Zerspanungsforschung Schwingende Werkzeuge zerspanen produktiver

Forscher am Fraunhofer IWU können beweisen, dass Bohrer und Fräser, werden sie durch Ultraschall zum Schwingen angeregt, effektiver und verschleißärmer zerspanen. Das gelte nicht nur für die Stahl- und Aluminiumbearbeitung.

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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Das System namens Permavib hat sich nach Aussage der Forscher bei der Stahl- und Aluminiumbearbeitung bereits gut bewährt, aber auch bei der spanenden Bearbeitung von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) und Keramik treten heute noch typische Fehler wie Faserausrisse, Delamination und Ausbrüche am Werkzeug beziehungsweise am Werkstücks auf. Die Effizienz der Bearbeitung metallischer Werkstoffe beschränken schlecht abführbare Späne und Gratbildung zusätzlich, heißt es.

Halbierter Werkzeugverschleiß

„Das von uns gemeinsam mit vier Industriepartnern entwickelte Permavib-System entschärft diese Gefahren“, sagt Martin Hamm, Wissenschaftler am Fraunhofer IWU. Das System regt das Werkzeug mit Ultraschall zum Schwingen an und sorgt so dafür, dass bis zu 40 % weniger Kraft für die Bearbeitung aufgebracht werden muss, so Hamm. Dadurch verringere sich die Spangrößen, verbessere sich die Spanabfuhr und die Bauteilqualität steige folglich. Gleichzeitig wird der übliche Werkzeugverschleiß auch noch um rund 50 % reduziert, heißt es. Auch sollen sich bestehende Werkzeugmaschinen ohne großen Aufwand mit dem System nachrüsten lassen, weil es als Modul in beliebige Bearbeitungszentren integriert werden könne. „Speziell beim letzten Punkt ist Permavib bisher konkurrenzlos“, betont Hamm. Denn die wenigen ähnlichen Produkte, die derzeit schon auf dem Markt seien, setzten die Anschaffung spezieller Maschinen voraus und seien deshalb lediglich für die Bearbeitung kleinerer Bauteile geeignet.

Werkzeugspitze schwingt im Mikrometerbereich

Ausgeführt ist Permavib, wie es heißt, als Werkzeughalter mit Schrumpffutter, der anstelle der konventionellen Werkzeughalter in die Maschinenspindel eingesetzt wird. Im Innern sitzt ein piezokeramischer Wandler, der eine hochfrequente elektrische Wechselspannung in schnelle Bewegungen übersetzt, erklären die Experten. So werden die konventionellen Vorschub- und Schnittbewegungen von einer Längsschwingung überlagert. Durch die spezielle Geometrie des Systems werde die Schwingungsamplitude verstärkt. Die Werkzeugspitze erreiche dabei Werte im zweistelligen Mikrometerbereich. Das Gehäuse sei jedoch von den Schwingungen entkoppelt, womit Spindel und Lager vor schädlichen Vibrationen geschützt seien.

Die Regelung und Energieversorgung von Permavib erfolgt unabhängig von der Energieversorgung und Steuerung des jeweiligen Bearbeitungszentrums, indem, wie es heißt, eine externe Versorgungseinheit außerhalb des Arbeitsraumes aufgestellt wird. „Auf diese Weise müssen keine Umbauten an der Maschine vorgenommen werden“, merkt Hamm an. Das, so Hamm, macht das System äußerst einsatzflexibel.

Gefördert und schon präsentiert

Das Permavib-Schwingsystem wurde in Zusammenarbeit mit den Industriepartnern Devad GmbH, Eaat GmbH, Parker Hannifin Manufacturing Germany GmbH & Co. KG sowie Tixbo Automotive GmbH. Gefördert wurde das Projekt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Programms „Zwanzig20 – Partnerschaft für Innovation“.

Den Einsatz von Permavib konnten Interessierte bei der Veranstaltung „Ultraschalltechnik in der Zerspanung - Systeme und Effekte“ am 22. November erleben. Die Ultraschall Schwingsysteme standen im Rahmen der 4. „Produktionstechnischen Gespräche Dresden“ im Versuchsfeld des Fraunhofer IWU im Mittelpunkt.

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