Clevere Reaktionen auf intelligente Mischbauweisen

Vor allem in Sachen Leicht­bau sind Alle­ingänge bei den Werk­stof­fen passé. Gefragt ist die intel­li­gente Mis­chbauweise – zum Beispiel mit Schicht­en aus Kun­st­stoff, Alu­mini­um oder Stahl. Doch wie lassen sich Hybrid­bauteile bear­beit­en, deren Eigen­schaft sich mit jed­er Werk­stoff­schicht ändert? Antworten auf diese Frage bieten nicht nur die Lösun­gen der Werkzeug­in­dus­trie auf der EMO Han­nover 2019 im Sep­tem­ber, son­dern einige Monate früher auch Prof. Frank Barthelmä, Geschäfts­führer der GFE — Gesellschaft für Fer­ti­gung­stech­nik und Entwick­lung Schmal­ka­lden e.V.

Frank Barthelmä, GFE-Geschäftsführer: „Mich interessieren auf der EMO Hannover 2019 besonders Anwendererfahrungen nach dem Motto „Aus der Praxis – für die Praxis“ entlang der gesamten Prozesskette.“
Frank Barthelmä, Geschäfts­führer der GFE.

Herr Pro­fes­sor Barthelmä, Werkzeug­forsch­er wie Sie haben sich schon seit län­gerem auf die Her­aus­forderung Hybrid eingestellt.  Welche The­men sind aktuell bei der klas­sis­chen Werkzeugtech­nik beson­ders gefragt?

Frank Barthelmä: Aus Sicht der Werkzeugtech­nik wird es immer dann span­nend, wenn Anwen­der unter­schiedliche Werk­stoffe inner­halb eines Bauteils möglichst mit ein- und dem­sel­ben Werkzeug bear­beit­en wollen — und das natür­lich wirtschaftlich. Typ­is­che Beispiele sind Ver­bundw­erk­stoffe wie Alu­mini­um mit Titan, Faserver­bundw­erk­stoffe in Verbindung mit Met­allen bis hin zu Mehrla­gen-Schicht­sys­te­men. Anwen­dun­gen gibt es in der Luft- und Raum­fahrt, dem Auto­mo­bilin­dus­trie und zunehmend auch im Maschi­nen- und Anla­gen­bau. Hier „begeg­net“ die Werkzeugschnei­de unter­schiedlichen Anforderung­spro­filen: Als eine Her­aus­forderung sehe ich die Bear­beitung beispiel­sweise von soge­nan­nten Hart-Weich-Kom­bi­na­tio­nen mit ihren „Zonenübergän­gen“.

 

Was bedeutet das für das „Werkzeug-Dreige­stirn“, also das Zusam­men­spiel von Schnei­d­stoff, Geome­trie und Beschich­tung?

Frank Barthelmä: Die Forschungs- und Entwick­lungsar­beit­en müssen sich auf die Gesamtheit dieser Fak­toren beziehen, also auch auf deren Wech­sel­wirkun­gen untere­inan­der. Wurde beispiel­sweise eine Verän­derung beim Schnei­d­stoff vorgenom­men oder eine neue Schnei­den­ge­ome­trie entwick­elt, muss der Werkzeu­gen­twick­ler auch die Beschich­tung bzw. die Beschich­tung­stech­nolo­gie anpassen. Er muss aber nach wie vor auch auf die Schnei­den­mikro­ge­ome­trie acht­en, also auf die Schnei­d­kan­te­naus­prä­gung unmit­tel­bar im Über­gangs­bere­ich von Haupt- und Neben­schnei­de. Ger­ade für schw­er span­bare Hybrid­w­erk­stoffe ist dies von beson­der­er Bedeu­tung. Vor kurzem hat der VDMA-Fachver­band Präzi­sion­swerkzeuge ein Forschung­spro­jekt ges­tartet, in dem die GFE gemein­sam mit Part­nern aus Indus­trie und Forschung der­ar­tige Wirkzusam­men­hänge in Verbindung mit opti­mal auf den jew­eili­gen Zerspan­prozess zugeschnit­te­nen Schnei­den­mikro­ge­ome­trien unter­sucht.

Im EU-Projekt DynaTool wurde untersucht, wie sich mit Sensorik in Werkzeugen und Werkzeugaufnahmen schwingungsstabile Zerspanungsprozesse gestalten lassen.
Im EU-Pro­jekt Dyna­Tool wurde unter­sucht, wie sich mit Sen­sorik in Werkzeu­gen und Werkzeu­gauf­nah­men schwingungssta­bile Zerspanung­sprozesse gestal­ten lassen.

Zunehmend kommt aber ergänzend die Dig­i­tal­isierung ins Spiel, die mit Hil­fe von Sen­sorik und Algo­rith­men das Zerspanen in Schichtwerk­stof­fen durch angepasste Schnei­d­prozesse erle­ichtert. Wie unter­stützen Sie die Werkzeug­in­dus­trie und deren Anwen­der mit aktuellen Forschungsvorhaben? 

Frank Barthelmä: In Sachen Sen­sorik gab es bere­its einige „rev­o­lu­tionäre“ Entwick­lun­gen wie die Dünnschicht­sen­sorik, die sich für den Ein­satz u.a. in Werkzeu­gen eignet. Bei der Bau­größe hat es enorme Fortschritte in Rich­tung Minia­tur­isierung bei gle­ich­er oder erweit­ert­er Leis­tungs­fähigkeit gegeben. Verbessert hat sich auch die Fähigkeit, Dat­en zu gener­ieren und zu trans­portieren. Wichtig ist aber jet­zt, aus der teil­weise unge­heuren Anzahl an erzeugten Dat­en genau die Richti­gen her­auszu­fil­tern und sin­nvoll auszuw­erten. Die Date­n­analyse soll­ten jedoch nicht nur Werkzeug­fach­leute, son­dern auch Messtech­nik- und Elek­tron­ikfach­ex­perten bis hin zu IT- Spezial­is­ten übernehmen. Das wird generell kün­ftige Forschung­spro­jek­te ausze­ich­nen. Gefragt ist außer­dem die frühzeit­ige Ein­beziehung der eigentlichen Endan­wen­der.

