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In der Abteilung Geometrisch bestimmte Prozesse wird Grundlagenforschung sowie anwendungsnahe Forschung und Entwicklung an den klassischen spanenden Fertigungsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide wie z.B. das Drehen, Bohren und Fräsen sowie an Verfestigungsverfahren wie z.B. das Festwalzen und Kugelstrahlen betrieben.

In Einzelvorhaben, bilateralen Projekten und Verbundvorhaben wird ein breites Spektrum von Aufgaben bearbeitet. Neben der Entwicklung und Optimierung von Werkzeugen und Prozessen zählt die Erforschung grundlegender Wirkmechanismen beim Einsatz geometrisch bestimmter Prozesse zur Bearbeitung von vorwiegend metallischen Hochleistungswerkstoffen und faserverstärkten Kompositwerkstoffen zu den Kernaufgaben.

Klassische Zerspanbarkeitsanalysen gehören ebenso zum Portfolio der Arbeiten wie die Klärung komplexer Fragestellungen zur Randzonenbeeinflussung durch geometrisch bestimmte Prozesse. Die Modellierung und Simulation von Fertigungsprozessen ist dabei integraler Bestandteil der Arbeiten, insbesondere in der Grundlagenforschung. Die Abteilung ist mit hochmodernen Werkzeugmaschinen, leistungsfähiger Prozessmesstechnik, hervorragend ausgerüsteten Laboren und umfangreichen Rechner- und Simulations¬kapazitäten ausgestattet.

 

Die Arbeiten in der Abteilung Geometrisch bestimmte Prozesse sind schwerpunktmäßig in den folgenden technologischen Bereichen angesiedelt:

  • Hartbearbeitung
  • Minimalmengenschmierung und Trockenbearbeitung
  • High Performance Cutting
  • Zerspanung schwer zerspanbarer Werkstoffe, z.B. Titan- und Nickelbasislegierungen
  • Zerspanung gedruckter bzw. additiv gefertigter Werkstücke
  • Mechanische Oberflächenbehandlung
  • Prozessentwicklung und -optimierung
  • Werkzeugentwicklung und -optimierung
  • Spanntechnik

In den Forschungs- und Entwicklungsarbeiten kann dabei auf hochmoderne Messtechnik zurückgegriffen werden, die eine detaillierte Analyse von Werkzeugen, Werkstücken und Prozessen erlaubt. Hierzu zählen u.a.:

  • Streifenlichtmikroskop: Schneidkantenradienmessung, Werkzeugverschleißmessung
  • Optische Mikroskope: Werkzeugverschleißmessung, Gratmessung an Werkstücken, Spanformmessungen
  • Werkzeug Einstell- und Messgerät: präzises Einmessen von Werkzeugen
  • Rauheits- und Profilmessgerät: Messung von Rauheit und Konturen
  • Rundheitsmessgerät: Messung von Rundheit und Zylindrizität
  • Koordinatenmessmaschine: Vollständige Erfassung von Maßen und Formen an Werkzeugen und Werkstücken
  • Röntgendiffraktometer: Hochgenaue Bestimmung von Eigenspannungen
  • Barkhausenrauschen Analysegerät: mikromagnetische Ermittlung von thermischen Schädigungen, Härteänderungen und Änderungen des Eigenspannungszustandes
  • 3- und 4-Komponentendynamometer: Ermittlung von Prozesskräften und –momenten
  • Rotatorisches 4-Komponentendynamometer: Werkzeugseitige Ermittlung von Prozesskräften und –momenten beim Fräsen und Bohren
  • Hochgeschwindigkeitskamera: Optische Erfassung von Spanbildung und Spanabfuhr
  • Pyrometer und Wärmebildkamera: Messung von Prozesstemperaturen und deren Verteilung
  • Hochfrequenzleistungsanalysator: Bestimmung elektrischer Leistungen an Antrieben


Grundlagen-Forschungsprojekte zielen vor allem darauf ab, wesentliche physikalische Mechanismen der eingesetzten Fertigungsverfahren durch systematische Untersuchungen zu analysieren und zu verstehen. Häufig erfolgt eine Abbildung der Mechanismen in mathematischen Modellen, um damit prädiktiv Fertigungsprozesse optimieren bzw. den Optimierungsprozess in der industriellen Praxis verkürzen zu können. Dabei werden anwendungsfallorientiert verschiedene metallische Werkstoffe und faserverstärkte Kompositwerkstoffe betrachtet. Grundlagenforschung wird weitüberwiegend in öffentlich geförderten Forschungsprojekten, z.B. durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) oder die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF), betrieben.

