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Herausforderung Fertigungstechnik Aktuelle Trends Konrad Wegener, IWF ETH Zürich 2. SMM-Kongress Moderne Produktionstechnik 5. Dezember 2011 1.

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1 Herausforderung Fertigungstechnik Aktuelle Trends Konrad Wegener, IWF ETH Zürich 2. SMM-Kongress Moderne Produktionstechnik 5. Dezember

2 Gliederung Einleitung Werkzeugmaschinenthemen Zerspanung Oberflächenintegrität Simulation der Spanbildung Lasertechnik Additive Fertigungstechnik Zusammenfassung 2

3 Dienstleistungen rund ums Produkt reine Dienstleistung Eine Idee ohne Umsetzungskompetenz stellt keinen Wert dar Der Weg zur Dienstleistungsgesellschaft geht über das Produkt Dienstleistungsgesellschaft

4 Industrielle Durchdringung [%] Dynamische / Thermische Kompensation Teleservice Einstieg am Wendepunkt ist effizient, Einstiegsbarrieren?

5 Allgemeine Trends 1.) Produktionstreiber aging society neue Produkte, neue Anforderungen an die Fertigung, Medizintechnische Fertigung 2.) Fertigung für den Luxus 3.) Mass Customization Steigerung Variantenvielfalt, OPF 4.) Fertigung für die Umwelt: Ressourceneffizienz, Fertigung von Komponenten für die Umwelt, Elektromobilität 5.) LifeCycle Management von Fertigungssystemen und für Produkte 6.) Materialinnovation neue Produktionstechniken für neue Materialien, neue Materialien für neue Produktionstechniken 7.) Einfluss der IT-Entwicklung 8.) Umsetzung physikalischer Erkenntnisse in Produkte und Produktion 9.) Denken und Forschen in Prozessketten gesamtheitliche Optimierung, Fehlertransfer, Linienstrategien, Planungstools, Monitoringsysteme und -strategien

6 Allgemeine Trends 10.) Funktionsintegration in Bauteile Kombination von mechanischen und nichtmechanischen Funktionen 11.) Die Werkzeugmaschine als informationstechnisches Kraftpaket ("Cyberphysical Product«), Verschmelzen mit dem Internet 12.) Virtuelle Prozessauslegung und –optimierung (nicht mehr nur der Umformtechnik und Giessereitechnik) 13.) Konvergenz der Simulationen, der virtuellen Welten 14.) Ende der klassischen CAM-Systeme, Integration Technologie, Geometrie, Maschinenverhalten, Werkzeugverschleiss in die Bahnplanung 15.) Vordringen physikalischer (nichtmechanischer) Fertigungsverfahren Laser, Additive Verfahren, Erosion, ECM, LIGA, AFM, Beschichten 16.) Oberflächentechnologie: Funktionale Oberflächen in grossen Flächen 17.) Miniaturisierung Miniaturisierung Massenproduktion, Replikation 18.) Fertigungstechnik für Giganten Grossteile mit höchsten Genauigkeiten 19.) Genauigkeitssteigerung: 5 Achsen, 500 x 500 x 500 mm unter 1 µm im gesamten Arbeitsraum

7 Leitentwicklung Materialien und Beschichtungen - Magnetwerkstoffe - hochfeste Stahlbleche - Aluminium mit speziellen Eigenschaften - Schneidstoffe - Ultraharte Werkstoffe - Hochtemperaturwerkstoffe - Beschichtungen - Funktionsmaterialien (Smart Materials): EAP, Piezo, Memory Alloys - Nanomaterials Prozessinnovationen werden durch Werkstoffinnovationen ermöglicht und erzwungen

8 Übersicht – Stahlgruppen Streckgrenze R p0.2 [MPa] Bruchdehnung [%] Tiefzieh- Stähle Austenit. rostfrei Bake hardening DP TRIP Mikrolegierte St. Duplex + N Mikrolegierte Mehrphasenst. L-IP Mikrolegierte Vergütungsst. NAXTRA Vergütungs- Stähle ETG Leitentwicklung Materialien und Beschichtungen

