakt

Ulrike Kirsten

Projektträger Karlsruhe (PTKA)

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Standort Dresden

Hallwachsstraße 3

01069 Dresden

Telefon: 0351 463-31411

E-Mail: ulrike.kirsten@kit.edu

Obwohl die 14 Verbundprojekte in den verschiedensten

Bereichen der Fertigungstechnik geforscht haben, sind

einige grundsätzliche Innovationsansätze ähnlich. So spielt

beispielsweise die Prozessintegration eine wichtige Rolle.

Herkömmliche Verfahren werden durch neue, kürzere Pro-

zesse ersetzt. Dazu sind zum einen Weiterentwicklungen

und Kombinationen etablierter Verfahren und zum ande-

ren innovative Prozesskettenregelungen erforderlich. Diese

Regelkonzepte verknüpfen das Verfahrens-Know-how mit

einer intelligenten Analyse von Betriebsdaten und leisten

auf diese Weise auch einen wichtigen Beitrag zur autono-

men Serienfertigung im Sinne von Industrie 4.0.

Zudem spielte der Einsatz von Ultraschall zur Unterstüt-

zung von etablierten Fertigungsverfahren eine wichtige

Rolle. Neue Verfahren zur Bearbeitung von anspruchsvollen

Werkstoffen, wie z.B. Titan- und Nickellegierungen, die

Entwicklung hybrider Verfahren – Integration von additi-

ven Fertigungsverfahren in etablierte Produktionsprozesse

– oder Ansätze für die Umsetzung von Leichtbaukonzepten

bildeten weitere Schwerpunkte.

Weiterführende Informationen sind auf

www.benchwerk.de zu finden.

6 7

Motivation

Durch den Einsatz von Abgas-Turboladern verbrauchen

Verbrennungsmotoren weniger Kraftstoff und produzieren

weniger Abgase. Damit Turbolader-Turbinenräder zukünftig

noch leistungsfähiger sind, sollten sie höheren Temperaturen

standhalten können und noch leichter sein. Intermetallisches

Gamma-Titanaluminid ist hierfür der ideale Werkstoff. Bislang

fehlen aber Fertigungsverfahren, die eine wirtschaftliche

Endbearbeitung von TiAl-Turbolader-Turbinenrädern zulassen.

Die Herausforderungen ergeben sich vor allem aus der schwer

zugänglichen, filigranen Strömungsgeometrie sowie aus den

speziellen Materialeigenschaften.

Innovation

Funkenerosive und elektrochemische Fertigungsverfahren,

die keine mechanische Energieeinkopplung, sondern direkt

elektrische Energie in der Prozesszone für einen Material-

abtrag am Bauteil nutzen, sind nahezu prozesskraftfrei

und können metallische Werkstoffe unabhängig von ihrer

Härte gut bearbeiten. Dies sind, bezogen auf den Anwen-

dungsfall Titanaluminid-Turbinenräder, klare Vorteile ge-

genüber den etablierten spanenden Fertigungsverfahren.

Das Projektziel bestand daher darin, funkenerosive und

elektrochemische Hochleistungsfertigungsverfahren zu

entwickeln, die sich durch eine gesteigerte Leistungsfähig-

keit und eine werkstoffspezifisch optimierte Verfahrens-

technologie auszeichnen. Im Fokus der Entwicklungsarbei-

ten standen dabei 3-D-Senkverfahren für die abtragende

Endbearbeitung der Flügelgeometrie sowie drahtbasierte

Verfahren für die abtragende Außenkonturbearbeitung der

Turbinenräder.

Bei der Herstellung von endkonturnahen Bauteilrohlin-

gen aus Titanaluminid sollten die beiden urformenden

Fertigungsverfahren Feingießen und additive Fertigung

zum Einsatz kommen, um den Bearbeitungsaufwand für

die nachfolgenden abtragenden Fertigungsverfahren auf

ein Minimum zu reduzieren. Diese prozesskettengerechte

Abstimmung von Rohteilfertigung und Endbearbeitung

ebnet den Weg für eine wirtschaftliche Fertigung von Pkw-

Turboladern mit leistungsstarken und energieeffizienten

Turbinenrädern aus Gamma-Titanaluminid.

Kontakt

Dr. Marcus Hlavac

Robert Bosch GmbH

Robert-Bosch-Campus 1

71272 Renningen

Telefon: 0711 811-33689

E-Mail:

marcus.hlavac@de.bosch.com

Funkengarde

ETurbo – Funkenerosive und elektrochemische Hochleistungsend-bearbeitung von feingegossenen und generativ hergestellten Turbola- der-Turbinenrädern aus Gamma-Titanaluminid für den Automobilbau

Verfahren

Anwender

Werkstoffe

Werkzeugbau

Titan

Ti

Trennen

Automobil Energie Luftfahrt

Ergebnisse

Umfangreiche Bearbeitungsversuche gaben Aufschluss

über den Einfluss und die Wechselwirkung von Prozess-

parametern bei der elektrisch-abtragenden Bearbeitung

von Titanaluminid. Die hohe Geometriekomplexität der

Turbinenradflügel stellte eine große Herausforderung für das

Werkzeugdesign dar. Mithilfe von Simulationstechnik gelang

es, diese Komplexität gut zu beherrschen und die Entwick-

lungszeit für die benötigten Werkzeugelektroden deutlich

zu reduzieren.

Neues Verfahren punktet mit minimalen Prozesszeiten

Die prototypische Fertigung der Turbolader-Turbinenräder

aus Titanaluminid in der angestrebten Endqualität verlief

erfolgreich. Die erzielten Oberflächenqualitäten und Formab-

weichungen im Bereich weniger Mikrometer unterstreichen

dabei die besonderen Fähigkeiten der elektrochemischen

und funkenerosiven 3-D-Senkbearbeitung. Die Minimierung

der Prozesszeiten vom Stundenbereich in den Minutenbe-

reich macht die entwickelten Verfahren für diesen Anwen-

dungsfall unschlagbar.

Einen wichtigen Beitrag dazu leisten zwei neu entwickelte

Bearbeitungstechnologien auf dem Gebiet der drahtbasier-

ten Verfahren. Die erste Neuentwicklung ist die Multi-Cut-

Technologie. Sie ist eine Weiterentwicklung des bekannten

Drahterosionsverfahrens durch eine Modifikation der Draht-

kontaktierung und des Entladungsgenerators. Mit ihr lassen

sich bis zu drei Werkstücke mit einem Bearbeitungsdraht

parallel erodieren, sodass sich die Prozesszeit pro Bauteil

wesentlich verkürzt. Die zweite Neuentwicklung besteht in

einem elektrochemischen Drahtverfahren, das eine pro-

zesskraftfreie und thermisch unbeeinflusste Schnitt- und

Konturbearbeitung von Werkstücken ermöglicht. Zudem ist

eine Parallelisierung des Prozesses mithilfe dieses elektro-

chemischen Verfahrensprinzips prinzipiell machbar. Auch sie

hätte eine zeitgleiche Bearbeitung mehrerer Werkstücke und

damit eine signifikante Prozesszeitreduzierung zur Folge.

Fehlerfreie Turbinenradflügel mit einer Stärke von unter

einem Millimeter

Die Technologiegrenzen des Feingießens von Gamma-Titan-

aluminid-Werkstoffen konnten ebenfalls deutlich erweitert

werden. So gelang erstmals die fehlerfreie Herstellung von

Turbinenradflügeln mit einer Stärke von deutlich unter

einem Millimeter. Dies bedeutet, dass für die Nachbearbei-

tung nur geringste Aufmaße verbleiben. Im Hinblick auf eine

große Produktvarianz bietet die additive Fertigungstechnik

die höchste Flexibilität. Die durchgeführte Prozessentwick-

lung mit dem Fokus auf der Verarbeitung von Pulverwerk-

stoffen erlaubt nun auch eine wirtschaftliche Herstellung

von Kleinserien mit dieser Technologie.

Zusammenfassend stellt jedes der entwickelten Hoch-

leistungsbearbeitungsverfahren für sich eine Steigerung

der Produktivität dar. Im Zusammenspiel innerhalb einer

Prozesskette entfalten sie jedoch ihr volles Potenzial – eine

Innovation, von der Unternehmen der Automobilindustrie

ebenso wie der Energietechnik, der Luftfahrt und des Werk-

zeugbaus profitieren können.

Projektpartner

- ACCESS e.V.

- EMAG ECM GmbH

- OPS-INGERSOLL Funkenerosion GmbH

- Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule

Aachen – Fakultät für Maschinenwesen

– Werkzeugmaschinenlabor (WZL) – Lehrstuhl für

- Robert Bosch GmbH

- VWH Vorrichtungs- und Werkzeugbau

Herschbach GmbH

8 9

Wirbelwind

Motivation

Beim konventionellen Wirbeln kommt ein Werkzeug mit innen-

liegenden Schneiden zum Einsatz, das sich mit hoher Drehzahl

um die langsam rotierende Schraube dreht. Der Gewindegang

wird durch die innenliegenden Schneiden hergestellt. Der Wir-

belkopf muss dabei das gesamte Material zwischen dem Rohma-

terialdurchmesser und dem Kerndurchmesser des Gewindes

entfernen. Dadurch unterliegen die Schneiden einem sehr hohen

Verschleiß. Ein weiterer Nachteil ist die sehr geringe Drehzahl der

Schraube, da keine parallelen Bearbeitungsoperationen möglich

sind. Drehoperationen wie die Bearbeitung des Schraubenkopfs

müssen der Gewindeherstellung nachgelagert erfolgen.

Innovation

Im Verbundprojekt GeWinDe wurde das neue, synchrone

Dreh-Wirbel-Verfahren entwickelt. Die Innovation besteht in

der signifikanten Erhöhung der Drehzahl des Werkstücks. Im

Gegensatz zum herkömmlichen Wirbeln werden die Werk-

stück- und Werkzeugdrehzahl entsprechend dem Verhältnis

von Gewindegängen und Schneidenanzahl synchronisiert.

Das Werkstück rotiert zwischen zwei Schneideneingriffen mit

einer ganzzahligen Anzahl an Umdrehungen um die eigene

Achse. Das führt zu einer Erhöhung der Werkstückgeschwin-

digkeit, sodass eine parallele Drehbearbeitung möglich ist.

Durch diese parallele Bearbeitung wird das Material zwischen

Rohteildurchmesser und Außendurchmesser des Gewindes

entfernt. Das Wirbelwerkzeug schneidet somit nur noch die

Gewindegänge. Auf diese Weise lassen sich das Spanungsvo-

lumen, die Prozesskräfte und damit der Schneidenverschleiß

am Wirbelkopf deutlich verringern. Zudem umschlingt die

Werkzeugbahn das Werkstück noch enger, der Werkzeugein-

griff wird länger und die Spanungsdicke sinkt. Und während

sich das Spanungsvolumen verringert, steigen die Vorschub-

geschwindigkeiten und die Produktivität. Zusammenfassend

ergeben sich folgende Innovationen durch das Dreh-Wirbeln:

• Parallelisierung von Drehen und Wirbeln

• Reduzierung des vom Wirbelkopf zu entfernenden

Materialvolumens

• Reduzierung von Werkzeugverschleiß am Wirbelkopf

• Produktivitätssteigerung durch Vorschuberhöhung

• geringere kinematische Rauheit durch vergrößerten

Umschlingungswinkel der Schneiden zum Werkstück

Kontakt

Dr. Volker Sellmeier

Index-Werke GmbH & Co. KG

Hahn & Tessky

Plochinger Straße 92

73730 Esslingen

Telefon: 0711 3191-713

E-Mail:

volker.sellmeier@index-werke.de

GeWinDe – Effizientes Gewinde-Wirbeln durch synchrones Drehen

Verfahren

Trennen

Anwender

Maschinenbau WerkzeugbauMedizintechnik

Werkstoffe

Stahl

FeTitan

Ti

Ergebnisse

Das neu entwickelte Dreh-Wirbel-Verfahren weist aufgrund

seiner Effizienz und Robustheit deutliche Vorteile gegenüber

dem konventionellen Wirbeln auf.

Anwendungsbeispiel Medizintechnik:

Herstellung von Knochenschrauben

Zur Implementierung des Dreh-Wirbelns in bestehende Fer-

tigungsanlagen von Knochenschraubenherstellern wurde

ein Programm entwickelt, das die Auslegung der Schrauben-

geometrie und der Prozessparameter ermöglicht.

