Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung hochdynamisch belastbarer leichter Werkzeuggrundkörper für die Holz- und Holzwerkstoffbearbeitung

Der Trend zu immer höheren Schnittgeschwindigkeiten in der Holzbearbeitung erfordert immer größere Werkzeugdrehzahlen und –vorschübe. Bei bewegten Achsen (z.B. in CNC-Maschinen) treten durch schwere Werkzeuge mitunter hohe Beschleunigungskräfte auf. Ein Vertreter mit stationären Werkzeugen mit hohen Werkzeugmassen stellen Werkzeuge für Hobel- und Kehlanwendungen dar. Durch diese Werkzeuge mit meist großen Werkzeugmassen sinken die kritischen Drehzahlen, sodass maximale Drehzahlen begrenzt werden und damit verbunden nur geringere Werkstückvorschübe erreicht werden können.

Um dem Trend zu immer höheren Drehzahlen gerecht zu werden, wird im Forschungsprojekt ein Werkzeug entwickelt werden, bei dem der Grundkörper aus Kohlenfaserverbundwerkstoff aufgebaut wird. Dabei wird stellvertretend ein Prototyp-Werkzeug mit Leichtbaugrundkörper für Hobelaufgaben entwickelt werden. Durch die vorwettbewerbliche Entwicklungsarbeit werden Fragestellungen wie geeigneter Herstellverfahren für den Grundkörper und die Anbindung von Schneiden an den faserverstärkten Grundkörper allgemeingültig ausgearbeitet und an einem Demonstratorwerkzeug realisiert.

Im Projekt wird dabei nach der Ausarbeitung eines Werkzeugkonzepts die verfahrenstechnischen Entwicklung von Prototypen für die Grundkörper vom ITV und die werkzeugseitige Entwicklung und Untersuchung vom IfW durchgeführt. Dabei wird die am ITV etablierte numerische Simulation (FEM) als wichtiges Hilfsmittel eingesetzt. Durch die aus dem Projekt gewonnenen Erkenntnisse wird die Eignung grundlegender Verfahren und Konzepte zur Herstellung von Werkzeugen mit Grundkörpern aus Faserverbundmaterial geschaffen, die anschließend direkt von industrieller Seite umgesetzt werden können. Durch die weitgehend durch KMU geprägte Branche der textilverarbeitenden Unternehmen kann auf diese Weise ein neuer Absatzmarkt erschlossen werden. Gleichzeitig wird die Leistungsfähigkeit von Werkzeugen in der Holzbearbeitung durch leichtere Werkzeuge erhöht.

Ergebniszusammenfassung:

Neben der detaillierten Klärung der Anforderungen für Werkzeuge zum Planumfangsfräsen (Hobeln) von Massivholz und Holzwerkstoffen (z. B. MDF) konnte eine Vielzahl neuartiger, innovativer Bauweisen konzipiert werden. Bislang werden diese Werkzeuge massiv aus Metallen hergestellt und das Leichtbaupotential von carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) nicht genutzt. Neben dem Ziel der Gewichtsreduzierung wird daher auch die Steifigkeitssteigerung verfolgt, da durch die werkstoff- und geometrieabhängige Anhebung der ersten Eigenfrequenz die dynamischen Eigenschaften verbessert werden können. Somit kann die Drehzahl angehoben, der Vorschub erhöht und die Produktivität bei gefordert hoher Oberflächenqualität gesteigert werden. Es wurden zwei unterschiedliche Leichtbaukonzepte entwickelt, als Demonstratoren gefertigt und getestet. Beim „Sandwich-Konzept" wird der größtmögliche Anteil des Zylinders mit CFK ersetzt und eine dünne Außenhülle aus Aluminium aufgepresst, wodurch die konventionelle, einfache Anbindung der Werkzeugschneiden gegeben ist und gleichzeitig eine deutliche Gewichtseinsparung erzielt wird. Das zweite Konzept zielt auf extreme Leichtbauweise ab. Durch eine völlig neue Gestaltungsweise werden die Belastungen auf einzelne Komponenten verteilt, die dann von den C-Fasern lastgerecht optimal aufgenommen werden. Mit diesem modularen Aufbau wird das Festigkeitspotential höchst effektiv ausgenutzt. Zusammen mit dem großen Hohlraumanteil wird zur massiven metallischen Bauweise eine Gewichtsreduktion von über 50% (0125mm) erzielt, die mit zunehmendem Werkzeugdurchmesser deutlich ansteigt.