9 Neue Entwicklungen ermöglichen höhere Leistungsfähigkeit sowie individuelle Anpassung an Werkstoff Entwicklung von Beschichtungen 9 TiN TiCN TiAlN AlTiN AlCrXN Hardness Wear resistance Oxidation resistance Hot hardness Oxidation resistance Toughness Oxidation resistance Wear resistance Hot hardness Toughness AlCrN CVD TiC CVD TiC / TiCN / TiN CVD TiC oder TiN / Al 2 O 3 PVD TiN CVD TiC / Al 2 O 3 / TiN CVD TiC / TiCN / Al 2 O 3 / TiN... MTCVD TiCN PVD TiCN PVD TiAlN CVD Diamond PVD TiN / TiAlN / TiN / TiAlN… PVD AlTiN, TiAlN + Si, B, Cr…. PVD AlCrN PVD Al 2 O 3, (AlCr) 2 O 3 PVD AlCrXN MotivationMotivation Quelle: Oerlikon Balzers

10 Funktionsmaterialien Anwendung von Funktionsmaterialien Vereinigung mehrerer Funktionen auf kleinstem Raum Gewichts- und Platzeinsparung Selbstheilung (Verschleissausgleich) Automatische Fehlerdiagnose, Schadenser- kennung Anpassbarkeit an geänderte Umweltbedingungen (Adaptronic) Bessere Materialausnutzung Schadensvermeidung, Schadensbegrenzung aktive Vibrations- und Lärmunterdrückung aktive Gestalt- und Positionsregelung

11 Gliederung Einleitung Werkzeugmaschinenthemen Zerspanung Oberflächenintegrität Simulation der Spanbildung Lasertechnik Additive Fertigungstechnik Zusammenfassung 11

12 Die Maschine im Mittelpunkt Prozess Thermik Dynamik Zuverlässigkeit Kinematische Genauigkeit TCO, Energie

13 Bearbeitungsgenauigkeit [ m] Quelle: McKeon nach Taniguchi 13 Entwicklung der Genauigkeitsanforderungen Neue Konzepte erforderlich Normal Machining Precision Machining Ultra Precision Machining

14 -Kalibrierung -Rekalibrierung -Kalibrierung unter Shop – Floor – Bedingungen -Trend 1 μ m im Arbeitsraum 0.5 x 0.5 x 0.5 m -Entwicklung von Messstrategien und –geräten -Optische, berührungslose Verfahren Lasertracker, Lasertracer Optimierung von Werkzeugmaschinen: Messtechnik

15 Kompensation dynamischer Abweichungen 15 Definition inertieller «In-Talk» (EZZ) und «Cross-Talk» (EXZ) – Offset zwischen Massenschwerpunkt (S) und Krafteinleitung Moment auf Kopplungen (k) Kippbewegung – Offsets zwischen Ort der Positionsmessung und Werkzeugpunkt (TCP) zu S führen zu Fehlern EZZ und EXZ – beide Fehler können durch die Closed- Loop Regelung nicht reduziert werden Fehler abhängig von Masse, Steifigkeit und Beschleunigung – Dynamischer Positionsfehler EZZ – Dynamischer Geradheitsfehler EXZ Hop Nguyen © 03/2013 inspire AG

16 Thermische Kompensation FEM Problem: Historienabhängigkeit Modell der Gesamtmaschine (Starrkörper) –NC-Bahn erforderlich für Simulation NC-Bahn (aus Steuerung, z.B. FANUC Focas2) –Bewegung der Achsen –Koppelkräfte –Reibung, Wärmeleitung abh. von Position Last und Bewegungsgrössen Thermisches FE-Modell –Update der Achspositionen –Wärmequellen, Wärmesenken, Reibungs- verluste, Aktualisierung Wärmeleitung – konvektion,… Mechanisches FE-Modell (ggf. reduziert) –Relative TCP Verlagerung