Eine generelle Voraussetzung für das Wirbeln ist, dass die

resultierende Schnittgeschwindigkeit aus Werkstück- und

Werkzeugbewegungen in Richtung des Gewindeganges

zeigt. Dies ist beim konventionellen Wirbeln der Fall, da der

Anstellwinkel dem Steigungswinkel des Gewindes entspricht.

Beim Dreh-Wirbeln ist die Drehgeschwindigkeit der Schraube

stark erhöht, was die resultierende Schnittgeschwindigkeit

beeinflusst. Daher ist beim GeWinDe-Verfahren eine entspre-

chende Anpassung des Anstellwinkels des Wirbelkopfs erfor-

derlich. Aufgrund dieser neuen Prozesskinematik ergibt sich

eine veränderte Eingriffssituation der Schneiden am Bauteil.

Die überlagerten Rotationen von Werkstück und Werkzeug

beim synchronen Dreh-Wirbeln führen im Vergleich zum

konventionellen Wirbeln zu einer größeren Umschlingung

des Werkstücks. Daraus ergibt sich im Vergleich zum konven-

tionellen Wirbeln ein verlängerter Eingriffsweg der Schnei-

den. Die kinematische Rauheit und die durchschnittliche und

maximale Spanungsdicke sinken signifikant.

Diese Ergebnisse sind mit einer für das Projekt entwickelten

Abtragsimulation abgebildet, die es auch ermöglicht, die

entstehenden Schnittbedingungen zwischen Werkstück und

Werkzeug zeitlich und räumlich zu untersuchen, beispiels-

weise zur Bestimmung der Variation der Spanungsdicke und

der tatsächlichen Span- und Freiwinkel während der Bear-

beitung. Mit diesen Erkenntnissen können weitere Prozess-

optimierungen erfolgen, um möglichst konstante Zerspa-

nungsbedingungen über den gesamten Werkzeugeingriff zu

gewährleisten.

Kürzere Fertigungszeiten und längere Werkzeuglebensdauer

Mit der Implementierung des Prozesses auf einen Lang-

drehautomaten konnten die in den Simulationen ermittel-

ten Erkenntnisse experimentell validiert werden. In diesen

Untersuchungen konnte mit dem Dreh-Wirbeln eine deut-

liche Leistungssteigerung bei der Herstellung von Knochen-

schrauben aus dem schwer zerspanbaren Material Titan

(Ti6Al4V) erzielt werden. Die Vorschübe, die beim synchronen

Dreh-Wirbeln erreicht werden können, sind deutlich größer

als beim konventionellen Wirbeln. Dies ist möglich, ohne die

Schneiden stärker zu belasten oder die kinematische Rauheit

zu erhöhen. Durch die gleichzeitige Drehbearbeitung konn-

te zudem die Prozesszeit weiter verkürzt werden. Daraus

resultieren kürzere Fertigungszeiten bei gleichbleibender

Oberflächenqualität des Werkstücks sowie eine längere

Werkzeuglebensdauer. Das Dreh-Wirbeln bietet daher für die

Herstellung von gewindeartigen Bauteilen deutliche Vorteile,

die sich insgesamt in einer Reduzierung der Fertigungszeiten

und somit auch der Kosten widerspiegeln.

Projektpartner

- Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH

- Index-Werke GmbH & Co. KG Hahn & Tessky

- Karlsruher Institut für Technologie (KIT) – Institut

für Produktionstechnik (wbk)

- Smith & Nephew Orthopaedics GmbH

10 11

Maschinenbau Automobil

Anwender

Werkzeugbau

Werkstoffe

Kunststoffe

Verfahren

Medizintechnik Luftfahrt

AdditiveFertigung

Kraftpaket

Motivation

Das Laser-Sintern (LS) ist ein pulverbasiertes additives Ferti-

gungsverfahren, um industrietaugliche Kunststoffteile ohne

Formwerkzeug zu produzieren. Das Verfahren hat sich ins-

besondere zur Herstellung von Prototypen und Kleinserien

etabliert. Für eine weitere Verbreitung der Technologie sind

eine höhere Produktivität durch höhere Aufbauraten sowie

eine verbesserte Reproduzierbarkeit der Bauteileigenschaften

unabdingbar. Das Ziel von HiPer-LS besteht darin, neue techno-

logische Lösungen zu erarbeiten, um die Produktivität und die

Reproduzierbarkeit des LS zu steigern und das Verfahren damit

für die industrielle Serienfertigung zugänglich zu machen.

Innovation

Bislang kommen beim LS von Kunststoffen CO2-Laser mit einer

maximalen Laserleistung von ca. 70 Watt zum Einsatz. Die

Nutzung von CO2-Lasern mit höherer Leistung verspricht eine

Beschleunigung des Prozesses. Allerdings ist die Ablenkge-

schwindigkeit der Laserscanner begrenzt und die Energiedich-

te im Fokus des Lasers wäre zu hoch. Daher wurde bei HiPer-LS

die Laserleistung durch eine Aufweitung des Laserstrahls in

das Pulverbett erhöht. Auf diese Weise ist es möglich, im Kern-

bereich große Flächen signifikant schneller aufzuschmelzen.

Um dennoch eine hohe Detailauflösung und Oberflächengüte

der Bauteilkontur zu gewährleisten, wurde diese weiterhin mit

einem kleinen Strahldurchmesser belichtet. Ein 3-D-Fokussier-

system ermöglicht eine dynamische und nahezu stufenlose

Variation des Strahldurchmessers.

Wesentliche Innovationen sind die homogenisierte Energie-

einbringung durch neuartige Intensitätsverteilungen des

Laserfokus sowie die auf Thermografie basierenden Regel-

kreise. Mithilfe eines akusto-optischen Modulators (AOM)

lassen sich zudem materialschädigende Leistungsspitzen

vermeiden. Eine Korrektur der ungewollten Temperaturgradi-

enten innerhalb der Bauteile erfolgt durch die Variation von

Lasergeschwindigkeit und -leistung. Diese optimierte Energie-

einbringung geschieht während der Schichtgenerierung und

ist somit die erste Online-Prozesskontrolle, die jedes Bauteil in

Echtzeit prüft.

Kontakt

Stephan Tenbrink

EOS GmbH Electro Optical Systems

Robert-Stirling-Ring 1

82152 Krailling

Telefon: 089 89336-2613

E-Mail: stephan.tenbrink@eos.info

HiPer-LS – Ressourceneffizientes und reproduzierbares Hochleis-tungs-Laser-Sintern zur Herstellung von Kunststoffbauteilen

Ergebnisse

Es steht ein Optiksystem zur dynamischen und variablen

Anpassung des Strahldurchmessers und der Strahlform zur

Verfügung. Bei Laserleistungen von bis zu 400 Watt (statt der

üblichen 30 bis 70 Watt) wird ein variabler Gauß-Strahldurch-

messer von 0,4 bis 2,5 Millimetern realisiert. Aufgrund der

Trägheit der Gasentladung des längsgeströmten CO2-Lasers

ist die Pulsfrequenz auf ca. 1 Kilohertz limitiert. Um diese

Limitierung aufzuheben, wurde ein AOM in das System inte-

griert. Der AOM ermöglicht kurze Anstiegszeiten von

ca. 10 Mikrosekunden ohne materialschädigende Leistungs-

spitzen. Dies entspricht einer möglichen Pulsfrequenz von

100 Kilohertz. Aufgrund thermischer Linseneffekte, die bei

großen Laserleistungen im Germanium-Kristall des AOM

auftreten, ist die maximal nutzbare Laserleistung mit AOM

auf ca. 130 Watt begrenzt. Neben dem variablen Gauß-Strahl-

profil kann das System auch mit einer linienförmigen Intensi-

tätsverteilung (Abmessung ca. 0,5 Millimeter x 5 Millimeter)

betrieben werden.

Prozesstechnische Ergebnisse zum Versuchsstand

Der neu entwickelte Versuchsstand bietet im Vergleich zum

Stand der Technik viele innovative Ansätze zur Steigerung

von Produktivität, Reproduzierbarkeit und Qualität. Diese

große Flexibilität wird erreicht durch zehn Heizstrahler in

der Baukammer, über 20 Heizkörper und prozessoptimierte

mechanische Baugruppen. Bauteile nahezu beliebiger Kom-

plexität können so sukzessive Schicht für Schicht generiert

werden. Dieser additive Aufbau ist durch das Auftragen vieler

einzelner Pulverschichten gekennzeichnet. Da die Parameter

des Pulverauftrags bislang streng limitiert waren, wurde eine

Walze entwickelt, deren gegenläufige Rotationsgeschwindig-

keit frei einstellbar ist. Dadurch war es möglich, sowohl die

Packungsdichte zu erhöhen als auch die Verarbeitbarkeit von

neuartigen Werkstoffen nachzuweisen.

Eine aktive Beheizung der Walze und eine Wechselvorrich-

tung für alternative Auftragsmechanismen runden das

Konzept ab. Zudem erlauben die optimierten Nebenzeiten

eine Produktivitätssteigerung von bis zu 300 Prozent im Ver-

gleich zu konventionellen Anlagen. Kombiniert mit den neuen

Scanstrategien, die durch das neue Optikkonzept und den

variablen Fokusdurchmesser erreicht werden, sind Produktivi-

tätssteigerungen von mindestens 500 Prozent möglich. Dabei

spielen Synergieeffekte der Produktivität, Ressourceneffizienz

und Reproduzierbarkeit der Bauteile ebenfalls eine wichtige

Rolle.

Zudem wird die Reproduzierbarkeit dadurch verbessert, dass

sich die Echtzeitüberwachung auf Thermografie stützt. Indem

Thermogramme ausgewertet werden, lässt sich der Energie-

eintrag regulieren, sodass Ausschussbauteile sowie lageab-

hängige Prozesseinflüsse vermieden werden. Im Rahmen von

Tests an unterschiedlichen Produktionsstandorten konnte

die Reproduzierbarkeit verschiedener Bauteileigenschaften,

wie z.B. Mechanik, Oberflächenqualität und Detailauflösung,

nachgewiesen werden.

Projektpartner

- Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft

- Blue Production GmbH & Co. Kommanditgesellschaft

- EOS GmbH Electro Optical Systems

- FESTO AG & Co. KG – Advances Prototyping

Technologies PD-TY

- Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT)

- InfraTec GmbH Infrarotsensorik und Messtechnik

- K+K Wissenstransfer e.K.

- Universität Duisburg-Essen – Fakultät für Ingenieur-

wissenschaften – Abt. Maschinenbau und

Verfahrenstechnik – Institut für Produkt Engineering –

Lehrstuhl Fertigungstechnik

12 13

Kettenreaktion

Motivation

Das zunehmende Kundenbedürfnis nach Individualität stellt

die Automobilhersteller vor neue Herausforderungen. Des-

halb muss die Fertigung von Fahrzeugkomponenten nicht

nur höchsten Produktivitätsansprüchen genügen, sondern

auch hochflexibel sein. Derzeit sind die gerade im Bereich der

Komponentenfertigung eingesetzten Prozessketten meist

zulasten der Flexibilität auf höchste Produktivität ausgelegt.

Änderungen sind oft nur mit großen Aufwänden umsetzbar.

Eine wettbewerbsfähige Produktion wird mit diesen Prozess-

ketten immer schwieriger, sodass bei der Auslegung zukünf-

tiger Prozessketten neue Wege gefragt sind.

