Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Steigerung der Werkzeugstandzeit und Prozesssicherheit durch additiv gefertigte Fräswerkzeugträger mit tangentialem Plattensitz und strömungsmechanisch optimierten Kühlkanälen (TaCoMA)

Im skizzierten Forschungsvorhaben werden die Grundlagen zur Herstellung additiv gefertigter Fräswerkzeuggrundkörper systematisch erforscht. Das übergeordnete Projektziel ist die Herstellung verbesserter Fräswerkzeuge aus einem zu qualifizierenden Werkstoff mittels additivem Fertigungsverfahren LPBF sowie die Ableitung von Gestaltungsrichtlinien zur Umsetzung in die Industrie. In jüngsten Forschungsarbeiten konnte gezeigt werden, dass durch die zielgerichtete KSS-Zufuhr die Produktivität von Walzenstirnfräsern um 50 % gesteigert werden kann. Jedoch ist die Fertigung der dafür notwendigen komplexen Kühlkanälen zeit- und kostenintensiv. Die zentrale Innovation des Vorhabens besteht darin, die erhöhten Freiheitsgrade der additiven Fertigung für die Herstellung von leistungsfähigeren Fräswerkzeugen, insbesondere bei KMU, nutzbar zu machen. Überdies ist die Bestimmung der Anforderungen an die Peripherie und der Prozesseinstellgrößen für einen effizienten Einsatz bei Endanwendern in der Zerspantechnik zentrales Ziel. Dazu wird die KSS-Zufuhr an den Kanalübergängen und Austrittsdüsen strömungsmechanisch optimieret, um Druckverluste im Werkzeug zu reduzieren. Durch die CFD-Simulation wird es ermöglicht, den Einfluss der Rotation der Werkzeuge auf den KSS-Auftreffpunkt auf der Schneidplatte zu untersuchen. Zur additiven Herstellung von Zerspanwerkzeugen bei KMU ist es notwendig, allgemein anwendbare Gestaltungsrichtlinien für die Fertigung und Nachbearbeitung zu entwickeln. Außerdem steht die Qualifizierung eines geeigneten Werkstoffs für die additive Fertigung von Werkzeuggrundkörpern Vordergrund, welche durch die im Vorhaben erarbeiteten Methoden auf die Qualifizierung weiterer Stähle übertragbar ist. Durch die Gestaltungsrichtlinien werden KMU in die Lage versetzt, die Ergebnisse unmittelbar in ihrer Produktion umzusetzen. Durch diesen technologischen Vorsprung kann ein langfristiger Wettbewerbsvorteil aufgebaut werden, weshalb insbesondere KMU vom Vorhaben profitieren.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Projekts TaCoMA war die Nutzbarmachung der Potenziale additiv, im LPBF-Verfahren gefertigter Fräswerkzeuge hinsichtlich einer angepassten KSS-Zufuhr zur Steigerung der Werkzeugstandzeit und Prozesssicherheit. Am Beispiel von Fräswerkzeugträgern mit tangentialem Plattensitz wurden die Möglichkeiten und Grenzen strömungsmechanisch optimierter Kühlkanäle sowie einer zielgerichteten Düsenauslegung aufgezeigt.

Im Forschungsvorhaben TaCoMA wurden ein- und mehrreihige Trägerwerkzeuge mit verlustarmer und zielgerichteter KSS-Zufuhr entwickelt, im LPBF-Verfahren aus dem niedriglegierten Einsatzstahl 18MnCrMoV4-8-7 gefertigt und in zerspantechnologischen Untersuchungen analysiert. Die Erkenntnisse wurden in Gestaltungsrichtlinien und Handlungsempfehlungen für KMU nutzbar gemacht. Nach der Qualifizierung eines niedriglegierten Einsatzstahls im LPBF-Prozess wurden in fluidmechanischen Untersuchungen geeignete Kanal- und Düsengeometrien identifiziert, die anschießend in der Konstruktion einer angepassten KSS-Zufuhr im Fräswerkzeug Anwendung fanden. Die Auslegung wurde dabei durch CFD-Simulationen unterstützt. Durch die Testung unterschiedlichster KSS-Zufuhr-Varianten an additiv gefertigten Messerkopfwerkzeugen beim Schruppfräsen des Vergütungsstahls 42CrMo4+QT sowie der Titanlegierung Ti-6Al-4V wurden geeignete Varianten extrahiert und Erkenntnisse für geeignete KSS-Zufuhr-Konzepte gewonnen. Es wurden Standwegsteigerungen von bis zu 70 % gegenüber dem Referenzwerkzeug erzielt. An einem mehrreihigen Demonstratorwerkzeug wurde die Einsatzfähigkeit LPBF-gefertigter Trägerwerkzeuge für die Schwerzerspanung im industriellen Umfeld nachgewiesen. Durch die verbesserte Funktionalität können additiv gefertigte Fräswerkzeuge mit angepasster KSS-Zufuhr auch aus ökonomisch-ökologischer Sicht eine sinnvolle Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik darstellen.