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Fertigungstechnik

  • Erstellung von Literatur- und Patentrecherchen auf den Gebieten der Werkzeug- und Zerspantechnik
  • Beratung zur Auswahl von Schneidstoffen, Werkzeugen und Zerspanparametern
  • Vorausberechnung von geeigneten Werkzeugkonfigurationen und technologischen Parametern unter Anwendung moderner Simulationswerkzeuge
  • Durchführung von Untersuchungen zur Zerspanbarkeit von Werkstoffen und Ableitung von Handlungsempfehlungen
  • Erarbeitung und optimale Gestaltung von Fertigungstechnologien für die Verfahren Drehen, Fräsen und Bohren
  • Unterstützung bei der Einführung neuer Fertigungstechnologien in der Industrie
  • Partnerschaft bei der Realisierung von Forschungsprojekten zu Themen der Werkzeug- und Zerspantechnik sowie moderner Fertigungstechnologien einschließlich Mikrozerspanung
  • Verfügbarkeit gerätetechnischer Voraussetzungen zur Erfassung werkzeug- und werkstückseitiger sowie prozessbegleitender Kenngrößen beim Drehen, Fräsen und Bohren:

    werkzeugseitig: Verschleißzustand nach definierten Schnitt- bzw. Vorschubwegen
    werkstückseitig: Maß, Form, Rauheit, Oberflächenbeschaffenheit
    prozessbegleitend: Komponenten der Zerspankraft, Schwingungen

Aktuelle Forschungsprojekte

  • Forschungsbereich: Fertigungstechnologien
  • Projektleiterin: Prof. Dr.-Ing. Marlies Patz
  • Kurztitel: SamurAi
  • Laufzeit: 01. Januar 2019 - 31. Dezember 2020
  • Fördermittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
  • Fördersumme: 186.279 €
  • Förderkennzeichen: ZF417003
  • Link zum Factsheet: SamurAi

Der Gegenstand des Vorhabens besteht in der Entwicklung eines mikrostrukturierten Fräswerkzeuges mit neuartiger reibungsmindernder Weichstoffbeschichtung für die Bearbeitung von Aluminium. Auf der Grundlage einer umfangreichen Simulationsstudie ist zunächst eine, für den Einsatzfall optimale, Mikrostrukturgeometrie auszuwählen. Bei den Mikrostrukturen handelt es sich um grabenförmige Vertiefungen, welche in die Spanflächen eingebracht sind und parallel zu den Schneiden verlaufen. Diese Vertiefungen werden mit einer Weichstoffbeschichtung befüllt und dienen als Reservoirs für den Festschmierstoff. Während der Bearbeitung verteilt sich, bedingt durch den darüber hinweg fließenden Span, der Weichstoff auf den Spanflächen des Werkzeuges. Durch die günstigen Reibungseigenschaften des Weichstoffes werden die Verschleißerscheinungen reduziert und das Standvolumen der Werkzeuge wird angehoben. Derzeit existiert weder die Strukturierungs- noch die Beschichtungstechnologie, um solche Werkzeuge herstellen zu können. Daher sollen beide Technologien entwickelt und Prototypen zur Erprobung hergestellt werden.

Abgeschlossene Forschungsprojekte

  • Forschungsbereich: Fertigungstechnologien
  • Projektleiterin: Prof. Dr.-Ing. Marlies Patz
  • Kurztitel: MiWaKü
  • Laufzeit: 01. Oktober 2016 – 31. März 2019
  • Fördermittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
  • Förderersumme: 153.069 €
  • Förderkennzeichen: ZF4171002

Im Hinblick auf eine wirtschaftliche und ressourcenschonende Bearbeitung von Hochleistungswerkstoffen konzentrieren sich aktuelle Werkzeugentwicklungen meist auf die Steigerung der Prozesssicherheit bei simultaner Erhöhung der Zerspanleistung und der Reduzierung notwendiger Kühlmedien. Im Ergebnis werden vorzugsweise kostenintensive Sonderwerkzeuge in einem genau definierten Prozessfenster eingesetzt. Entgegen dieses Trends wurde in einem Forschungsvorhaben ein progressives Werkzeugsystem entwickelt, gebaut und evaluiert, welches den steigenden Anforderungen durch die Applikation von Mikrostrukturen gerecht werden soll. Der Einsatz von Lasertechnologien, wie der Ultrakurzpuls- (UKP) Bearbeitung, ermöglicht das Herstellen derartiger Strukturen. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden die Potenziale der UKP-Bearbeitung zunächst an Wendeschneidplatten für die Drehbearbeitung evaluiert. Konkret erfolgten in einem ersten Schritt die Erzeugung V-förmiger Mikrostrukturen in die Spanfläche und in einem zweiten Schritt das Einbringen der Mikrobohrungen mittels einer Trepanieroptik im Wendelbohrverfahren über die Rückseite der Schneidplatten. Durch die Mikrobohrungen wird der Kühlschmierstoff (KSS) in den Kontaktbereich zwischen Span und Spanfläche injiziert. Infolge der gleichmäßigen Benetzung des Kontaktbereiches, aufgrund der kleineren Kontaktlänge zwischen Span und Spanfläche sowie durch das Vorhandensein der Mikrostrukturen (größere Fläche zur Wärmeableitung) liegt im Schneidkeil ein reduzierter Wärmeeintrag vor.