Innovation

Das Projektziel bestand darin, eine hochflexible und gleich-

zeitig hochproduktive Prozesskette für die Großserien-

fertigung von Fahrzeugkomponenten am Beispiel eines

Kugelkäfigs aus einem Gleichlaufgelenk zu entwickeln. Die

herkömmlichen Prozessschritte zur Herstellung des Kugel-

käfigs umfassen die Schritte Weichbearbeitung, Härten und

Hartfeinbearbeitung. Im neuen Verfahren kommt ein ganz-

heitlicher Ansatz zum Einsatz, der den Wegfall der Hartfein-

bearbeitung möglich macht. Die Voraussetzung hierfür ist,

dass durch geeignete Verfahren in der Weichvorbearbeitung,

durch eine verzugsarme Wärmebehandlung sowie durch

eine intelligente Abstimmung beider Prozesse die notwen-

dige Qualität erzielt wird. Die Weichvorbearbeitung wurde

derart qualifiziert, dass eine spanende Komplettbearbeitung

der Produkte in einer Aufspannung erfolgt. Um die Produk-

tivität der substituierten Prozessschritte zu erreichen, sind

neue Hochleistungsfertigungsverfahren notwendig. Aus

diesem Grund wurden das Drehwalzen – eine Kombination

aus Drehen und Festwalzen – sowie das High-Performance-

Cutting-Fräsen (HPC-Fräsen) weiterentwickelt. Zudem erfolgt

eine Ermittlung der Produkteigenschaften durch spannsyste-

mintegrierte Messungen in jedem Prozessschritt der Weich-

vorbearbeitung. Die Konzeption sieht zudem vor, dass die

Wärmebehandlung direkt in der Fertigungslinie erfolgt. Dazu

war es notwendig, den Härteprozess vom Einsatz- auf das

Induktivhärten umzustellen. Somit ergibt sich eine geschlos-

sene, räumlich zusammenhängende, ganzheitlich geregelte

Prozesskette.

Kontakt

Dr. Wladimir Bickel

Volkswagen AG

Berliner Ring 2

38440 Wolfsburg

Telefon: 05361 9-986855

E-Mail:

wladimir.bickel@volkswagen.de

HLProKet – Entwicklung einer Hochleistungsprozesskette für die Großserienfertigung

Verfahren

Werkstoffe

Stahl

Fe

Trennen Umformen

Anwender

Maschinenbau

Automobil Werkzeugbau

Ergebnisse

Bauteiloptimierung durch Drehwalzen

In der Prozesskette konnte ein innovativer Ansatz zur Kom-

pensation der auftretenden Härteverzüge erfolgreich um-

gesetzt werden. Dazu dient vor allem der in die Weichbear-

beitung integrierte Prozess des Drehwalzens, bei dem eine

simultane Dreh- und Walzbearbeitung des Bauteils mit nur

einem Werkzeug erfolgt. Dadurch ist es möglich, unterschied-

liche Bauteilgeometrien herzustellen. Darüber hinaus lassen

sich durch den integrierten Walzprozess mehrere positive

Effekte erzielen. Ein Effekt resultiert daraus, dass das Bauteil

durch die hydrostatisch gelagerte Walzkugel einer hohen

Passivkraft ausgesetzt ist. Das führt neben einer Erhöhung

der Oberflächengüte aufgrund einer Einebnung der Rauheits-

spitzen zum Einbringen definierter Druckeigenspannungen in

die Randzone. Durch eine gezielte Einbringung und die Steu-

erung des lokalen Eigenspannungszustands kann der später

auftretende Härteverzug im Vorfeld kompensiert werden.

Flexibilität durch HPC-Fräsen

Der herkömmliche Stanzprozess zur Fertigung der Käfigfens-

ter ist zwar höchstproduktiv, erfordert jedoch einen hohen

Rüst- und Werkzeugaufwand. In der neuen Prozesskette

erfolgt daher die Fertigung mittels HPC-Fräsen. Es ermöglicht

eine flexible Bearbeitung sämtlicher Bauteilvarianten ohne

Mehraufwand. Die hohen Anforderungen an die Produktivität

des Zerspanprozesses machten eine anwendungsspezifische

Entwicklung von Werkzeugen und Prozessen notwendig. So

wurde ein mehrstufiges Fräswerkzeug entwickelt, das funkti-

onal verschiedene Teilbereiche für unterschiedliche Prozess-

schritte aufweist. Mit diesem Ansatz ist ein Werkzeugwechsel

in der Bearbeitung nicht mehr erforderlich. In Kombination

mit einer Doppelspindelbearbeitung hat dies sehr kurze Takt-

zeiten zur Folge.

Ganzheitliche Prozesskettenregelung mit

In-Line-Bauteilmessung

Das Entfallen der Hartbearbeitung ist nur durch eine Ab-

stimmung sämtlicher Einzelschritte aufeinander möglich.

Vor allem zwischen der mechanischen Bearbeitung und dem

Härteprozess besteht ein direkter Zusammenhang hinsicht-

lich Bauteilqualität und -funktionalität. Diese Abhängigkeiten

erfordern eine kontinuierliche Bewertung und Anpassung der

einzelnen Prozessschritte. Dieses Ziel wird durch die ganzheit-

liche Prozesskettenregelung erreicht. Letztere übernimmt die

Funktion einer Kopfsteuerung, in der Daten aus allen Stufen

der Prozesskette zusammenlaufen, bewertet und auf deren

Basis die Einzelprozesse geregelt werden. Sollte beispielswei-

se in der End-of-Line-Messung festgestellt werden, dass die

geforderten Bauteiltoleranzen nicht erfüllt sind, so werden

die Schritte Drehwalzen und Induktivhärten nachgestellt. Die

erforderliche Trennung der Einzeleinflüsse auf das Gesamt-

ergebnis erfordert eine Messung des Bauteils vor dem Härten.

Diese Messung erfolgt maschinenintegriert mit einem neu-

artigen sensorischen Spannsystem parallel zur Bearbeitung.

Das System zur Prozesskettenregelung läuft auf einem ge-

trennten Hardwaremodul und bedarf dabei keiner Bediener-

eingriffe. Zudem ermöglicht das Informationsmanagement

der Prozesskettenregelung eine bauteilbezogene Fertigungs-

dokumentation in der Großserie.

Projektpartner

- ARTIS GmbH

- ECOROLL AG Werkzeugtechnik

- EMUGE-Werk Richard Glimpel GmbH & Co. KG

Fabrik für Präzisionswerkzeuge

- FRANKEN GmbH + Co. KG

Fabrik für Präzisionswerkzeuge

- Gildemeister Drehmaschinen GmbH

- Leibniz Universität Hannover – Institut für

Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW)

- Steremat Induktion GmbH

- Volkswagen AG

14 15

Profiler

Motivation

Das Herzstück von Gasturbinen stellen mit Schaufeln bestück-

te Läuferscheiben dar. Die Verbindung zwischen Schaufel und

Scheibe erfolgt formschlüssig über Profilnuten. Derzeit wer-

den diese Schlüsselmerkmale der Turbinenscheiben nahezu

ausschließlich mittels Räumen gefertigt. Beim Räumen han-

delt es sich um ein Sonderverfahren, das hohe Investitionen in

die Maschinen- und Werkzeugausstattung erfordert. Weiter-

hin bedeutet der notwendige Maschinenwechsel einen Bruch

in der Fertigungskette. Das Ziel von HoFePro besteht darin, die

Effizienz des bewährten Räumprozesses zu erhöhen sowie

alternative Prozesse zur Komplementierung zu entwickeln.

Innovation

Im Gegensatz zu den meisten spanenden Fertigungsverfahren

wird beim Räumen von Profilnuten nahezu ausschließlich

Schnellarbeitsstahl als Schneidstoff eingesetzt. Daraus folgen

niedrige Schnittgeschwindigkeiten (vc = 2,5 bis 6 m/min), die

zu langen Prozesszeiten führen. Der Einsatz von Hartmetall als

Schneidstoff ist ein vielversprechender Ansatz, die Schnittge-

schwindigkeit und die Produktivität zu erhöhen. Die Verwen-

dung neuartiger, speziell auf den Räumprozess abgestimmter

Hartmetallsubstrate sowie die Entwicklung unterschiedlicher

Werkzeugkonzepte ermöglichen vor allem beim Schruppen

enorme Produktivitätsgewinne. Die Verwendung von Hartme-

tall beim Schlichten verspricht eine erhöhte Werkzeugstand-

zeit und somit eine Verringerung des Rüstaufwandes.

Ein weiterer innovativer Ansatz ist die Nutfertigung mittels

alternativer Fertigungsverfahren. Dazu wurden sowohl alter-

native Schruppbearbeitungsverfahren, wie die Vorbearbeitung

der Nut mittels Keramikscheiben- und Schaftfräswerkzeu-

gen, als auch die Schrupp- und Schlichtbearbeitung mittels

Hartmetallfräswerkzeugen untersucht. Bei der Schruppbear-

beitung von hochwarmfesten Nickelbasis-Superlegierungen

erhöht sich durch den Einsatz neuartiger Keramikschneidstof-

fe die Schnittgeschwindigkeit und somit die Produktivität um

den Faktor 20 im Vergleich zu Hartmetallen. Dies ermöglicht

die Substitution der Schruppbearbeitung beim Räumen und

somit eine deutliche Reduzierung der Räumbalkenlänge. Zu-

dem kann dieser Prozess auch als Vorbearbeitung mit Profilfrä-

sen kombiniert werden.

Kontakt

Werner Penkert

Kennametal Shared Services GmbH

Wehlauer Straße 73

90766 Fürth

Telefon: 0911 9735-440

E-Mail:

werner.penkert@kennametal.com

HoFePro – Hochleistungsverfahren zur Herstellung von Profilnuten

Verfahren

Werkstoffe

Nickel

Ni

Trennen

Anwender

Maschinenbau

EnergieLuftfahrt Werkzeugbau Automobil

Ergebnisse

Im Rahmen des Projekts wurden zerspantechnologische

Untersuchungen für die genannten Prozessketten durch-

geführt. Dabei dienten die bei den Endanwendern imple-

mentierten Prozesse zur Profilnutfertigung als Referenz. Die

Bewertung der unterschiedlichen Prozessketten erfolgte auf

multikriterieller Basis. Als potenzialträchtige Prozessschritte

wurden vor allem die Schruppbearbeitung mittels Hart-

metallräumen, Keramik- und Hartmetallfräsen sowie die

Schlichtbearbeitung durch Hartmetallräumen und Hartme-

tallprofilfräsen definiert.

Dabei konnte durch die Schruppbearbeitung sowohl mit-

tels keramischer Scheiben- als auch mittels Schaftfräser ein

erheblicher Produktivitätsgewinn gegenüber dem Standard-

prozess aufgezeigt werden. Die Forschungsergebnisse lassen

sich ohne weiteren Aufwand in potenzielle Anwendungsge-

biete von Schneidkeramiken bei der Fräsbearbeitung, wie z.B.

die Blisk-Fertigung, übertragen. Zudem konnte experimentell

belegt werden, dass eine Bearbeitung von Bauteilen mittels

Keramikfräsen die oberflächennahe Randzone erheblich

beeinflusst, was an den hohen Schnittgeschwindigkeiten

und Temperaturen sowie dem spröden Schneidstoffverhal-

ten liegt. Dies erschwert eine Qualifikation dieses Prozesses

für die Endbearbeitung an sicherheitskritischen Bauteilen.

Jedoch kann auf Grundlage der aus dem Projekt gewonnenen

Erkenntnisse ein Schlichtaufmaß definiert und somit eine

Endbearbeitung der Profilnut mittels Hartmetallfräsen oder

Räumen realisiert werden. Der Einsatz dieser Prozessfolge

erlaubt die vollständige Implementierung der Profilnutferti-

gung auf einem Bearbeitungszentrum. Daher können so auch

Unternehmen, die nicht über eine Räummaschine verfügen,

Profilnuten fertigen. Um die Maßhaltigkeit der Nuten auch

bei voranschreitendem Werkzeugverschleiß am Fräser zu

ermöglichen und den Qualifizierungsaufwand der Profilnut-

fertigung zu verringern, wurde der Räumprozess erfolgreich

in ein Bearbeitungszentrum integriert. Somit ist es möglich,

die finale spanende Bearbeitung mittels Räumen durchzufüh-

ren und daher die Endkontur durch ein etabliertes Verfahren-

sprinzip zu realisieren.

Ein weiterer Schwerpunkt im Rahmen der durchgeführten

Arbeiten war der Ersatz des Schneidstoffes Schnellarbeits-

stahl (HSS) durch Hartmetalle bei der Räumbearbeitung. Auf

Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse konnten Richtli-

nien für die Substratauswahl und die Werkzeuggestaltung

hinsichtlich der Werkzeugmakro- und -mikrogeometrie für

die Bearbeitung von Nickelbasislegierungen definiert wer-

den. Durch den Einsatz von wendeschneidplattenbestückten

Hartmetallräumwerkzeugen für die Schruppbearbeitung

erhöhte sich die Schnittgeschwindigkeit um den Faktor fünf

und auch die Werkzeugstandzeit war größer. Die erzeugte

Beeinflussung der oberflächennahen Randzone lag dabei

deutlich unterhalb des Schlichtaufmaßes. Bei der Erprobung

von Hartmetallräumwerkzeugen zur Schlichtbearbeitung

ließ sich die Werkzeugstandzeit im Vergleich zu Werkzeugen

aus HSS deutlich steigern. Der Untersuchungsschwerpunkt

lag dabei auf dem Einsatz profilierter Werkzeuge zur Nachbil-

dung der bei der Schlichtbearbeitung vorliegenden wechseln-

den lokalen Zerspanbedingungen.

