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.
Hierzu zählen u.a.:
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.
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@iwt-bremen.de
Tobias Kinner-Becker
Tel.: +49421 218 51492
E-Mail: kinner-becker(at)iwt-bremen.de
Das Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung und Bewertung neuer, umweltfreundlicher Hydraulikflüssigkeiten basierend auf biologisch gut abbaubaren Polysacchariden aus dem nachwachsenden Rohstoff Makroalge.
Zur Bewertung der Eignung wurden umfangreiche Tribologieuntersuchungen der polysaccharidbasierten Flüssigkeiten unterschiedlicher Konzentrationen an einem Cross-Cylinder-Tester durchgeführt. Unter Hinzugabe eines Schmieradditivs (< 2 Vol.-%) konnten vergleichbare Ergebnisse zu konventionellen Hydraulikölen erzielt werden. Diese Flüssigkeiten werden zukünftig auf einem Hydraulikaggregat bzgl. ihrer mechanischen Stabilität geprüft.
Kooperation: Hochschule Bremen
Förderung: BAB
Kontakt:
Dr.-Ing. Jens Sölter
Tel.: +49 421 218 51187
E-Mail: soelter@iwt.uni-bremen.de
Ziel des Transferprojekts ist die Optimierung der Fertigung von blade-integrated Disks aus einer Nickelbasis-Superlegierung durch Nutzung der Prozesssignatur als Korrelation zwischen Werkstoffbeanspruchung und -modifikation.
Insbesondere zur Bestimmung von Werkstoffbeanspruchungen wurde ein numerisches Spanbildungsmodell qualifiziert. Ein umfangreiches experimentelles Versuchsprogramm unter möglichst geringem Werkstückwerkstoffverbrauch wurde ausgelegt und zur Ermittlung der Prozesssignatur herangezogen. Auf dieser Basis wird eine optimierte Zweischnittstrategie entwickelt, für ein maximales Zeitspanvolumen bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Grenzwerten der Modifikationen hinsichtlich der Eigenspannungen, Rauheit und Existenz weißer Schichten.
Kooperation: Rolls-Royce Deutschland
Förderung: DFG (SFB/TRR 136, Transferprojekt)
Kontakt:
Dr.-Ing. Jens Sölter
Tel.: +49 421 218 51187
E-Mail: soelter@iwt.uni-bremen.de
Das zentrale Ziel des Transferprojekts ist die Entwicklung technologischer Lösungen, um die Produktivität bei der industriellen Hartzerspanung von Stählen mit geometrisch bestimmter Schneide zu steigern.
Dabei stehen insbesondere der Zustand der Werkstückrandzone und der Werkzeugverschleiß im Fokus. Hierzu ist, basierend auf den Ergebnissen aus dem SFB/TRR 136, eine Prozesssignatur für das Außenlängsdrehen gehärteter Werkstücke zu erarbeiten. Die Schnittstrategien, Stellgrößenkombinationen und Prozessgrenzen zur Maximierung des Zeitspanungsvolumens sollen unter Vermeidung von Randzonenschädigungen wie weißen Schichten und Zugeigenspannungen wissensbasiert abgeleitet werden. Der Schwerpunkt der Forschungsarbeiten liegt auf der simulativen und experimentellen Untersuchung der Zusammenhänge entlang der Wirkkette unter Berücksichtigung verschiedener Werkzeugverschleißzustände.
Kooperation: Leibniz-IWT FT/WT, Thyssenkrupp Rothe Erde
Förderung: DFG (SFB/TRR 136 Transferprojekt)
Kontakt:
Dr.-Ing. Jens Sölter
Tel.: +49 421 218 51187
E-Mail: soelter@iwt.uni-bremen.de
Das übergeordnete Ziel des Projektes AMELA ist die Untersuchung von metastabilen β-Titanlegierungen für die additive Fertigung von Luftfahrtkomponenten. Diese Legierungen lassen sich eigenspannungsarm und mit hoher Duktilität mittels selektivem Laserstrahlschmelzen (LPBF) verarbeiten und die mechanischen Kennwerte anschließend mittels Wärmebehandlung (α-Auslagerung) einstellen.
Die Veränderung des Gefüges wird entlang der Prozesskette über den LPBF-Prozess, die Wärmebehandlung, das heißisostatische Pressen und die spanende Oberflächenbearbeitung mittels Fräsen untersucht und mit der Änderung der mechanischen Eigenschaften sowie der Zerspanbarkeit des Materials korreliert. Es konnte gezeigt werden, dass die Zerspanbarkeit (Werkzeugverschleiß, Zerspankraft, Rauheit, Spanform) im metastabilen β-Gefüge vorteilhaft ist im Vergleich zur ausgelagerten und auch konventionell gewalzten Variante.
