Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erforschung der Eignung additiv gefertigter Komponenten für den Einsatz in Werkzeugmaschinen am Beispiel einer Spindelwelle und eines Spannzylinders

Der Einsatz von additiv gefertigten Leichtbauteilen in Werkzeugmaschinen bietet großes Potential zur Steigerung der Produktivität durch die Verkürzung von Beschleunigungs- und Prozesszeiten. Dennoch bleibt das große Potential additiver Leichtbauteile in Werkzeugmaschinen häufig ungenutzt. Gründe dafür sind u.a. Herausforderungen bei der Einhaltung hoher Festigkeits- und Genauigkeitsanforderungen von hochbeanspruchten Leichtbauteilen und das fehlende Wissen der KMU über eine geeignete Prozesskette für die additive Fertigung. In diesem Vorhaben wird das Potential additiv gefertigter Leichtbauteile in Werkzeugmaschinen am Beispiel der Hauptspindel einer Drehmaschine aufgezeigt. Ziel dieses Vorhabens ist die Steigerung der Produktivität bei der Drehbearbeitung um 50 % durch den Einsatz einer Leichtbauspindelwelle und eines Leichtbauspannzylinders in der Hauptspindel bei Einhaltung der Anforderungen hinsichtlich der Prozessgenauigkeit und –zuverlässigkeit sowie die Entwicklung eines Leitfadens zur Übertragung der Erkenntnisse auf andere, engtolerierte, dynamisch belastete Werkzeugmaschinenkomponenten. Dazu werden zunächst fertigungs- und werkstofftechnische Eigenschaften von additiv gefertigten Leichtbauprobebauteilen ermittelt. Anhand der Ergebnisse und der entsprechenden Referenzbauteile erfolgt die Entwicklung der Leichtbauspindelwelle und des Leichtbauspannzylinders. Diese werden anschließend gefertigt und in Prüfstands- sowie realen Zerspanversuchen hinsichtlich der statischen und dynamischen Steifigkeit sowie der Formstabilität der Leichtbaustrukturen und der Produktivitätssteigerung experimentell untersucht. Anhand der Ergebnisse wird ein Leitfaden zur additiven Fertigung von Werkzeugmaschinenkomponenten abgeleitet. Durch Anwendung des erforschten Wissens sowie des Leitfadens können KMU die Leistungsfähigkeit ihrer Komponenten steigern, neue Wirtschaftszweige auf dem Gebiet der additiven Fertigung erschließen und die Produktivität von Zerspanungsprozess erhöhen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt wurden Teile eines rotierenden Werkstückspannsystems topologieoptimiert und additiv im SLM-Verfahren gefertigt. Hierzu wurden der Stahl 1.4542 sowie AlSi10Mg genutzt. Ziel dabei war, die Massenträgheit und somit die Beschleunigungszeiten des Rotationsstrages zu reduzieren. Durch Experimente konnte festgestellt werden, dass die Werkstoffeigenschaften der additiv gefertigten Bauteile mit denen stranggezogener Referenzproben quantitativ vergleichbar sind. Das Verfahren sowie der Werkstoff sind somit für die Herstellung hochbelasteter Bauteile geeignet. Infolge der Optimierung konnte eine signifikante Verringerung der Trägheit erzielt werden. Bei der Zieldrehzahl von 12.000 1/min wurde eine maximale Verringerung eines Zyklus (Beschleunigung und Abbremsen) von 0,458 s erzielt (-19,5 %). Abschließend wurde das Potential des optimierten Spannsystems anhand zweier Bauteile bewertet. Dabei handelt es sich um ein zuvor definiertes Referenzbauteil sowie um ein Kundebauteil der Index-Werke GmbH & Co. KG Hahn & Tessky. Beim Referenzbauteil konnte eine Verringerung der Gesamtbearbeitungszeit von 1,02 s (-10,8 %) bestimmt werden. Beim Kundenbauteil beträgt diese Zeitverringerung 0,37 s (-1,29 %). Bei Betrachtung der zuvor definierten jährlichen Produktionsmenge der Bauteile können somit rund 120.000 bzw. 3.070 Teile im gleichen Zeitraum mehr gefertigt werden. Es wurde ein Leitfaden zur fertigungsgerechten Auslegung des additiven Prozesses sowie zum Ablauf der Topologieoptimierung erstellt. Die gewonnenen Erkenntnisse zeigen, dass der Einsatz additiv gefertigter, mechanisch und tribologisch hochbelasteter Bauteile aus 1.4542 bzw. AlSi10Mg möglich ist. Anwendungsmöglichkeiten finden die erzielten Ergebnisse in der (Neu)Gestaltung hochbelasteter Bauteile oder Baugruppen im Bereich des Maschinenbaus. Denkbar ist auch die Übertragung der Erkenntnisse auf weitere Szenarien in der Luft- und Raumfahrt bei denen die Reduzierung der Masse wesentliche Vorteile birgt.