Projektpartner

- AEROTECH Peissenberg GmbH & Co. KG

- DECKEL MAHO Pfronten GmbH

- Forst Technologie GmbH & Co. KG

- Kennametal Shared Services GmbH

- Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule

Aachen – Fakultät für Maschinenwesen –

Werkzeugmaschinenlabor (WZL) – Lehrstuhl für

Technologie der Fertigungsverfahren

- Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG

- Seco Tools GmbH

16 17

Oben: Prozessfolge zur Fräsbearbeitung der Profilnuten

Unten: Prozessintegration durch Fertigräumen auf einem BAZ

Wasserkraft

Motivation

Hochbelastete Bauteile wie Turbinenschaufeln werden bei

zunehmend höheren Temperaturen eingesetzt, um den

Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Für derartige Belastungen

kommen hochfeste Werkstoffe zum Einsatz, die sich jedoch nur

schwer bearbeiten lassen: Konventionelle Fertigungsverfahren

wie das Fräsen stoßen oft an ihre Grenzen. In der industriellen

Anwendung wird zum Trennen schwer bearbeitbarer Werk-

stoffe bereits das Wasserstrahlschneiden genutzt. Das Ziel von

HydroMill bestand darin, das Anwendungsspektrum dieses

Verfahrens zu erweitern.

Innovation

Das Wasserstrahlschneiden stellt ein flexibles Werkzeug

dar, das eine hohe Schnittleistung ermöglicht und mit dem

man nahezu alle Werkstoffe bearbeiten kann. Zudem führt

sein Einsatz zu keinen thermisch induzierten Veränderun-

gen im Werkstoffgefüge. Im Rahmen des Projekts konnte

das Wasserstrahlschneiden derart weiter qualifiziert

werden, dass es zukünftig für verschiedenste industrielle

Anwendungen einsetzbar ist.

Eine wesentliche Innovation stellte die erfolgreiche Umset-

zung des Hochleistungsverfahrens „Wasserstrahlschneiden

mit 5-achsiger Werkzeugführung und Systemdrücken von

bis zu 6.000 bar“ dar.

Dafür war es erforderlich, die Prozesstechnologie, die

CAM-Module, die Messtechnik und den Anlagenbau

weiterzuentwickeln sowie Konzepte für das Recycling der

verwendeten Materialien zu erarbeiten. Insbesondere das

Wiederverwerten eingesetzten Rohstoffe spielte eine wich-

tige Rolle, um die Nachhaltigkeit des Verfahrens sicherzu-

stellen und Ressourcen zu schonen. Zur Prozessüberwa-

chung kommt eine neu entwickelte optische Sensorik zum

Einsatz, die direkt in die Anlage integriert ist.

Kontakt

Manuel Schüler

Fraunhofer-Institut

für Produktionstechnik (IPT)

Steinbachstraße 17

52074 Aachen

Telefon: 0241 8904-384

E-Mail:

manuel.schueler@ipt.fraunhofer.de

HydroMill – Entwicklung der 5-Achs-Abrasivstrahl-Schruppbear-beitung zur effizienten Bearbeitung von Hochleistungswerkstoffen

Verfahren

TrennenAbtragen

Aluminium Stahl Nickel

Werkstoffe

Al FeTitan

TiKeramik

Energie Luftfahrt

Anwender

WerkzeugbauMaschinenbau

Ni

Automobil Medizintechnik

Ergebnisse

Die Prozessuntersuchungen wurden auf konventionell

schwer zerspanbaren Werkstoffen durchgeführt. Neben ei-

ner technischen Keramik kamen eine Auswahl metallischer

Eisen- und Nichteisenlegierungen – Inconel 718, Titanalu-

minid und ein pulvermetallurgischer Schnellarbeitsstahl –

zum Einsatz. Durch eine bestimmte Anordnung von Schnit-

ten bis zu einer festgelegten Tiefe konnte die Machbarkeit

des 3-D-Abtrags durch konsequente Weiterentwicklung

des Wasserstrahlverfahrens gezeigt werden. Außerdem

ließ sich das Potenzial mehrachsiger Werkzeugführung

und gesteigerter Systemdrücke für die effiziente Bearbei-

tung von Hochleistungswerkstoffen nachweisen. Mit Blick

auf die Integration in bestehende Prozessketten wurde

überprüft, ob eine zuvor durch Wasserstrahl bearbeitete

Oberfläche Einfluss auf den Werkzeugverschließ im nach-

folgenden Fräsprozess hat. Um bisherige Schruppfräspro-

zesse abzulösen, mussten die erforderlichen Schnittstellen

zu den entsprechenden Prozessketten, der Datenaufberei-

tung und der Bahnplanung der Werkzeugwege geschaffen

werden.

Optimierung der CAM-Werkzeuge

Im Forschungsprojekt wurden daher bestehende CAM-

Werkzeuge für das Wasserstrahlabtragen optimiert. In Er-

gänzung zur Bahnplanung und zum Vergleich des Bearbei-

tungsergebnisses mit den Soll-Daten wurde ein optischer

Sensor in die Anlage integriert, der für ein breites Werk-

stoffspektrum geeignet ist und das Bauteil auch unter

schwierigen Umgebungsbedingungen in der Wasserstrahl-

anlage zuverlässig erfasst. Um den Ansprüchen der nach-

haltigen Ressourcenschonung und des Recyclings gerecht

zu werden, konnte das bereits eingesetzte Abrasivmaterial

aufbereitet und teilweise wiederverwendet werden.

Die Ergebnisse haben das Potenzial des Verfahrens für die

effiziente Bearbeitung konventionell schwer zerspanbarer

Werkstoffe aufgezeigt und sind eine Ausgangsbasis für

weitere Entwicklungen des Materialabtrags durch den

Wasser-Abrasivstrahl. Bisher verfügbare Wasserstrahl-

schneidsysteme sind durch ihren ursprünglichen Einsatz-

zweck nur bedingt für das Wasserstrahlabtragen geeignet.

Um das Verfahren für die industrielle Fertigung zugänglich

zu machen, müssen die technologischen Voraussetzungen

für den Abtragprozess geschaffen werden.

Neben geeigneten Werkzeugen zur Bahnplanung der

Werkzeugwege, die bereits die Strahleigenschaften im

Werkstückeingriff berücksichtigen, braucht es auch speziell

angepasste Maschinenkonzepte hoher Dynamik und

Genauigkeit. Ein hoher Automatisierungsgrad wird daher

ebenso benötigt wie benutzerfreundliche Schnittstellen

zur Datenaufbereitung. Im Fokus zukünftiger Forschungs-

vorhaben stehen neben der Anpassung des Maschinensys-

tems besonders die Weiterentwicklung von CAM-Modulen

und die Integration des Verfahrens in bestehende Prozess-

ketten.

Projektpartner

- Carl Zeiss Optotechnik GmbH

- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik (IPT)

- H. G. Ridder Automatisierungs-GmbH

- Kuhmichel Recycling GmbH

- ModuleWorks GmbH

18 19

Fliegengewicht

Motivation

Leichtbau ist ein vielversprechender Ansatz, um Bauteile und

Produkte ressourceneffizient zu gestalten. Aufgrund ihrer

Eigenschaften, z.B. in Bezug auf Festigkeit und Rohstoffverfüg-

barkeit, haben aluminiumlegierte Leichtbaustähle gerade im

Automobilbau das Potenzial, herkömmliche Hochleistungs-

stähle abzulösen. Die produktive Bearbeitung der Leicht-

baustähle setzt allerdings Hochleistungsfertigungsverfahren

in allen Stufen der Prozesskette voraus. Die Projektpartner

hatten sich daher zum Ziel gesetzt, eine innovative Prozess-

kette zur Fertigung von Massivteilen aus einem neuartigen

Leichtbaustahl zu entwickeln.

Innovation

Der Schwerpunkt der Forschungsarbeiten bestand in der Ent-

wicklung maßgeschneiderter umformender und trennender

Hochleistungsfertigungsverfahren. Die Vision ist, aluminium-

legierte Leichtbaustähle künftig großflächig und branchen-

übergreifend am Industriestandort Deutschland anwenden

zu können. Hierzu wurden prozesssichere Richt-, Trenn- und

Prüfverfahren für die Herstellung von Halbzeugen aus ge-

walztem Stabstahl entwickelt. Eine zentrale Innovation ist die

gezielte Wärmebehandlung des Werkstoffs, die ein Schlüssel-

element für die Bearbeitbarkeit des Leichtbaustahls darstellt.

Zudem ist es gelungen, erstmals eine umfassende werkstoff-

wissenschaftliche Charakterisierung eines im industriellen

Maßstab hergestellten Leichtbaustahls durchzuführen. Ein

darauf aufbauendes Materialmodell unterstützte die Prozess-

und Werkzeugauslegung der umformenden und spanenden

Fertigungsverfahren. Der Prozesskette folgend, wurden

Werkzeuge und Prozesse für das Gesenkschmieden und das

Vollvorwärtsfließpressen entwickelt. Für die Herstellung

von Massivteilen müssen in den meisten Fällen spanende

Fertigungsverfahren eingesetzt werden. Mithilfe angepasster

Werkzeuggeometrien, innovativer Schneidstoffe und opti-

mierter Kühlstrategien ließ sich die Produktivität des spa-

nenden Verfahrens weiter steigern. Die Optimierung erfolgte

auch durch Spanbildungs- und CFD-Simulationen. Im Hinblick

auf die Zerspanung mit geometrisch unbestimmter Schneide

wurden hochporöse Schleifscheibenstrukturen untersucht,

die aufgrund der besseren Kühlmittelzufuhr eine gesteigerte

Produktivität erlauben.

Kontakt

Dr. Michael Lahres

Daimler AG

Wilhelm-Runge-Straße 11

89081 Ulm

Telefon: 0731 505-2920

E-Mail:

michael.lahres@daimler.com

IPROM – Innovative Prozesskette zur Massivteilfertigung aus einem neuartigen Leichtbaustahl

Verfahren

Anwender

Maschinenbau

Werkstoffe

TrennenUmformen

Automobil

Leichtbaustahl

FeAl

Ergebnisse

Durch werkstoffwissenschaftliche Untersuchungen gelang

der Nachweis, dass das Gefüge des Leichtbaustahls erheb-

lichen Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften besitzt. Das

Gefüge bestimmt insbesondere die Festigkeit und die zuläs-

sige Verformung. Daher ist eine Wärmebehandlung bereits

bei der Halbzeugerstellung im Stahlwerk erforderlich, um ein

prozesssicheres Richten des gewalzten Strangmaterials zu

gewährleisten.

Umfassende Werkstoffbeschreibung als Basis

Im Vergleich unterschiedlicher Trennverfahren stellte sich das

Sägen als kosteneffizienteste Methode heraus. Die Charak-

terisierung des Werkstoffs zeigte, dass die mechanischen

Eigenschaften des wärmebehandelten Werkstoffs vergleich-

bar zu denen von Stählen sind, die derzeit im Automobilbau

Einsatz finden. Allerdings konnte eine mit Titanwerkstoffen

vergleichbare geringe Wärmeleitfähigkeit nachgewiesen

werden, die insbesondere bei der spanenden Bearbeitung

zu hohen thermischen Werkzeugbelastungen führt. Um

konventionell ermittelte Fließkurven auf höhere Dehnungen

und Dehnraten zu erweitern, kommt ein neu entwickeltes

Berechnungsverfahren zum Einsatz. Somit liegt erstmals

eine umfassende Beschreibung des Werkstoffs zur Simulati-

on umformender und spanender Fertigungsverfahren vor.

