Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Leistungssteigerung durch laserbearbeitete Hartmetallwerkzeuge - LaserHM

Bei spanenden Prozessen kann die Spanform die Prozesssicherheit negativ beeinflussen. Zur Vermeidung ungünstiger Spanformen können Spanleitstufen eingesetzt werden, die bei Sonderwerkzeugen jedoch nicht während des Pressens eingebracht werden können. Daher stellt in diesen Fällen die Laserbearbeitung eine Alternative dar. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Standzeit laserpräparierter Formdrehwerkzeuge um min. 30 % durch geeignete Auswahl der Laserparameter zu erhöhen und die Leistung infolge einer erhöhten Prozesssicherheit um min. 20 % zu erhöhen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden in AP1 die Wechselwirkungen zwischen Hartmetall und Laserprozess untersucht. Dazu werden in drei Teilarbeitspaketen Oberflächen- und Randzoneneigenschaften des Hartmetalls, Schichthaftung und Abtragsrate näher betrachtet. Im zweiten AP findet die Auslegung der Spanleitstufen mittels 3D-FEM-Simulation statt. Abschließend wird in AP3 das Einsatzverhalten laserpräparierter Spanleitstufen auf Formdreh- und Aufbohrwerkzeuge untersucht. Das Ergebnis des ersten Arbeitspakets ist Kenntnis über den Einfluss der Laserparameter auf Hartmetalleigenschaften, Schichthaftung und Abtragsrate. Weiterhin wird anhand der Simulationen aus AP2 ein Regressionsmodell erstellt, welches den Zusammenhang zwischen Spanleitgeometrie und Spanform beschreibt. Im dritten Arbeitspaket wird eine Leistungssteigerung bei der Bearbeitung duktiler Werkstoffe durch angepasste Spanleitformen angestrebt. Der Bereich der Sonderwerkzeughersteller wird maßgeblich von KMUs bestimmt. Durch die Anwendung der Lasertechnologie können gegenüber abrasiven Verfahren komplexere Modifikationen an den Werkzeugen angebracht werden, wodurch ein Alleinstellungsmerkmal im Wettbewerb ermöglicht wird. Weiterhin ist der Anteil an KMUs auch im verarbeitenden Gewerbe sehr hoch. Durch die Anwendung von Werkzeugen mit laserpräparierter Spanleitstufe kann die Leistung des Zerspanungsprozesses und somit die Maschinenkapazität erhöht werden.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Vorhabens war die Leistungssteigerung beim Profileinstechdrehen mit laserpräparierten Hartmetallwerkzeugen durch eine optimierte Spanabfuhr.

Die Laserablation bietet die Möglichkeit Spanleitstufen bei komplexen Werkzeuggeometrien, wie Profileinstech- und Aufbohrwerkzeuge, herzustellen. Im Rahmen des beschriebenen Vorhabens konnte gezeigt werden, welche werkstoffseitigen Veränderungen (Phasenumwandlung, Ausbildung von Eigenspannungen) durch die Ablation mittels Nano-, Piko- und Femtosekundenlaser auftreten. Es wurden Kenntnisse zur Wahl geeigneter Lasermaschinen und Laserprozessgrößen zur Herstellung von Spanleitstufen generiert. Die durch das Projekt zur Verfügung stehenden Kenntnisse tragen zur Investitionsentscheidung insbesondere für KMUs bei, da gezeigt wurde, dass neben dem kostenintensiven fs-Laser auch der günstigere ns-Laser zur Präparation von Spanleitgeometrien geeignet ist.

Zudem wurde das Spanbildungsverhalten bei unterschiedlichen Profilgeometrien identifiziert und analysiert. Insbesondere getaktete Maschinen haben nicht die Möglichkeit den Spanbruch über eine Steigerung des Vorschubs herbeizuführen. Daher ist es notwendig den Spanbruch über die Anpassung der Spanleitgeometrien zu erzeugen. Bei den untersuchten Profilgeometrien handelte es sich um klassische Zerspanoperationen die in der Praxis nicht ausreichend zum Spanbruch führen. Kenntnisse zur Anpassung der Spanleitgeometrien zur Steigerung des Spanbruchverhaltens, im Speziellen bei geringen Vorschüben, waren bisher nicht verfügbar. Die geplante simulative Auslegung der Spanleitgeometrien war aufgrund der Komplexität der Problemstellung und den resultierenden Rechenzeiten nicht effizient. Daher war ein hoher experimenteller Aufwand notwendig, um die zahlreichen Wechselwirkungen der geometrischen Parameter zu analysieren. Es wurden die fehlenden Kenntnisse erarbeitet und eine Grundlage geschaffen um gezielt, individuelle Spanleitgeometrien in der Industrie auszulegen.