Kooperation: Leibniz-IWT FT/WT, TU Chemnitz
Förderung: BMWK LuFo VI-2 20E1901B
Kontakt:
Dr.-Ing. Jens Sölter
Tel.: +49 421 218 51187
E-Mail: soelter@iwt.uni-bremen.de
Zur Erarbeitung eines verbesserten Verständnisses der Verschleißentwicklung von beschichteten Hartmetallwerkzeugen wird für das Außenlängsdrehen ein auf Spanbildungssimulationen basierendes (Whitebox-)Modell mit einem künstlichen neuronalen Netz (Blackbox-Modell) zu einem Greybox-Modell verknüpft. Das Whitebox-Modell ermöglicht auf Basis des gemessenen thermisch-mechanischen Belastungskollektivs eine näherungsweise Bestimmung aktueller Werkzeugverschleißkenngrößen.
Gemeinsam mit in-prozess erhobenen Messdaten finden diese Eingang in das Blackbox-Modell, um den Werkzeugverschleiß präzise vorherzusagen. Dabei werden insbesondere die in Körperschallsignalen, Barkhausenrauschamplituden, Prozesskräften, Werkstückmaßen und -rauheiten enthaltenen Informationen zum Verschleißzustand berücksichtigt. In einem ersten Entwurf eines hybriden Modells wurde Vorwissen innerhalb der Verlustfunktion eines Blackbox-Modells eingebracht. Dabei zeigten sich vielversprechende Ergebnisse bezüglich der Robustheit, Inter- und Extrapolationsfähigkeit des entworfenen Hybridmodells gegenüber einem Blackbox-Modell und einem Regressions-Modell. Durch ein für dieses Projekt speziell entwickeltes Verfahren konnte die Repositionierungsgenauigkeit des in-situ Messsystems deutlich gesteigert werden, sodass für das Training des Blackbox-Modells optische Messverfahren eingesetzt werden können, die eine präzise In-Situ-Bestimmung der Werkzeuggeometrie und -beschichtungsdicke ermöglichen.
Kooperation: BIMAQ
Förderung: DFG (SPP 2402)
Kontakt:
Dr.-Ing. Lars Langenhorst
Tel.: +49 421 218 51113
E-Mail: langenhorst@iwt-bremen.de
Dieses Transferprojekt konzentriert sich auf die Untersuchung, wie Dehnraten die Werkstoffmodifikation in Fertigungsprozessen mit mechanischer Wirkung beeinflussen.
In Zusammenarbeit mit einem Industriepartner sollen mithilfe von Prozesssignaturkomponenten Rückschlüsse auf das Prozessdesign gezogen werden. In den aktuellen Arbeiten werden insbesondere die Auswirkungen von Aufprallenergie und Werkzeugdurchmesser auf den Hämmer-Prozess durch Experimente und Finite-Elemente-Simulationen analysiert. Das Finite-Elemente-Modell wurde entwickelt, um die Werkstoffbeanspruchungen zu quantifizieren und sie mit den resultierenden Werkstoffmodifikationen in Verbindung zu bringen.
Kooperation: Ecoroll AG Werkzeugtechnik
Förderung: DFG (SFB/TRR 136 Transferprojekt)
Kontakt:
M.Sc. Zhaoyu Chen
Tel.: +49 421 218 51148
E-Mail:chen@iwt-bremen.de
Die Herstellung von Bauteilen auf dem Mars stellt eine besondere Herausforderung für die Besiedelung des Planeten und die dort eingesetzten Prozesse und Verfahren dar. Bauteile müssen mit stark limitierten Ressourcen unter Einsatz von auf dem Mars nur begrenzt verfügbarem Rohmaterial hergestellt werden.
Inhalt des Projektes ist die Untersuchung der Herstellbarkeit von „enough to use“ Bauteilen aus Metallen mit einem variierten Anteil von Regolith-Analog. Als Verfahren wird Festwalzen eingesetzt, um vorgesinterte Bauteile mechanisch zu verfestigen und gleichzeitig die Oberflächen der Bauteile so zu glätten, dass diese mit trocken-adhäsiven Methoden energetisch optimiert gehandhabt werden können. Die im Projekt betrachtete Prozesskette aus Sintern, Festwalzen und Handhabung konnte mit Rohmaterial, das bis zu 30 % Regolith enthält, realisiert werden. Dabei wurden die positiven Einflüsse des Festwalzens quantifiziert.