Testbauteile Pleuel und Kolbenbolzen

Aufbauend auf diesen Erkenntnissen, ließen sich Werkzeuge

und Prozessstellgrößen für das Vollvorwärtsfließpressen und

das Gesenkschmieden ableiten. Im Anschluss an Analogieun-

tersuchungen wurden die Verfahren erfolgreich auf die Geo-

metrie eines Pleuels und eines Kolbenbolzens transferiert. Um

die Produktivität und die Standzeit bei der spanenden Bearbei-

tung des Leichtbaustahls zu steigern, wurden die Werkzeuge

und die Prozessstellgrößen für die Verfahren Drehen, Bohren

und Fräsen eingehend analysiert und angepasst. Bei der Aus-

wertung der Spanbildung zeigte sich, dass der Werkstoff zur

Aufbauschneiden- und Scherspanbildung neigt. Anschließend

wurden die Werkzeuggeometrie angepasst und mehrlagige

Werkzeugbeschichtungen entwickelt.

Aufgrund der hohen thermischen Werkzeugbelastung stel-

len angepasste Kühlschmierstrategien ein hohes Potenzial

zur Produktivitäts- und Standzeitsteigerung dar. Mithilfe

von CFD-Simulationen und einer anschließenden Validie-

rung konnten prozessspezifische Kühlkanalgeometrien der

Werkzeuge entwickelt werden, die die thermische Werk-

zeugbelastung reduzieren und letztlich für eine Leistungs-

steigerung sorgen.

Dies gilt auch für das Schleifen des Leichtbaustahls. Die

Untersuchungen zeigten unter anderem, dass hochporöse

Schleifscheiben die Kühlung von Werkzeug und Werkstück

unterstützen. Durch die verbesserte Kühlmittelzufuhr in die

Kontaktzone lassen sich die Standzeiten erhöhen sowie die

Gefahr von thermisch induzierten Schädigungen auf der

Werkstückoberfläche reduzieren. Als besonders geeigneter

Schneidstoff erwiesen sich Sinterkorunde, wie Schleifversu-

che am neuartigen Material zeigten. Sämtliche Ergebnisse

zur Zerspanung konnten im Rahmen des Projekts auf die

prototypischen Prozessketten zur Fertigung von Pleuel und

Kolbenbolzen erfolgreich übertragen werden.

Projektpartner

- Daimler AG

- Deutsche Edelstahlwerke GmbH

- Hermes Schleifkörper GmbH

- Leibniz Universität Hannover – Fakultät für

Maschinenbau – Institut für Fertigungstechnik

und Werkzeugmaschinen (IFW) und Institut

für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM)

- MAPAL Fabrik für Präzisionswerkzeuge Dr. Kress KG

- Walter AG

20 21

Bestform

Motivation

Ein Oberflächenfeinstbearbeitungsverfahren wie das Microfi-

nish dient dazu, an Bauteilen und Komponenten Funktionsflä-

chen zu erzeugen, die im Betrieb kritischen Belastungen aus-

gesetzt sind. Bisher erfolgt die Herstellung dieser Flächen vor

allem auf Sondermaschinen, die in der Großserienproduktion

eingesetzt werden. KombiFin zielt darauf ab, eine wirtschaftli-

che Kombination aus Vor- und Endbearbeitung auf modernen

CNC-Bearbeitungszentren (Fräs-, Dreh-, Schleifmaschinen)

zu etablieren. Hierdurch könnten auch kleine Unternehmen

Zugang zu dieser Technologie bekommen und ihre Produkte in

einem neuen Qualitätsstandard anbieten.

Innovation

Die Innovation besteht in der Verflechtung einer neuen Ge-

neration von Aufsatzgeräten, einer Softwarelösung, die alle

Finishvarianten bedienerfreundlich in die Maschine einbindet,

und von Kraftregelstrategien, durch die das Schleifwerkzeug

mit den entsprechenden technologisch idealen Parametern

betrieben werden kann.

Die entwickelten Aufsatzgeräte sind bis zu 80 Prozent kleiner

und deutlich leichter als marktübliche Geräte für den konven-

tionellen Bereich. Dadurch können sie selbst in kleine Werk-

zeugwechsler von CNC-Drehmaschinen integriert werden.

Eine entsprechende Schnittstelle ermöglicht die Versorgung

über die Basismaschine – ein weiterer Aspekt, der eine kleine

Bauform der Aufsatzgeräte ermöglicht. Die Geräte sind mo-

dular aufgebaut und können sowohl für die Band- als auch

für die Steinbearbeitung genutzt werden. Integrierte Kraft-

sensoren werden für die Anschnitterkennung wie auch für die

Prozessführung genutzt.

Mit einer neu entwickelten Softwarelösung werden alle

Finishvarianten (Plan-, Wellen-, Lagerfinish) in übersichtlichen

Bedienermasken zusammengefasst und in Form eines Pro-

grammcodes in die Grundmaschine eingebunden. Ein Eingriff

in die bestehende Struktur des CNC-Bearbeitungszentrums ist

dabei nicht erforderlich.

Kontakt

Prof. Dr. Harald Goldau

Hochschule Magdeburg-Stendal

Breitscheidstraße 2

39114 Magdeburg

Telefon: 0391 886-4410

E-Mail:

harald.goldau@hs-magdeburg.de

KombiFin – Kombinierte Finishtechnologien für Produkte von morgen

Verfahren

Werkstoffe

Stahl

Fe

Trennen

Anwender

Maschinenbau WerkzeugbauAutomobil

Titan

Ti

Medizintechnik

Kunststoffe

Luftfahrt

Aluminium

AlKeramik

Ergebnisse

Es wurden Finisheinheiten entwickelt, die durch ihre geringe

Baugröße direkt in den Werkzeugrevolver einer CNC-Drehma-

schine mit einem Revolverdurchmesser von nur 400 Millime-

tern integriert werden können. Diese geringen Dimensionen

bilden die Grundvoraussetzung für eine kombinierte Bearbei-

tung in einer Aufspannung. Die Weiterentwicklung des ersten

Prototyps beinhaltet ein Schnellwechselsystem und weitere

Kupplungsmöglichkeiten, um der Herstellervielfalt gerecht zu

werden.

Der Bandwechsel lässt sich nun in wenigen Minuten realisie-

ren. Es können auch mehrere Wechselsysteme vorgehalten

werden, um einen mehrstufigen Bearbeitungsprozess mit

unterschiedlichen Schleifwerkzeugen durchzuführen. Die

Finisheinheit kann – umgerüstet für die Steinbearbeitung – in

ihrer Baugröße noch weiter reduziert werden, da die Umlenk-

rollen für das Schleifband entfallen.

Anwendungsbeispiel

Der dargestellte Prototyp wurde für eine Kombinationsbear-

beitung aus Hartdrehen und Bandfinishen im Einstechver-

fahren eingesetzt. Bearbeitet wurden auf 56 HRC gehärtete

Wälzkörper mit einer mikroballigen Geometrie auf der Um-

fangseite in axialer Richtung. Das logarithmische Profil durfte

durch die anschließende Finishbearbeitung nicht eliminiert

werden.

Die Finishbearbeitung erzeugt auf dem Bauteil den typischen

Kreuzschliff, der in diesem Fall zur geforderten Drallfreiheit

auf der Wälzkörpermantelfläche führt. Weiter war eine

Rauheit Rz von unter 1 Mikrometer gefordert. Sowohl die

geforderten Qualitäten konnten eingehalten als auch die

Verfahrenskosten gegenüber der aktuellen Variante um etwa

40 Prozent reduziert werden.

Software

Der Projektpartner KES hat nach Vorgabe der anderen Partner

eine Softwarelösung entwickelt, die es erlaubt, maschinen-

und steuerungsunabhängig diverse Finishoperationen auf

herkömmlichen CNC-Bearbeitungszentren durchzuführen.

Hierzu liest die Software alle relevanten Maschinendaten der

Basismaschine aus und erstellt auf dieser Grundlage einen

entsprechenden Programmcode. Der so generierte Pro-

grammabschnitt kann dann in Form eines Unterprogramms

in die vorhandenen Abläufe integriert werden.

Als Besonderheit ist zu nennen, dass auch verschiedene

Prozessregelstrategien hinterlegt wurden. So ist es beispiels-

weise möglich, die Finishbearbeitung kraftgeregelt über

entsprechende Sensoren zu realisieren. Weitere Alternativen

sind die Anschnitterkennung über das Motorstromsignal oder

Körperschallsensoren.

Projektpartner

- FLP Microfinishing GmbH

- Gleitlager und Metallverarbeitung GmbH Osterwieck

- Hochschule Magdeburg-Stendal

- InKRAFT Ingenieurgesellschaft für kraftgeregelte

adaptive Fertigungstechnik mbH

- Klaus Eichhorn Steuerungstechnik

- PREUSS Metallverarbeitung GmbH

- Sondermaschinen Oschersleben GmbH

- Zorn Instruments GmbH & Co. KG

22 23

Traumpaar

Motivation

Der richtige Werkstoff am richtigen Platz, mit dem richtigen

Verfahren und zu vertretbaren Kosten – dies gilt schon seit

einiger Zeit als Königsweg des wirtschaftlichen Leichtbaus

in der Automobilindustrie. Durch den gemeinsamen Einsatz

von faserverstärkten Kunststoffen und Metallen in einer Mul-

ti-Material-Bauweise ist es möglich, die spezifischen Vorteile

jedes Werkstoffs bestmöglich und somit gewichtsparend zu

nutzen. Gleichzeitig steigt jedoch der Bedarf an neuartigen,

werkstofflich kombinierten und zugleich wirtschaftlichen

Herstellungsverfahren für diese Hybridbauteile, um eine

breite Anwendbarkeit in der Großserie zu ermöglichen.

Innovation

Das im Projekt MultiForm entwickelte Fertigungsverfahren

namens Verbundpressen kombiniert das Tiefziehen von Me-

tallblechen mit dem Fließpressen langfaserverstärkter Ther-

moplaste (LFT) in einem gemeinsamen Werkzeug und durch

einen simultanen Umformschritt (Ein-Schritt-Verfahren).

Dabei verhält sich der plastifizierte Kunststoff wie ein Wirkme-

dium in hydromechanischen Prozessen und ist somit maß-

geblich für die Ausformung des Metallblechs verantwortlich.

Die stoffschlüssige Verbindung zwischen Metall und LFT wird

durch den Einsatz eines Haftvermittlers auf Co-Polyamid-Basis

als Vorbeschichtung auf dem Metallblech direkt im Prozess

realisiert.

Langfaserverstärkte Thermoplaste mit einer Faserlänge von

bis zu 50 Millimetern zeichnen sich vor allem durch eine hohe

spezifische Festigkeit aus und ermöglichen als optimierte

Rippenstrukturen im Verbund mit Metallen eine Reduzierung

der Metallblechdicke. Unter Beibehaltung der mechanischen

Bauteileigenschaften liegt die zu erzielende Gewichtsersparnis

je nach Anwendungsfall bei ca. 20 Prozent im Vergleich zu rei-

nen Stahlbauteilen. Die entstehenden Hybridbauteile weisen

zudem ein gutmütiges Versagensverhalten auf – nach einem

Bruch im LFT kann das außenseitige Metallblech eine Resttrag-

fähigkeit garantieren. Dieses sogenannte Fail-Safe-Verhalten

ist vor allem in Fahrwerkanwendungen unabdingbar. Zusätz-

lich können Verstärkungselemente, wie z.B. Organobleche, in

den Fertigungsprozess integriert werden und somit zu einer

belastungsgerechten Auslegung beitragen.

Kontakt

Björn Sonnenstädt

Weber Fibertech GmbH

Daimlerstraße 5

88677 Markdorf

Telefon: 07544 963-6304

E-Mail:

b.sonnenstaedt@weber-fibertech.com

MultiForm – Entwicklung eines Hochleistungsfertigungsverfahrens zur simultanen Umformung von faserverstärkten Kunststoffen mit Metall- blechen für leichte und zuverlässige Bauteile in Karosserie und Fahrwerk

Anwender

WerkzeugbauAutomobil Maschinenbau Luftfahrt

Aluminium Stahl

Werkstoffe

Al FeKunststoffe

Verfahren

Umformen Hybride Verfahren

Ergebnisse

Im Vordergrund des Projekts stand, die simultane Umfor-

mung von Metallblechen mit langfaserverstärkten Ther-

moplasten in einem gemeinsamen Werkzeug und damit

ein innovatives Fertigungsverfahren für Hybridbauteile zu

entwickeln. Zur Nutzung des plastifizierten LFTs als Druck-

medium für die Metallumformung mussten vor allem die

entsprechenden Werkzeugkonzepte inklusive Abdichtung

und Temperierung entwickelt werden. Dazu wurden zwei

unterschiedliche Dichtkonzepte sowohl für offene (U-Pro-

fil) als auch für geschlossene Profile (Wannengeometrie,

siehe Bild) erarbeitet. Diese müssen einerseits ein Austre-

ten des LFTs im Prozess verhindern und dürfen andererseits

den erforderlichen Blechfluss zur Metallumformung nicht

beeinträchtigen. Während das Werkzeug der Wannengeo-

metrie eine umlaufende Ziehstufe und eine wegabhängige

Niederhalterkraft als Dichtkonzept nutzt, gestaltete sich

die Abdichtung des U-Profils als deutlich komplexer. Die

finale Lösung basiert auf vorauseilenden und federgelager-

ten Dichtelementen sowie einer geometrischen Ausfor-

mung an den offenen Profilenden.