Die notwendigen Geometrie- und Lagedefinitionen für die V-förmigen Mikrostrukturen in der Spanfläche sowie für die Mikrobohrungen erfolgten auf Basis von numerischen Zerspan- und Fluidsimulationen. Das Ziel der Arbeiten besteht letztlich in einer Reduzierung des thermo-mechanischen Belastungskollektivs sowie in einer Steigerung des Standvolumens.

  • Forschungsbereich: Fertigungstechnologien
  • Projektleiterin: Prof. Dr.-Ing. Marlies Patz
  • Kurztitel: WeZo
  • Laufzeit: 01. Juli 2014 – 29. Februar 2016
  • Fördermittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
  • Fördersumme: 175.000 €
  • Förderkennzeichen: KF2156316

Bei der Zerspanung von Gradientenwerkstoffen treten oftmals Probleme bezüglich Wirtschaftlichkeit und Qualität auf. Deshalb wurden im Rahmen dieses FuE-Vorhabens ein neuartiges Schaftfräswerkzeug sowie die zugehörige Technologie speziell für die Bearbeitung von Zonenübergängen (hochhart-hart) an Werkstücken mit auftraggeschweißten Werkstoffschichten entwickelt und erprobt. Das zu bearbeitende Werkstück bestand aus einem vergüteten Grundwerkstoff, auf dem mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen eine hochharte Werkstoffschicht aufgebracht wurde. Zur Bearbeitung derartig gefertigter Werkstücke mit befriedigendem Fertigungsergebnis existierten am Markt weder Werkzeuge noch effiziente Bearbeitungsstrategien.

  • Forschungsbereich: Fertigungstechnologien
  • Projektleiterin: Prof. Dr.-Ing. Marlies Patz
  • Kurztitel: PROWIMER
  • Laufzeit: 01. Oktober 2011 – 31. Mai 2015
  • Fördermittelgeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
  • Fördersumme: 285.173 €
  • Förderkennzeichen: 17N2511

Hohe Produktivität und geringe Kosten sind für produzierende Unternehmen Grundvoraussetzungen, um im internationalen Wettbewerb bestehen zu können. Für spanende Verfahren bedeutet das, die Leistungsfähigkeit der Maschinen und Werkzeuge möglichst voll auszunutzen. Jedoch führen die statischen und dynamischen Eigenschaften der eingesetzten Maschinen, Chargen- und Härteschwankungen des Werkstückwerkstoffes sowie auch das Einsatzverhalten der verwendeten Werkzeuge zu teilweise erheblichen Unterschieden in den Fertigungsergebnissen. Dies spiegelt sich beispielsweise in stark unterschiedlichen Standzeiten auch gleichartiger Werkzeuge oder in Differenzen bei den erreichten Oberflächenqualitäten wider. Zur Vermeidung von Produktionsfehlern und zur Gewährleistung der Prozesssicherheit werden deshalb die Werkzeuge vielmals mit zu geringen Zerspanparametern eingesetzt oder schon vor Erreichen des Standkriteriums ausgewechselt. Dadurch entstehen Nachteile in wirtschaftlicher Hinsicht.

Die im Rahmen des Forschungsvorhabens realisierten Arbeiten beinhalteten Untersuchungen, die eine Minimierung der mit oben genannten Problemen zusammenhängenden wirtschaftlichen Nachteile zum Ziel hatten. Im Mittelpunkt stand dabei die Schaffung von Voraussetzungen zur Bereitstellung optimal gestalteter Zerspanungswerkzeuge und – technologien insbesondere für den Anwendungsbereich Werkzeug- und Formenbau. Aufbauend auf einer umfangreichen Analyse des Ist-Zustandes erfolgten im Rahmen eines iterativen Prozesses Untersuchungen zur optimalen Gestaltung von Werkzeug und Technologie durch schrittweise Variation einzelner Parameter. Dabei wurden die jeweils zu verwendenden Werkzeuge und Werkstoffe vor ihrem Einsatz hinsichtlich der fertigungs- und stofftechnisch relevanten Eigenschaften charakterisiert. Die Beurteilung des jeweils erzielten Fertigungsergebnisses erfolgte durch die Erfassung und Analyse werkzeug- und werkstückseitiger sowie prozessbegleitender Kenngrößen. Konkret sind diesbezüglich die am Werkzeug auftretenden Verschleißerscheinungen, die Rauheit auf den Werkstückflächen, die Komponenten der Zerspankraft sowie die während der Bearbeitung auftretenden Schwingungen zu nennen.

Die Arbeiten zur optimalen Gestaltung von Werkzeugen und Technologien auf rein experimentellem Wege sind jedoch sehr zeitaufwändig und kostenintensiv. Aus diesem Grunde wurde unterstützend eine moderne Simulationssoftware zur Vorausberechnung geeigneter Werkzeugkonfigurationen und technologischer Parameter auf der Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) eingesetzt.