Lassen sich Erfahrun­gen aus dem von Ihnen gemein­sam mit inter­na­tionalen Part­nern bear­beit­eten EU-Pro­jekt „Dyna-Tool – Effizien­zsteigerung in der spanen­den Bear­beitung“ auch auf Hybrid­w­erk­stoffe über­tra­gen

Frank Barthelmä:  Ja, denn die Werk­stoffe in einem Hybrid­bauteil besitzen unter­schiedliche Eigen­schaften wie Härte oder Struk­tur. Die Sen­sorik muss in der Lage sein, diese Eigen­schaften hin­re­ichend genau zu reg­istri­eren bzw. zu analysieren, um daraus ver­w­ert­bare Aus­sagen für die Prozess­gestal­tung abzuleit­en. So kann ver­hin­dert wer­den, dass sich ein Prozess „auf­schaukelt“: Das also zum Beispiel uner­wün­schte Schwingun­gen entste­hen. Wie das bere­its im Ansatz durch rechtzeit­iges Ein­greifen in den Prozess ver­hin­dert wer­den kann, beweisen Pro­jek­te wie Dyna-Tool. Dort ging es darum, wie sich mit Sen­sorik in Werkzeu­gen und Werkzeu­gauf­nah­men trotz Schwingun­gen Zerspanung­sprozesse sta­bil­isieren lassen.

Die GFE stellte in Schmalkalden Werkzeug-träger vor, die in Schichtbauweise entstan-den. Die Masse des Gesamtwerkzeuges sinkt dabei, trotzdem neigen sie gerade bei höheren Drehzahlen seltener zu Schwingun-gen.
Die GFE stellte in Schmal­ka­lden Werkzeug-träger vor, die in Schicht­bauweise entstan-den. Die Masse des Gesamtwerkzeuges sinkt dabei, trotz­dem neigen sie ger­ade bei höheren Drehzahlen sel­tener zu Schwingun-gen.

Doch nicht nur Werk­stücke, son­dern auch Werkzeuge gibt es in hybrid­er Schicht­bauweise, die dann teil­weise auch addi­tiv hergestellt wer­den. Wie wirkt sich der 3D-Druck auf die Ver­hal­tensweise dieser Hybrid­w­erkzeuge (Elas­tiz­ität, Ver­schleiß, Schwingungsver­hal­ten) auf das Zerspanen aus, auf was muss der Anwen­der acht­en?

Frank Barthelmä: Hier gilt natür­lich der Grund­satz, dass ein hybrides beziehungsweise addi­tiv gefer­tigtes Werkzeug nicht nur gle­iche, son­dern eher verbesserte Eigen­schaften aufweisen muss als die herkömm­lichen Werkzeuge. Und das ist in jedem Falle dort gegeben, wo sich mit addi­tiv­en Ver­fahren Formele­mente oder Geome­trien erzeu­gen lassen, die sich son­st nicht ver­wirk­lichen ließen. Natür­lich ist hier auch der Leicht­bau ein großes The­ma. Auf der Schmal­ka­lden­er Werkzeug­ta­gung zeigten wir im GFE-Ver­suchs­feld beispiel­sweise große Bohrer in Hybrid­bauweise: Für Aus­bohrw­erkzeuge mit großem Durchmess­er haben wir  die soge­nan­nte Tra­verse in Schicht­bauweise real­isiert und durch geschick­te Anord­nung von Hohlraum­struk­turen im Innern des Werkzeug­grund­kör­pers die Masse des Gesamtwerkzeuges bei nachgewiesen­er gle­ich­er Sta­bil­ität wesentlich senken kön­nen. Ein weit­er­er Vorteil neben der Gewicht­serspar­nis ist, dass die Werkzeuge vor allem bei höheren Drehzahlen sel­tener zum Schwin­gen neigen und infolge des ruhi­gen Laufes eine Verbesserung der Qual­ität der Bohrun­gen erre­icht wird.

Mehr über diese und weit­ere Pro­jek­te erfahren Inter­essen­ten im Sep­tem­ber 2019 auf der EMO Han­nover und den dor­ti­gen Foren des VDMA Fachver­bands Präzi­sion­swerkzeuge: Welche The­men lock­en Sie in Han­nover beson­ders – auch mit Blick auf Hybrid­w­erk­stoffe?

Frank Barthelmä: Mich inter­essieren beson­ders Anwen­der­erfahrun­gen nach dem Mot­to „Aus der Prax­is – für die Prax­is“ – und zwar ent­lang der gesamten Prozess­kette. Span­nend wären Erfahrun­gen, die vielle­icht sog­ar beim Werk­stoffher­steller von „Hybrid­w­erk­stof­fen“ begin­nen und bis zum Endan­wen­der reichen:  Inter­es­sant wären für mich außer­dem Ein­satzbeispiele von Hybrid­w­erk­stof­fen und -bauteilen ein­schließlich ihrer Wirkung auf die Energie- und Kosten­bi­lanz des Fer­ti­gung­sprozess­es.

 

Inter­view­er: Niko­laus Fecht, Gelsenkirchen
Bildquelle: GFE

Kategorien: 2019, März