Zur Analyse der Verbindungseigenschaften zwischen

Metall, Haftvermittler und LFT wurden Scher- und Kopfzug-

proben hergestellt und in den anschließenden Zugversu-

chen Festigkeitswerte im Bereich von 13 bis 18 Megapascal

ermittelt. Anhand der Ergebnisse konnte ein Materialmo-

dell zur FE(Finite Elemente)-Simulation und Abbildung des

Versagensverhaltens entwickelt werden.

Demonstratoren

Für die Auslegung der Hybridbauteile, die durch das

Verbundpressen entstehen, wurde eine eigene Opti-

mierungsmethode entwickelt. Diese ermittelt zunächst

anhand vorgegebener Lastfälle eine minimal erforderliche

Blechdicke für das Metallblech und empfiehlt im Anschluss

die optimale Form der LFT-Rippenstruktur mithilfe einer

Topologie-Optimierung. Als Projekt-Demonstratoren und

zur Bauteilprüfung wurden sowohl ein Quer- als auch ein

Längslenker aus dem Fahrwerkbereich (Vorder- und Hinter-

achse) ausgewählt. Deren Blechdicken konnten durch die

Optimierungsmethode signifikant reduziert werden, was

in beiden Fällen zu Gewichtseinsparungen von mehr als

20 Prozent gegenüber den jeweiligen Serienbauteilen

führte. Fahrwerkbauteile aus Stahl weisen einerseits hohe

Blechdicken auf, wodurch ein tendenziell hohes Leichtbau-

potenzial durch das neue Fertigungsverfahren vorliegt.

Andererseits machen die verschiedenen Bauteilanforde-

rungen der Fahrzeughersteller hinsichtlich Schwingfestig-

keit, Lebensdauer, Versagensverhalten, Lackierbarkeit und

Korrosionsbeständigkeit eine umfangreiche Prüfung nötig.

Je nachdem wie die Anforderungen in den abschließenden

Realversuchen erfüllt sind, eröffnet das neue Verfahren

vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im automobilen

Leichtbau, so z.B. in der Karosserie. Denkbar scheint zudem

eine Kombination von LFT mit höherfesten Aluminium-

Legierungen, da die Schmelztemperatur von z.B. Polyca-

prolactam im Bereich der Warmumformung von Alumi-

nium liegt und somit eine verbesserte Umformbarkeit zu

erwarten ist.

Projektpartner

- SimpaTec Simulation & Technology Consulting GmbH

- Sprick Technologies GmbH & Co. KG

- Universität Siegen − Fakultät IV − Department

Maschinenbau − Lehrstuhl für Fahrzeugleichtbau

- voestalpine Polynorm GmbH & Co. KG

- Weber Fibertech GmbH

24 25

Lichtgestalt

Motivation

Das hybride Fertigungskonzept, bestehend aus der Kombina-

tion von additiv-auftragenden und spanend-abtragenden Pro-

zessen mit Robotertechnik, stellt einen innovativen Ansatz in

der Fertigungstechnik dar. Es ermöglicht, funktionale Produkte

ressourcenschonend und ökonomisch herzustellen. Beschrän-

kende Faktoren für den industriellen Einsatz waren bisher

die geringe Produktivität der additiven Fertigung, die einge-

schränkte Verarbeitbarkeit metallischer Werkstoffe sowie die

gegenüber einer Werkzeugmaschine schlechtere Qualität der

robotergestützten spanenden Nachbearbeitung. Auch Limitie-

rungen beim Bauteildesgin galt es zu überwinden.

Innovation

Die Projektpartner haben ein generatives Hochleistungsfer-

tigungsverfahren erarbeitet, das generative und abtragende

Fertigungsprinzipien miteinander kombiniert. Für die laser-

basierte generative Herstellung wurde ein Hochleistungs-

diodenlaser mit höchster Strahlqualität und einem verbes-

serten energetischen Wirkungsgrad entwickelt. Er dient

als Energiequelle für eine speziell auf den Laser ausgelegte

koaxiale Drahtbearbeitungsoptik, bei der metallische Drähte

zentrisch in der resultierenden Laserstrahlachse zugeführt

werden. Mithilfe dieses innovativen Prinzips ist es möglich,

anwendungsspezifisch optimierte Eisen- und Nickel-Basis-

Fülldrähte für den generativen Prozess einzusetzen. Zudem

verspricht es vor allem bei schwer zerspanbaren Legierungen

eine erhebliche Verkürzung der Fertigungsdauer – ein Effekt,

der sich durch die zusätzlich integrierte elektrische Draht-

vorwärmung noch verstärken lässt. Durch den Einsatz eines

prozessspezifischen CAM-Tools sowie durch ein zwischenge-

lagertes Laserlinienscanning ist es möglich, die Bauteile in

verbesserter endkonturnaher Geometrie und damit ressour-

censchonend herzustellen. Für die spanende Nachbearbei-

tung wurden neue Schneidwerkzeuge und Bearbeitungs-

methoden qualifiziert. Mithilfe dieser Werkzeuge lassen sich

die werkstoffseitige Einsatzbreite für die roboterbasierte

Fräsbearbeitung erweitern und die Bearbeitungsgenauigkeit

signifikant erhöhen.

Kontakt

Stefan Rupp

robot-machining GmbH

Am Sandborn 10

63500 Seligenstadt

Telefon: 0170 8164788

E-Mail: s.rupp@robot-machining.de

PROGEN – Hochproduktive generative Produktherstellung durch laserbasiertes hybrides Fertigungskonzept

Ergebnisse

Die systemtechnischen Komponenten und Teilprozesse

sind in eine roboterbasierte Fertigungszelle integriert

worden, sodass eine hybride Bauteilbearbeitung in einer

Aufspannung möglich ist. Die geeignete Kombination von

Schweißen, Fräsen und iterativer Bauteilvermessung führt

zu einer hohen Bearbeitungsgenauigkeit in Bezug auf

Geometrie und Oberflächengüte. Die Prozesskette wurde

exemplarisch für zwei Anwendungsfälle erprobt.

Tragende Strukturen für den Flugzeugbau

Bedingt durch die offene kinematische Kette besitzt ein

6-Achs-Vertikalknickarmroboter höhere Nachgiebigkeits-

werte als ein Bearbeitungszentrum. Dieses Roboterdesign

begünstigt eine hohe Auslenkung des Werkzeugs und

führt zu Instabilitäten in Form von regenerativem Rattern

während des Spanprozesses. Zerspanungsversuche dienten

dazu, die bestmögliche Position und optimale Schnittwerte

für aufgebaute Strukturen aus der Nickellegierung Inconel 718

herauszufinden. Zur Ermittlung der geeigneten Bearbei-

tungsposition wurden für die Bauteile charakteristische

Bahnen an unterschiedlichen Positionen eines fest instal-

lierten Nullspannsystems im Arbeitsraum des Roboters

gefräst und anschließend auf ihre Maßhaltigkeit geprüft.

Durch intelligente Bahnplanung und Digitalisierung lässt

sich die Bearbeitungsgenauigkeit in Bezug auf Geometrie-

abweichungen auf durchschnittlich ±0,18 Millimeter erhö-

hen und die gemittelte Rautiefe auf Ra = 2,5 Mikrometer

verbessern.

Presswerkzeuge für den Automobilbau

Für die Kaltumformung von Blechen im Automobilbau

kommen zumeist Presswerkzeuge aus Grauguss oder

Werkzeugstahl zum Einsatz. Durch Verschleiß oder ge-

wünschte Geometrieänderungen an diesen Werkzeugen

ist es notwendig, lokale Aufschweißungen an Kanten,

Formelementen oder frei geformten Flächen vorzunehmen.

Bei der hybriden Bearbeitung ist der Ausgangszustand

durch das Scanning erfassbar, sodass eine angepasste

Schweißstrategie mittels computerbasierter Bahnpla-

nung unmittelbar umgesetzt werden kann. Dazu wurden

verschiedene Drahtwerkstoffe auf Eisen- und Nickel-Basis

für die Schweißungen qualifiziert und Schichtsysteme aus

Puffer- und Decklagen realisiert. Typische Schichtdicken für

den Automobilbau-Anwendungsfall liegen im Bereich von

3 bis 5 Millimetern mit einer Härte in der obersten Lage

von bis zu 700 HV (Vickers). Die hohe Härte des Werkstoffs

stellte eine besondere Herausforderung für die Planung

des Zerspanungsprozesses mit dem Industrieroboter dar.

Durch angepasste Roboterposen – die Pose setzt sich aus

der Position und der Richtung des Roboters zusammen

– ließen sich auch hier die gemittelte Rautiefe und die

Geometrieabweichungen auf die gleichen Werte wie beim

Flugzeugbau-Anwendungsfall anpassen.

Projektpartner

- Adam Opel AG

- Airbus Defence and Space GmbH

- BCT Steuerungs- und DV-Systeme GmbH

- DURUM Verschleißschutz GmbH

- Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik

(IWS)

- ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH

- Laserline Gesellschaft für Entwicklung und

Vertrieb von Diodenlasern mbH

- robot-machining GmbH

- Technische Universität Darmstadt − Fachbereich

Maschinenbau − Institut für Produktionsmanage-

ment, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW)

Verfahren

Additive FertigungTrennen Hybride Verfahren

Anwender

Maschinenbau MedizintechnikEnergieLuftfahrt

Aluminium Stahl Nickel

Werkstoffe

Al Fe Ni

26 27

Hot Spot

Motivation

Die Endbearbeitung großer und komplexer Integralbauteile in

der Luft- und Raumfahrtindustrie erfolgt vornehmlich durch

spanabhebende Verfahren aus geschmiedetem Block- oder

Rundmaterial. Hierbei stellen die Integralbauteile eine Heraus-

forderung für die Fertigungstechnik dar, denn sie bestehen aus

schwer zerspanbaren Werkstoffen, die schon nach geringen

Zerspanungsvolumina zu einem hohen Werkzeugverschleiß

führen. Als Gegenmaßnahme werden in der industriellen

Praxis für die Schruppbearbeitung von schwer zerspanbaren

Werkstoffen niedrige Technologieparameter verwendet, die

in einem geringen Zeitspanvolumen resultieren.

Innovation

Das Ziel von SchwerSpan war es, das Zeitspanvolumen um

bis zu 100 Prozent zu erhöhen. Zu diesem Zweck erfolgte

die Zerspanung unter Verwendung eines Induktors zur pro-

zessparallelen Erwärmung des Materials. Die Erwärmung

entfestigt das zu bearbeitende Material und reduziert

somit die mechanische Belastung auf die Schneide, wo-

durch sich die Einsatzdauer der Fräswerkzeuge verlängert.

Folglich können die Technologieparameter und somit die

Produktivität erhöht werden.

Die Forschungsarbeiten konzentrierten sich auf die Aus-

legung des induktiven Prozessverfahrens und auf die Ent-

wicklung eines neuen Kühlschmierverfahrens. Bei der Pro-

zessauslegung ging es um eine Kalibrierung der benötigten

Prozessparameter in Abhängigkeit von der Werkzeug-

technologie. Um das Prozessfenster um eine zusätzliche

Dimension zu erweitern, wurde die induktive Bearbeitung

mit der kryogenen Kühlung des Werkzeugs kombiniert.

Dadurch steigt einerseits die Flexibilität hinsichtlich der

Werkzeugtechnologie und der Bearbeitungsstrategie, an-

dererseits aber auch die Komplexität des Parameterfelds.

