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Aluminiumfräsen Hybride Werkzeugaufnahme dämpft Schwingungen beim Zerspanen

| Autor / Redakteur: Florian Vogel, Sebastian Berger und Prof. Dirk Biermann / Peter Königsreuther

Ein Forscherteam an der TU Dortmund hat durch den Einsatz partikelgefüllter HSK63-Werkzeugaufnahmen eine neue Methode entwickelt, mit der Aluminiumbauteile schwingungsärmer zerspant werden können.

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Bild 1: Unter der Referenzwerkzeugaufnahme sind die drei untersuchten hybrid-additiv gefertigten Varianten dargestellt.
Bild 1: Unter der Referenzwerkzeugaufnahme sind die drei untersuchten hybrid-additiv gefertigten Varianten dargestellt.
(Bild: ISF)

Möglichst immer mehr leichte Materialien im Automobil- und Flugzeugbau zu verwenden, soll dabei helfen, die Umweltziele in Sachen reduzierter Verbrauch fossiler Energieträger zu erreichen [1]. So soll auch der Kampf gegen Feinstaub und CO2-Emissionen gewonnen werden. Damit auch Leichtbauteile den spezifischen Sicherheitsbestimmungen genügen sowie die geforderte Lebensdauer erreichen, sind zum Beispiel entweder innovative, höherfeste Werkstoffe oder eine umfassende Überarbeitung des Komponentendesigns erforderlich [1, 2]. Letzteres heißt in der Regel eine Zunahme der Bauteilkomplexität sowie die Integration zusätzlicher Versteifungselemente in die Konstruktion. Doch damit wird der Herstellungsprozess, im Speziellen eine nötige Fräsbearbeitung, erheblich komplizierter. Nicht selten sind für die Bearbeitung der aus dem Leichtbaukonzept her resultierenden Kavitäten und Strukturelemente lang auskragende Werkzeuge erforderlich. Diese sind aber weniger steif als kürzere Varianten.

Der Clou: Hybrid-additiv gefertigte Werkzeugaufnahmen

Lange Werkzeuge führen jedoch auch bei unkritischen Prozessparametern oft zu regenerativen Ratterschwingungen. Das Rattern beeinträchtigt die Oberflächengüte und kann sogar Beschädigungen des Bauteils mit sich bringen. Zudem steigt der Werkzeugverschleiß [3, 4]. Um derartige Schwingungen zu dämpfen und so auch bei kritischen Randbedingungen prozesssicher fräsen zu können, wird derzeit am Institut für Spanende Fertigung der TU Dortmund der Einsatz hybrid-additiv gefertigter, partikelgefüllter HSK63-Werkzeugaufnahmen untersucht. Dabei wurde deutlich, dass durch ein mit geeigneten Partikeln gefülltes, torusförmiges Hohlelement, das sich im additiv gefertigten HSK63-Schaft befindet, beim Fräsen von Al7075 die Prozessstabilität signifikant gesteigert werden kann.

Die Fertigung dieser speziellen Werkzeugaufnahmen erfolgte mithilfe des SLM-Verfahrens (Selective Laser Melting). Auf konventionell hergestellten HSK63-Grundkörpern wurden dabei die HSK63-Schäfte aus einem 1.279-Pulverwerkstoff der Partikelgröße dP = 0,02 bis 0,063 mm (Schüttdichte ρs = 4,02 g/cm³) mit einer Layerdicke von sL = 0,04 mm schichtweise aufgebaut [5]. Eine Aufnahme wurde ohne Kavität aufgebaut (HSK63-1). Zwei weitere Versionen davon (HSK63-2) verfügen jeweils über ein torusförmiges Hohlelement. Einer der beiden Hohlkörper ist, bedingt durch fehlende Bauteilöffnungen, ganz mit SLM-Pulver gefüllt, das beim additiven Herstellungsprozess nicht aufgeschmolzen wurde. Vier mit M3-Gewindestiften verschließbare Öffnungen erlauben außerdem die reversible Befüllung der zweiten HSK63-2 mit verschiedenen Füllpartikeln (siehe Bild 1). Die an den SLM-Prozess anschließende Nachbearbeitung der Funktionsflächen erfolgte gemäß der als Referenz eingesetzten, konventionellen Aufnahme (E9304540310160).

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