17 Thermische Kompensation -Gute Kompensationsergebnisse erreichbar -Trotz umfangreicher numerischer Modelle stehen neue Kompensationswerte in weniger als 1 min zu Verfügung -Erforderlich sind Temperatur- messung Umgebung -Erforderlich sind Temperatur- stützwerte, Messstellen zu bestimmen -Einfluss von Abdeckungen und Verkleidungen -KSM und Späne bisher nicht gelöst -Unsicherheit Wärmeaus- dehnung: 20%

18 Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen Energieverbrauch Werkzeugmaschinen durch - Standby, - Temperaturstabilisierung - Schmierung - Anfänglicher Ausschuss Schnelle Maschine Langsame Maschine Temperaturkompensierte Maschine Simulation: - Optimierung Temperaturverhalten und damit Ausschuss und Vorwärmzeit - Kompensation ohne zusätzliche Kühl- und Heizleistung Modellbasierte Achskompensation: - Kompensationsmodell auf der Maschine - Sorgfältig ausgesuchte Temperaturmessstellen Drehmaschine Schleifmaschine

19 Optimierung von Werkzeugmaschinen Moderne Materialien, Leichtbau Steuerung / Regelung / Bahnplanung Bahnplanung zur Verbesserung dynamischen Maschinenverhaltens Bahnplanung zur Reduktion Werkzeugverschleiss Adaptronik, Selbstinbetriebnahme Rekonfigurierung Ratterunterdrückung

20 Planares Maschinenkonzept Soviel Planarität wie möglich Wiederbenutzung von Funktionsflächen für mehrere Achsen Planar: Aerostatische Führung Abdeckung als Blechrollband 2-D-Messsystem Linear: Antrieb über eine Traverse mit Gantry

21 Resultate Extreme Steifigkeit (vertikal 300 N/ μ m) Hohe Produktivität durch Fahren ohne Ruckbegrenzung Glanzoberflächen mit Ra<6 nm Arbeitsraumgenauigkeit auf unter 1 μ m kompensierbar Einfache Kompensation durch geringe Zahl von Fehlerparametern und Realisierung Abbé-Komparatorprinzip O ZX O XZ Lesekopf Z-Massstab XY-Tisch Spindel TCP Z-Pinole

22 Gliederung Einleitung Werkzeugmaschinenthemen Zerspanung Oberflächenintegrität Simulation der Spanbildung Lasertechnik Additive Fertigungstechnik Zusammenfassung 22

23 Quo vadis HPC 10 years of HPC

24 Einfluss des Schneidkantenradius – Verschleiss beim Drehen r n = 10 μmr n = 20 μmr n = 50 μm V = 155 cm3 V = 180 cm3 V = 400 cm3 100 µm Spanfläche Freifläche Massive Standwegverlängerung durch optimale Schneidkantenradien Versuchsabbruch r n = 20 µm r n = 10 µm r n = 50 µm 24

25 Pflugkraftuntersuchungen 25 Mit zunehmendem Radius steigt besonders Vorschubkraft F f Bruch erfolgt in Richtung der größten Kraftkomponente (F f ) in Richtung Spanfläche Anstieg von F f verursacht frühes Versagen stark verrundeter Schneidkanten Ideal: Pflugkraft in Richtung Keilwinkelhalbierender f z = 0.08 mm FcFc FfFf Bruchlinie rnrn FcFc FfFf r n = 40 μm r n = 8 μm

26 Reibung Reibung und Pflugkraft nach Albrecht Tool = 15º Heuristik: Aufteilung

27 Characterisation of rounded cutting edges flank face rake face Characterisation uncertainty –Point uncertainty –Number and distribution of points –Area chosen for circle fitting algorithm that defines circle fitting area

