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

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

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

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

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

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

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

Leitentwicklung Materialien und Beschichtungen 80 Übersicht – Stahlgruppen 60 Austenit. rostfrei Tiefzieh- Stähle L-IP Duplex + N Bruchdehnung [%] 40 Bake hardening TRIP DP Duplex Mikrolegierte Mehrphasenst. 20 Vergütungs- Stähle Mikrolegierte St. NAXTRA Mikrolegierte Vergütungsst. ETG 200 400 600 800 1000 1200 Streckgrenze Rp0.2 [MPa]

Entwicklung von Beschichtungen Neue Entwicklungen ermöglichen höhere Leistungsfähigkeit sowie individuelle Anpassung an Werkstoff CVD TiC CVD TiC / TiCN / TiN CVD TiC oder TiN / Al2O3 PVD TiN CVD TiC / Al2O3 / TiN CVD TiC / TiCN / Al2O3 / TiN... MTCVD TiCN PVD TiCN PVD TiAlN CVD Diamond PVD TiN / TiAlN / TiN / TiAlN… PVD AlTiN, TiAlN + Si, B, Cr…. PVD AlCrN PVD Al2O3, (AlCr)2O3 PVD AlCrXN 1970 - 1975 - 1980 - 1985 - 1990 - 1995 - 2000 - 2006 - TiN Hardness Wear resistance Oxidation resistance Hot hardness Toughness M o t i v a ion TiCN TiAlN AlTiN AlCrN Materialmodellierung, Prozessmodellierung: Während das Werkstoffvolumen das Werk Gottes ist, wurde die Oberfläche vom Teufel erfunden Beschreibung: Weitestgehend schliesst man die Augen. Ansätze sehr rudimentär. Wir sind weit davon entfernt die Vorgänge an der Oberfläche zuverlässig zubeschreiben, Einfache Modelle Parameteranpassung. Anzahl neuer Schichtsysteme nimmt exponentiell zu. Generelle Erkenntnis über den Inhalt der Schichten nimmt tendentiell ab wegen kommerzieller Interessen. AlCrXN Quelle: Oerlikon Balzers

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

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

Entwicklung der Genauigkeitsanforderungen Normal Machining Precision Machining Bearbeitungsgenauigkeit [m] Neue Konzepte erforderlich Ultra Precision Machining Why new concept  ultraprecision At some point you need to change the battlefield to escape the exponentially growing costs. Quelle: McKeon nach Taniguchi

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

Kompensation dynamischer Abweichungen 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 During our measurment and simulations we observed 2 to main dynamic displacements like in-talk and ct, espescially at different acceleration.. Both sam e caus -imagine an mchine axis out of mass, drive input, couplings, offsets - PM and TCP - if we approximate drive force witz mass times acceleration, Difference of TCP and PM proportianol to acceleration - Equation of this configuration Fehler abhängig von Masse, Steifigkeit und Beschleunigung Dynamischer Positionsfehler EZZ Dynamischer Geradheitsfehler EXZ Hop Nguyen © 03/2013 inspire AG 15 15

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

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%

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

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

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

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

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Quo vadis HPC 10 years of HPC Having seen all the papers of HPC2012 a lot of topics today are subsumed under HPC. Topics came and have been solved. Newest topics are the mastering of subsurface area and energy efficiency

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

Pflugkraftuntersuchungen rn = 8 μm Mit zunehmendem Radius steigt besonders Vorschubkraft Ff Bruch erfolgt in Richtung der größten Kraftkomponente (Ff)  in Richtung Spanfläche Anstieg von Ff verursacht frühes Versagen stark verrundeter Schneidkanten Ideal: Pflugkraft in Richtung Keilwinkelhalbierender Fc Ff fz = 0.08 mm Bruchlinie rn Fc Ff rn = 40 μm Kraftzunahme erfolgt aus Änderung folgender Komponenten Trennkraft, Formänderungskraft, Scherkraft, Reibungskraft

Reibung und Pflugkraft nach Albrecht Heuristik: Aufteilung Tool  Reibung

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

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

Bohren in CFK Werkzeugaustritt in IMA-12K Mikroskop Bilder – Bohreraustritt Eigenentwicklung in Koop. mit Heule 2 mm 2 mm 2 mm Bohrung 200 Bohrung 600 Bohrung 1000 2 mm Bestes Werkzeug am Markt HSS 2- 3 Bohrungen Vollhartmetall ca. 50 Bohrungen, Beschichtung CrAlN 100 bis 150. Über 200 PKD, CVD, Anfangsradius ca. 12 um. Anfangsschnitte unbrauchbar. 2 mm Parameter: vc = 90 m/min f = 0.06 mm/U Marcel Henerichs © 10/2013 inspire AG

Verschleiss auf Diamantschicht vc = 90 m/min Parameter: f = 0.06 mm/U 1 mm 1 mm 1 mm Bohrung 403 Bohrung 403 Bohrung 403 CVD, Dicke 8 um, scharfe Schneide ( Kantenradius klein 4 um nach 1000 Bohrungen), Verschleisssteuerung Querschneide ist von zentraler Bedeutung, Schneidenecke muss scharf bleiben 1 mm 1 mm 1 mm Bohrung 1003 Bohrung 1003 Bohrung 1003 Marcel Henerichs © 10/2013 inspire AG

Schleifen sprödharter Werkstoffe Hartschleifen von ZrO2-Y2O3 Keramik (dichtgesintert) Erfolg: Schnittgeschwindigkeit. KSM – Versorgung, hybridgebundene Werkzeuge  G > 25000 Additiv gefertigte Düse mit internen Kanälen Düse

iwf: Ultrahartbearbeitung ZrO2 Sehr hohe G-Werte erreicht KSM-Zufuhr optimiert Duktile Späne ZrO2-Schicht auf den Diamanten Mattergear, Reishauer (vertraulich)

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

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

Pseudokugelfräser

Mikrobearbeitung Procedure Material ： BK7 (Optical glass) Finish Flow-type chips Roughness of forehead PV=50nm

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

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

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