Kontakt

Markus Kannwischer

Hartmetall-Werkzeugfabrik

Paul Horn GmbH

Unter dem Holz 33–35

72072 Tübingen

Telefon: 07071 7004-3010

E-Mail:

markus.kannwischer@phorn.de

Verfahren

Anwender

Maschinenbau Werkzeugbau Energie

Werkstoffe

Titan

TiNickel

Ni

Trennen Hybride Verfahren

Luftfahrt

SchwerSpan – Hochleistungsfräsen schwer zerspanbarer Werkstoffe Ergebnisse

Mithilfe der innovativen Zerspanung konnte das Zeitspanvo-

lumen um 100 Prozent erhöht werden. Das neue Verfahren

basiert auf der induktiven Erwärmung des Werkstoffs und

der kryogenen Kühlung des Werkzeugs. Für die Anwendung

der induktiven/kryogenen Zerspanung ist eine auf den

Prozess abgestimmte Werkzeugtechnologie essenziell.

Deren Entwicklung stand daher im Mittelpunkt des Projekts

und basierte auf der Auslegung von Schneidstoffen.

Induktive Erwärmung und kryogene Kühlung

Der auftretende Effekt einer Werkstoffentfestigung durch

eine vorgewärmte Zerspanstelle verursacht einen erhöhten

Wärmeeintrag in die Wendeschneidplatten. Diesem Effekt

wirkt die kryogene Kühlung der Wendeschneidplatten entge-

gen. Die Auswirkungen der induktiven Erwärmung und der

kryogenen Kühlung auf die Zerspanzone wurden in Form von

Werkzeugverschleißanalysen der eingesetzten Schneidstoffe

dokumentiert. Da es sich um ein neues Verfahren handelt,

war vor der Versuchsauslegung eine Kalibrierung der Induk-

tionsanlage notwendig. Dabei wurden der Wärmeeintrag

und die Werkzeugtechnologie berücksichtigt. Dieser Schritt

diente zur Einstellung der Temperatur in der Zerspanzone

und somit zur Bestimmung eines Prozessfensters, innerhalb

dessen die Bearbeitungsstrategie zu wählen ist. Bei der

Kalibrierung erwies sich eine Zustelltiefe von 6 Millimetern

beim Fräsprozess als am geeignetsten. Zudem wurde festge-

legt, dass die Temperatur in der Zerspanzone ca. 150 bis 200°C

betragen sollte. In diesem Bereich liegt eine ausreichende

Entfestigung des Materials bei einer gleichzeitig geringen

thermischen Belastung der Schneiden vor.

Bearbeitung mit Hartmetallschneidplatten

Auf Basis der Prozessdefinition erfolgten Zerspanversuche

mit Wendeschneidplatten unterschiedlicher Schneidstof-

fe als Werkzeugtechnologie. Es zeigte sich deutlich, dass

die hybride Bearbeitung von Titan und Superlegierungen

Hartmetallschneidplatten erfordert, die sich von denen der

konventionellen Bearbeitung mit Kühlschmierstoff unter-

scheiden. Diese Feststellung wurde anhand des Einsatz-

verhaltens der Werkzeuge und einer Charakterisierung

des Werkzeugverschleißes abgeleitet. Hierbei zeigte sich

deutlich, dass sich der Wärmeeintrag in den Schneidstoff

aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Schneidstoffs

unterbinden lässt. Darüber hinaus führte eine Überlast in

Form von Schneidkantenausbrüchen zum Standzeitende –

sie wurde als Versagenskriterium definiert.

Fazit

Den Projektpartnern ist es gelungen, die Standzeit schneid-

stoffabhängig zu steigern und damit das Zeitspanvolumen

zu erhöhen – das Projektziel „Verdoppelung des Zeitspan-

volumens in Titan und Superlegierungen“ wurde erreicht.

Höhere Technologieparameter und die induktive/kryogene

Bearbeitung leisteten einen wichtigen Beitrag dazu. Der

gezielte Wärmeeintrag führte zu einer Materialentfestigung

und sorgte aufgrund der verringerten mechanischen Belas-

tung auf das Fräswerkzeug für eine Produktivitätssteigerung.

Projektpartner

- CemeCon AG

- Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und

Systeme (IKTS)

- Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH

- H. C. Starck GmbH

- Oemeta Chemische Werke Gesellschaft mit

beschränkter Haftung

- Petzinger GmbH

- Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG

- Technische Universität Darmstadt – Fachbereich

Maschinenbau – Institut für Produktionsmanage-

ment, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW)

- VDM Metals GmbH

28 29

Feinschliff

Motivation

Strömungsschleifen und Hydroerosiv(HE)-Verrunden sind Ver-

fahren, um funktionelle Oberflächen im Inneren von Bauteilen

zu bearbeiten. Damit grenzen sie sich signifikant vom beste-

henden Stand der Technik der mechanischen Bearbeitung ab,

der oftmals durch die Zugänglichkeit zu den Funktionsflächen

limitiert ist. Aufgrund der Gesetzmäßigkeiten der Strömungs-

mechanik unterliegen jedoch auch das Strömungsschleifen

und das HE-Verrunden Begrenzungen. SmartStream verfolgte

daher das Ziel, bisher geltende strömungstechnischer Verfah-

rensgrenzen zu überwinden und auf diese Weise die beiden

Verfahren weiterzuentwickeln.

Innovation

Um die Zerspanungsleistung an spezifischen Bearbeitungs-

stellen lokal zu verändern, wurden die Abrasivmedien durch

ein externes elektromagnetisches Feld beeinflusst. Vorausset-

zung für eine punktuell steuerbare Prozessführung war eine

zweistufige Prozessadaption. Dazu war es notwendig, das

Medium zu magnetisieren und mithilfe des angelegten Mag-

netfeldes zu steuern. Auf diese Weise lassen sich strömungs-

mechanisch ungünstig gelegene Bereiche des Werkstücks

bearbeiten, aber auch bei vermeintlich einfachen Strukturen

die Abtrennleistung der Prozesse lokal gezielt steuern.

Die Zusammensetzung der schaltbaren, abrasiven Suspension

erfolgte auf Basis einer physikalischen Prozesssimulation. Zu-

dem wurden die werkstückspezifischen, elektromagnetischen

Feldverläufe vorab numerisch simuliert und anhand konkreter

Demonstratoruntersuchungen validiert.

Ein Verfahren zur Abtrennung der Partikel vom Basismedium

und zu deren Aufbereitung ermöglicht einen wirtschaftlichen

Produktlebenszyklus, da die genutzten Partikel erfolgreich

extrahiert und je nach Bedarf und Beschaffenheit wiederholt

eingesetzt werden.

Kontakt

Christian Schmiedel

Fraunhofer-Institut für Produktionsanagen und

Konstruktionstechnik (IPK)

Pascalstraße 8–9

10587 Berlin

Telefon: 030 39006-267

E-Mail:

christian.schmiedel@ipk.fraunhofer.de

SmartStream – Intelligente Bearbeitung durch die Verwendung schaltbarer Fluide

Verfahren

Werkstoffe

Stahl

Fe

Trennen

Aluminium

AlNickel

NiTitan

Ti

Anwender

Maschinenbau WerkzeugbauAutomobil

AdditiveFertigung

Luftfahrt

Ergebnisse

Mit Blick auf Smart Fluids wurden zwei unterschiedliche

Medien-Typen untersucht:

• Typ A mit Abrasivpartikeln und zusätzlich magnetisierba-

ren Partikeln, die sich im homogenen Magnetfeld ausrich-

ten, Strukturen bilden und das Medium somit versteifen

• Typ B mit magnetisierbaren Abrasivpartikeln, die im

inhomogenen Magnetfeld an die Werkstückoberfläche

gelenkt werden und somit größere Zerspankräfte aufbrin-

gen können

Die Trägermedien für das HE-Verrunden – Morlina 5,

Morlina 10 und Flowgrind 32 – wurden mit Carbonyl-

eisen und B4C-Partikeln versetzt und magnetorheologisch

untersucht. Die Suspensionen zeigten scherverdünnendes

Verhalten. Die Fließgrenze ist abhängig vom Eisengehalt

sowie von der Stärke des Magnetfeldes. Zusätzlich ist mit

dem Eisengehalt die Viskosität bei gleichen magnetischen

Flussdichten regelbar – höhere Viskositäten sind durch

eine höhere Eisenzugabe möglich. Die polymeren Basis-

medien für das Strömungsschleifen – MF14 und MF18 –

wurden mit Siliziumkarbid und Carbonyleisen versetzt und

im homogenen Magnetfeld rheologisch analysiert. Auch

hier zeigte sich mit steigendem Eisengehalt ein Anstieg

der Viskosität über der Flussdichte. Bei bisher in Versuchen

gemessenen Flussdichten von 215 bis 350 Millitesla (mT)

ist der Anstieg der Viskosität allerdings nur moderat. Aus

diesem Grund wurden weitere Magnetpartikel mit höhe-

rer initialer Permeabilität als Alternative zu Carbonyleisen

untersucht, z.B. Cobalt und Superpermalloys.

Für die Magnetfeldsimulation wurden geeignete Modelle

entwickelt. Unter Verwendung der Materialdaten der ma-

gnetorheologischen Fluide und der Anwenderwerkstoffe

ist es möglich, die Magnetfelder im Strömungskanal zu

berechnen und somit die Vorrichtungen für die Bearbei-

tungsversuche auszulegen. Die partikelbasierte Abtrennsi-

mulation auf der Längenskala individueller Abrasivkörner

wurde erfolgreich entwickelt und bereits anhand von

Prozesssimulationen demonstriert.

Beim HE-Verrunden von Einspritzdüsen mit Smart Fluid

Typ A zeigte sich keine signifikante Erhöhung des Zeitspan-

volumens, wenn ein elektromagnetisches Feld zugeschal-

tet war. Eine potenzielle Ursache dafür könnte die hohe

Strömungsgeschwindigkeit in Kombination mit noch zu

geringer Flussdichte (350 Millitesla) sein. Versuche mit ei-

nem Array aus Permanentmagneten – mit Feldstärken von

bis zu 1,2 Tesla – sollen weitere Erkenntnisse bringen.

Beim Strömungsschleifen von Referenzbauteilen aus Edel-

stahl, Grauguss sowie additiv hergestellten Aluminium-,

Nickelbasis- und Titanlegierungen steigt bei maximalen

Feldstärken von bis zu 215 Millitesla das Zeitspanvolumen

um bis zu 30 Prozent. Es laufen noch weitere Versuche auf

einer Produktionsanlage, bei denen Realbauteile der indus-

triellen Anwender unter simulationsbasiert optimierten

Magnetfeldern bearbeitet werden.

Projektpartner

- Bosch Rexroth AG

- citim GmbH

- Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien

und Systeme IKTS

- Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und

Konstruktionstechnik (IPK)

- Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

- Perfect Finish GmbH

- Robert Bosch GmbH

- Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG

- SiC Processing Deutschland GmbH

- Vollstädt-Diamant GmbH

- Zeller+Gmelin GmbH & Co. KG

30 31

Wellenreiter

Motivation

Der globale Wettbewerb und hohe Kundenansprüche erfor-

dern kürzere Produktlebenszeiten, eine höhere Typenzahl der

Produkte und sinkende Stückkosten bei steigender Qualität.

Diesen Herausforderungen müssen Hersteller durch flexiblere

Fügeprozesse begegnen – beispielsweise durch modularisierte

Systeme, bei denen ein breites Spektrum an Fertigungsprozes-

sen, Materialien und Bauteilen eingesetzt werden kann. Um

die Prozessgrenzen beim Fügen durch Umformen zu erwei-

tern, bieten sich ultraschallunterstützte Fügetechnologien an.

Diese ermöglichen die notwendige Flexibilisierung der Füge-

anlagen und -prozesse bei verbesserter Qualität der Fügestelle.