28 Characterisation of rounded cutting edges old upper fitting-limit p int circle tangent to straight lines = new upper fitting limit (iteration process) d = 0 ! 4 β pcpc β/2 p int 2 straight line fitting (300 μm) 1 preset distance (200 μm) β User independent definition of circle fitting area Elimination of major uncertainty driver Higher characterisation repeatability & reproducibility circle tangent to straight lines p int new upper line fitting limit new line fitting area 3 edge flattening circle fitting area, micro geometry 5 cutting edge radius r n macro geometry αrαr Carl-Frederik Wyen © 09/2011 inspire AG 28

29 Mikroskop Bilder – Bohreraustritt 2 mm Parame ter: v c = 90 m/min f = 0.06 mm/U 29 Bohrung mm Bohrung 600Bohrung mm Bohren in CFK Werkzeugaustritt in IMA-12K 2 mm Eigenentwicklung in Koop. mit Heule Bestes Werkzeug am Markt Marcel Henerichs © 10/2013 inspire AG

30 Verschleiss auf Diamantschicht Marcel Henerichs © 10/2013 inspire AG 30 Bohrung 403 Bohrung mm Parame ter: v c = 90 m/min f = 0.06 mm/U

31 Schleifen sprödharter Werkstoffe Hartschleifen von ZrO2-Y2O3 Keramik (dichtgesintert) Erfolg: Schnittgeschwindigkeit. KSM – Versorgung, hybridgebundene Werkzeuge G > Additiv gefertigte Düse mit internen Kanälen Düse

32 iwf: Ultrahartbearbeitung ZrO2 32 Sehr hohe G-Werte erreicht KSM-Zufuhr optimiert Duktile Späne ZrO2-Schicht auf den Diamanten

33 Mikrozerspanung 33 Herunterskalieren konventioneller Prozesse nicht möglich! Makrozerspanung Mikrozerspanung 3 Gründe hierfür: Korngrösse des Werkstücks und Kantengeometrie des Werkzeugs sind in gleicher Grössenordnung Minimale Spandicke h m : hohe Pflugkräfte und elastische Deformation anstelle von Materialabtrag, wenn die Schnitttiefe die minimale Spandicke unterschreitet. Verhältnis Zahnvorschub f t zu Schneidkantenradius r e : Pflugkräfte, erhöhte Schnittkräfte und geringere Oberflächengüte, wenn f t r e

34 Mikrofertigung: Werkzeugdurchmesser 200 µm 3-D-Vermessung und Charakterisierung der Schneidkanten Einfluss auf die Bearbeitungsqualität Mikrozerspanung Bissacco 2005Kommanduri 2001

35 Pseudokugelfräser

36 Procedure Finish Flow-type chips Material BK7 (Optical glass) Roughness of forehead PV=50nmMikrobearbeitung

37 Gliederung Einleitung Werkzeugmaschinenthemen Zerspanung Oberflächenintegrität Simulation der Spanbildung Lasertechnik Additive Fertigungstechnik Zusammenfassung 37

38 Oberflächenintegrität Brinksmeier: Round Robin - Eigenspannung - Härte - Rauheit - Anrisse - Verformung - … Oberflächenintegrität Funktionalität -Ermüdung -Verschleiss -Genauigkeit -…

39 Oberflächenintegrität Jedes Bearbeitungsverfahren hinterlässt Spuren auf der Tangentialspannungen an der Oberfläche Ziel Fräsen Drehen Schleifen EDM Feinschleifen Tangentiale Eigensp. an Oberfläche Versuchssätze

40 Oberflächenintegrität Jedes Bearbeitungsverfahren hinterlässt Spuren auf der Brinksmeier: Round Robin Tangentialspannungsverläufe Fräsen Drehen Schleifen EDM Feinschleifen Tiefe unter der Oberfläche z Tangentiale Eigenspannungen


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