Ein Forschungsschwerpunkt in den technologischen Bereichen der Abteilung stellt die gezielte Randzonenbeeinflussung durch geometrisch bestimmte Fertigungsverfahren unter besonderer Berücksichtigung der erreichbaren Produktivität und Bauteilqualität dar. Die im Fertigungsprozess auftretenden Wirkungen auf den bearbeiteten Werkstoff (mechanisch, thermisch, chemisch sowie Kombinationen davon) werden messtechnisch und/oder durch Simulationen ermittelt und deren Effekt auf die resultierenden Randzoneneigenschaften systematisch untersucht. Auf Basis dieser quantitativen Zusammenhänge können Randzoneneigenschaften wissensbasiert und damit gezielter als bisher durch Fertigungsprozesse eingestellt werden.

Weitere Fragestellungen, die in der Grundlagenforschung der Abteilung bearbeitet werden, betreffen die Wärmeaufteilung in geometrisch bestimmten Zerspanverfahren, die Entstehung und Minimierung von Bauteilverzug durch prozess- und einspannbedingte Eigenspannungen sowie die Verkettung von Einzelprozessen, beispielsweise zur Fertigung antriebstechnischer Bauteile, im Verbund mit anderen Abteilungen des Instituts.Für ein verbessertes Verständnis von Mechanismen in geometrisch bestimmten Fertigungsprozessen werden Methoden der Modellbildung und Simulation eingesetzt. So können z.B. durch Einsatz der Finite-Elemente-Methode in Spanbildungssimulationen die physikalischen Ursachen für die Entstehung von Werkstoffveränderungen wie beispielsweise die Entstehung von Eigenspannungen oder Werkstoffschädigungen durch prozessbedingte Temperaturen und Spannungen im bearbeiteten Werkstoff gezielter analysiert und besser verstanden werden, als dies häufig auf Basis von Messungen möglich ist. Zudem werden in der Abteilung auch analytische Modelle entwickelt, die einen verbesserten Einblick in die Relevanz einzelner Parameter für einen Fertigungsprozess und eine schnellere Berechnung als nummerische Ansätze ermöglichen.

Neben Vorhaben in der Grundlagenforschung werden in der Abteilung Geometrisch bestimmte Prozesse anwendungsorientierte Forschungs- und Entwicklungsprojekte, zumeist in bilateralen Kooperationen, bearbeitet. Die Arbeiten befassen sich u.a. mit der Entwicklung und Optimierung von Werkzeugen und Prozessen und der Durchführung von Zerspanbarkeitsanalysen. Darüber hinaus werden auch vergleichende Analysen im Rahmen von Benchmarking-Untersuchungen durchgeführt.

 

 

Projekte der Geometrisch bestimmte Prozesse

PORE-Ti - Zerspanungsoptimiertes Drucken von Ti6Al4V-Komponenten für Verbundbauteile mit CFK

Ziel dieses Vorhabens ist die Herstellung und Zerspanung von Titan-CFK-Verbundbauteilen, deren Titankomponente mittels Selective Laser Melting hergestellt wird.

Es soll untersucht werden, ob sich die Zerspaneigenschaften des Titan-CFK-Verbundbauteils durch das Einbringen von Poren ins Titan positiv beeinflussen lassen. Ebenfalls im Fokus stehen Optimierungspotentiale der Geometrie von Bohr- und Fräswerkzeugen.

Additiv gefertigte Bauteile werden in der Regel endkonturnah gefertigt. Es kann aber nicht in jedem Fall auf eine zerspanende Nachbearbeitung verzichtet werden, vor allem wenn das gedruckte Bauteil zu einem Verbundbauteil mit einem Faserverbundwerkstoff weiterverarbeitet wird. Hierbei ergeben sich besondere Anforderungen an Fertigungsprozess und an Werkzeuge, im speziellen bei einer Kombination aus Titan und CFK.

Titan gilt als schwer zerspanbarer Werkstoff, bei dessen Zerspanung deutlich höhere Kräfte auf die Schneidkante wirken, als es bei CFK der Fall ist. Deshalb sind Werkzeuge für die Titanbearbeitung mit einer definierten Schneidkantenverrundung versehen, um Schneidkantenausbrüchen vorzubeugen. Beim CFK führt diese Verrundung jedoch zu einer verstärkten Delamination bzw. aufgeriebenen Bohrungswänden. Dies stellt für die Bearbeitung von Titan-CFK-Verbundwerkstoffen eine anhaltende Herausforderung dar.

Dieses Vorhaben wurde aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.

Bearbeitung: IWT-WT/ IWT-FT/Isemann

Förderung: EFRE_LURAFO

Dieses Projekt gehört zum  Forschungsschwerpunkts "Additive Fertigung" am IWT Bremen.

Kontakt:
Dipl.-Ing. Annika Repenning
Tel.: +49421 218 51150
E-Mail: repenning(at)iwt-bremen.de

Tobias Kinner-Becker
Tel.: +49421 218 51492
E-Mail: kinner-becker(at)iwt-bremen.de