Innovation

Das Fügen durch Umformen und Verstemmen ist ein

etabliertes Verfahren. Jedoch führen hohe Prozesskräfte,

Einschränkungen bezüglich hochfester Werkstoffe und

fehlendes wissenschaftliches Detailverständnis dazu,

dass der Einsatz dieses Fügeverfahrens begrenzt ist. Ältere

Studien zeigen, dass durch Schwingungsüberlagerung mit

Ultraschall eine Kraftreduktion von bis zu 60 Prozent bei

Drahtziehen, Tiefziehen und Scherschneiden möglich ist. Das

Projektziel bestand daher darin, den Einfluss der Ultraschall-

unterstützung auf das Stauchen und das Verstemmen zu

untersuchen. Das auf diese Weise erzielte wissenschaftliche

Prozessverständnis ermöglicht eine Qualitätsverbesserung

der Fügeverbindung sowie eine deutliche Verringerung der

Prozesskräfte. Dadurch entstehen größere Spielräume bei der

Bauteilauslegung.

Eine wesentliche Innovation besteht darin, hochfeste,

konventionell schwer zu fügende Werkstoffe mithilfe des

neuen Verfahrens fügen zu können. Verringerte Prozesskräfte

ermöglichen eine Neuauslegung und Miniaturisierung der

Bauteile. Dies führt auch zur Einsparung von Ressourcen. Die

optimierte laserbasierte Messtechnik zur Schwingungsana-

lyse, Schwingsysteme für eine optimierte Verfahrensführung

und Maßnahmen zur Minimierung der Ultraschall-Emissi-

onen sind neben dem Fügeprozess weitere wichtige Ent-

wicklungen. Dazu zählt auch die simulative Abbildung der

ultraschallüberlagerten Prozesse, die die Prozessauslegung

unterstützt.

Kontakt

Dr. Elmar Kroner

Robert Bosch GmbH

Robert-Bosch-Campus 1

71272 Renningen

Telefon: 0711 811-10503

E-Mail:

elmar.kroner@de.bosch.com

UltraCaulk – Ultraschallunterstütztes Umformen und Verstemmen

Verfahren

Umformen

Werkstoffe

Stahl

Fe

Anwender

Maschinenbau Automobil Luftfahrt

Aluminium

Al

Hybride Verfahren

Ergebnisse

Zwei Versuchsanlagen dienten zur Untersuchung des Ein-

flusses von Ultraschall auf das Stauchen und das Verstem-

men. Die Ultraschall-Schwingsysteme einschließlich der

Generatoren stellten neben den eigentlichen Pressen die

wesentlichen Bestandteile der Anlagen dar. Da es sich bei

den ultraschallunterstützten Fügeverfahren um hochdyna-

mische Prozesse handelt, waren entsprechende Messtech-

niken essenziell. Zur Charakterisierung der Prozessführung

kam ein Laservibrometer zum Einsatz, das zeitlich und

räumlich hochauflösende Echtzeitmessungen ermöglichte.

Erfolgreicher Nachweis der Kraftreduktion

Es konnte gezeigt werden, dass der Einsatz von Ultraschall

zu einer Kraftreduktion von bis zu 55 Prozent beim Stau-

chen und – je nach Prozessführung – von 60 bis 80 Prozent

beim Verstemmen führt. Zur Erklärung der kraftreduzieren-

den Effekte wurden die in der Literatur gängigen Theorien

untersucht: Reibungsreduktion durch Ultraschall, Mate-

rialerweichung durch Temperatureintrag, Kraftreduktion

durch Superposition sowie der sogenannte Blaha-Effekt,

bei dem der Ultraschall zu einer hohen Beweglichkeit von

Materialdefekten und somit einer Materialerweichung

führt. Die durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass

der wesentliche Beitrag zur Kraftreduktion beim Verstem-

men durch das Superpositionsprinzip, also die Kräfte-

überlagerung der statischen und dynamischen Kräfte,

verursacht wird. Die auf den Testanlagen gewonnenen

Erkenntnisse wurden anschließend auf Produktionsan-

lagen übertragen. Erste Ergebnisse zeigten sowohl eine

deutliche Reduktion der Prozesskraft als auch verbesserte

Eigenschaften der Fügestelle. So konnte im Prozess die

Verstemmkraft um 75 Prozent reduziert werden, wobei die

Festigkeitswerte der Verstemmung im Berstdruckversuch

signifikant erhöht wurden.

Um Mitarbeiter und Umwelt vor hoher Lärmemission zu

schützen, haben die Projektpartner eine Schallschutzhaube

entwickelt. Sie ist in der Lage, die Schallabstrahlung von

über 120 Dezibel auf 65 Dezibel zu senken und damit das

gefahrlose Arbeiten ohne Gehörschutz zu ermöglichen.

Simulationsmodelle zur Prozessunterstützung

Ein weiterer Schwerpunkt bestand in der Simulation des

Schwingungsverhaltens der Prüfeinrichtungen. Die neu

entwickelten Finite-Elemente-Modelle zeigten, dass die

Kontaktbedingungen sowie die Elastizität des Gesamt-

systems eine hohe Relevanz für ultraschallunterstützte

Fügeverfahren haben. Mithilfe neuer elastoplastischer Ma-

terialmodelle ist es zudem möglich, das Fließverhalten der

Werkstoffe während der Umformprozesse nachzubilden.

Damit sind die Grundlagen zur simulativen Unterstützung

der Prozessführung geschaffen.

Projektpartner

- Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg −

Institut für Maschinenbau − Lehrstuhl für Fertigungs-

technologie

- MATFEM Partnerschaft Dr. Gese & Oberhofer

- Metal-Con GmbH

- POLYTEC GmbH

- Robert Bosch GmbH

- Telsonic GmbH

32 33

Good Vibrations

Motivation

Im Automobilbau setzt man zunehmend auf innovative

Verbundwerkstoffe, um die Fahrzeuge leiser, leichter und

sparsamer zu gestalten. Beispiele für diese Werkstoffe sind

faserverstärkte Keramiken oder Kunststoffe. Ihre schwere

Zerspanbarkeit ist ein wesentlicher Grund dafür, dass sie

noch nicht uneingeschränkt in der Serienfertigung zum

Einsatz kommen. Mit den Entwicklungen innerhalb des

Verbundes ULTRASPAN könnte sich das ändern.

Innovation

Der technologische Ansatz besteht im Zusammenwirken

von einem innovativen Werkzeug und Ultraschallschwin-

gungen. Es kommt vor allem darauf an, das Zusammenspiel

beider Faktoren – Werkzeug und Ultraschall – zu optimieren.

Erforderlich sind dazu neuartige Werkzeug- und Fertigungs-

konzepte sowie Schwingungsaktoren für eine robuste und

reproduzierbare Zerspanung mit Ultraschallüberlagerung

bei erhöhten Schnittgeschwindigkeiten, besseren Werkzeug-

standzeiten und höherer Bauteilqualität. Für eine serien-

taugliche Entwicklung der ultraschallunterstützten Zerspa-

nung wurden zwei neuartige modulare Schwingsysteme und

Zerspanungswerkzeuge entwickelt.

Das Schwingsystem erzeugt zum einen longitudinale

Ultraschallschwingungen mit großen Schwingamplituden.

Zum anderen überlagern Schwingsysteme die rotatorische

Hauptschnittbewegung beim Bohren oder Fräsen mit einer

gleichartigen Schwingbewegung. Konzepte zur Hochleis-

tungsabsaugung schützen nicht nur den Bediener und die

bewegten Komponenten der Werkzeugmaschine, sondern

entfernen auch effektiv hochabrasive Faserstäube aus der

Zerspanzone. Letzteres führt zu einer deutlichen Erhöhung

der Werkzeugstandzeit. In die neuen technologischen

Lösungen sind Erkenntnisse über die im ultraschallunter-

stützen Prozess auftretenden Belastungen an Bauteil und

Werkzeug eingeflossen.

Kontakt

Dr. Jens Ketelaer

SAUER GmbH

Gildemeisterstraße 1

55758 Stipshausen

Telefon: 06544 99199-67

E-Mail: jens.ketelaer@dmgmori.com

ULTRASPAN – Hochleistungsbearbeitung von schwer spanbarenWerkstoffen durch hybride ultraschallunterstützte Zerspanung

Verfahren

Trennen

Keramik

Werkstoffe

Luftfahrt

CFK

Automobil

Anwender

Maschinenbau

Metalle

Ergebnisse

Zur Bearbeitung von Faserverbundwerkstoffen mittels Ultra-

schallunterstützung wurden einerseits die bisherigen Grenzen

longitudinaler Schwingungssysteme erweitert und anderer-

seits Systeme auf der Basis von Torsionsschwingungen entwi-

ckelt. Damit sind künftig deutlich mehr Bearbeitungsprozesse

im Bereich der Ultraschall-Zerspanung möglich.

Hinsichtlich der Werkzeugentwicklung hat die Anwendung

keramischer Werkzeugsubstrate den Vorteil, dass keine auf-

wendigen Vorbehandlungsverfahren notwendig sind, um eine

ultraschallbelastungsgerechte Schicht-Substrat-Anbindung

zwischen Werkzeug und CVD(Chemical Vapor Deposition)-

Diamant zu erzeugen. Allerdings besteht die Herausforde-

rung darin, verschleißbeständige Schneidstoffe in präzise

Werkzeugmikro- und -makrogeometrien zu überführen,

um ein ideales Zerspanverhalten des Fräsers zu generieren.

Die Untersuchungen mit unbeschichteten sowie mit CVD-

diamantbeschichteten Siliziumnitriden zeigen positive Effekte

auf die Fasertrennung und daraus resultierend auf die erzeug-

ten Bauteilqualitäten. Hauptgrund hierfür ist die im Vergleich

zu Hartmetall unterschiedliche Schneidkantenverschleißaus-

bildung der keramischen Schneidstoffe.

Eine neu entwickelte, hocheffiziente Staubabsaugung

ermöglicht eine schnelle Absaugung der Stäube. Sie gibt die

Maschinentüren erst dann frei, wenn der Bediener sie gefahr-

los öffnen kann. Das auf einer Raumabsaugung basierende

System wurde mithilfe einer CFD(Computer Fluid Dynamics)-

Simulation ausgelegt.

Die neu entwickelten Longitudinal- und Torsions-Ultraschall-

aktoren verfügen über piezoelektrische Hochleistungswerk-

stoffe mit sehr hoher Leistungsdichte und hohem Wirkungs-

grad für die Wandlung von elektrischer Energie in Ultraschall-

schwingungsenergie. Weiterhin dienen Schrumpfaufnahmen

als Schnittstelle zum angeregten Werkzeug. Diese garantiert

aufgrund des spielfreien Übergangs zwischen Werkzeug und

Booster eine maximale Energieübertragung ohne Reibungs-

verluste. Damit können deutlich höhere Schwingamplituden

erreicht werden, was die Einstellmöglichkeiten des utraschall-

unterstützten Bearbeitungsprozesses erheblich erweitert.

Ein weiteres Ergebnis ist ein variables vakuumunterstütztes

Werkstückspannsystem, mit dem sich faserverstärkte Rah-

menkomponenten aus dem Automobilbereich sicher fixieren

lassen. Dieses System kann schnell an die zu bearbeitende

Bauteilkontur angepasst werden.

Bei der Prozessentwicklung für die qualitätsorientierte Bear-

beitung von faserverstärkten Kunststoffen lag der Fokus auf

der Entwicklung von geeigneten Werkzeuggeometrien und

Prozessstrategien. Es zeigte sich, dass eine Hochgeschwindig-

keitsstrategie mit Schnittgeschwindigkeiten jenseits von

1.600 Metern pro Minute zu einer signifikanten Verbesserung

des Bearbeitungsergebnisses führt. Zudem hat die Ultraschall-

überlagerung gerade bei der Zerspanung von faserverstärkten

Kunststoffen Einfluss auf die entstehenden Staubfraktionen,

das Bearbeitungsergebnis, den Werkzeugverschleiß und die

Zerspankräfte. Mittels eines neu entwickelten zweistufigen

Werkzeugs, das über eine drückende und eine ziehende

Schneidkantengeometrie verfügt, konnte die Zerspanung

weiter verbessert werden.

Projektpartner

- Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft

- Brembo SGL Carbon Ceramic Brakes GmbH

- CeramTec GmbH

- FCT Ingenieurkeramik GmbH

- Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und

Umformtechnik (IWU)

- Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH

- Oerlikon Balzers Coating Germany GmbH

- Ott-Jakob Spanntechnik GmbH

- SAUER GmbH

- Technische Universität Berlin – Institut für Werkzeug-

maschinen und Fabrikbetrieb, Fachgebiet Werkzeug-

maschinen und Fertigungstechnik

34 35

www.benchwerk.de