Kooperation: Leibniz-IWT FT/VT, BIME
Förderung: Universität Bremen
Kontakt:
Dr.-Ing. Jens Sölter
Tel.: +49 421 218 51187
E-Mail: soelter@iwt.uni-bremen.de
Der Programmbereich Fertigungstechnik des Leibniz-IWT beteiligt sich im Hauptarbeitspunkt 5 (HAP5) „Reparatur, Wiederverwendung, Materialrückführung“ an der Weiterentwicklung der Kaltgasspritztechnologie (Cold Spray) als Reparaturmethode für Fertigungsfehler in der Flugzeugproduktion und Schadensbeseitigung im Rahmen von Wartungsaufgaben.
Ziel ist es, die hinreichende Wiederherstellung der ursprünglichen Stoffeigenschaften in Aluminiumstrukturen sicherzustellen. Für die Reparatur sind dazu Bereiche zerspantechnisch freizulegen und für das Kaltgasspritzen vorzubereiten. Im Anschluss sind die Bereiche, unter Einhaltung der erforderlichen Werkstoffkennwerte, im fertigungstechnischen Umfeld auf Maß zu bringen und die Oberflächen für die nachfolgenden Bearbeitungen vorzubereiten (z. B. Lackieren). So sind z. B. bei den vorbereitenden Arbeiten eine hinreichende Werkstoffanbindung zu dem aufgespritzten Material sicherzustellen und beim Spritzen und Nacharbeiten die Wechselwirkungen mit den jeweiligen Prozessparametern hinsichtlich der Werkstoffeigenschaften zu optimieren. Zur Bestimmung der Einflüsse auf die Bindefestigkeit dickerer, kaltgasgespritzter Materialaufträge wurde guthaftendes Reinaluminium 10 mm stark auf Aluminiumstangenmaterial (3.1355, AlCu4Mg1) aufgetragen und, nach Huang & Fukanuma, die Bindeschicht in den jüngsten Querschnitt gelegt.
Kooperation: Leibniz-IWT FT/WT, Airbus
Förderung: BMWK LuFo 6.2
Kontakt:
Dr.-Ing. Rüdiger Rentsch
Tel.: +49 421 218 51191
E-Mail: rentsch@iwt.uni-bremen.de
Das Teilvorhaben des Leibniz-IWT im Verbundprojekt TiHydroAero adressiert das Ziel einer „umweltfreundlichen Luftfahrt“, die mittels einer signifikanten Reduktion von CO2- und NOX-Emissionen auf Basis neuer Antriebstechnologien wie z. B. Wasserstoff und konsequentem Leichtbau entwickelt und zum Einsatz gebracht werden sollen. Additive Fertigungsverfahren, wie das Pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (LPBF) und das Kaltgasspritzen (CS) von Titanwerkstoffen mit hoher spezifischer Festigkeit, sind Schlüsseltechnologien zur Erreichung dieses Ziels.
Der Programmbereich Fertigungstechnik übernimmt hierzu die fertigungstechnische Vorbearbeitung der für das Kaltgasspritzen vorgesehenen Flächen, das Kaltgasspritzen der Titanlegierungen sowie die notwendigen, mechanischen Randzonenmodifikationen, um die erforderlichen Werkstoffkennwerte und Eigenschaften für Wasserstoffanwendungen zu ermöglichen. Im Fokus stehen hier eine hinreichende Werkstoffanbindung zu dem aufgespritzten Material, die Gefügeveränderungen und Eigenspannungen infolge der Nacharbeitung mittels Spanen und Festwalzen.
Kooperation: Leibniz-IWT FT/WT, TU Chemnitz
Förderung: BMWK LuFo 6.3
Kontakt:
Dr.-Ing. Rüdiger Rentsch
Tel.: +49 421 218 51191
E-Mail: rentsch@iwt.uni-bremen.de
Das Ziel des Vorhabens ist es, den Wärmeeintrag aus der primären Scherzone in das Werkstück für kühlschmierstofffreie, praxisrelevante Zerspanverfahren in grundlegender, allgemein verwendbarer Form zu beschreiben.
In der 1. Förderphase wurden hierzu Wärmeaufteilungsmodelle für die Prozesse Quasi-Orthogonalfräsen und Planumfangsfräsen erfolgreich entwickelt, validiert und angewandt. Das daraus entstandene Wärmeaufteilungsdiagramm ist in der Lage, den im Werkstück verbleibenden Anteil der Scherleistung in Abhängigkeit von zwei dimensionslosen Kennzahlen vorherzusagen. In der 2. Förderphase wurde die Methodik erweitert, um die Gültigkeit des Ansatzes für das Außenlängs-Runddrehen zu prüfen. Es konnte ein prozessübergreifender funktionaler Zusammenhang für die Wärmeaufteilung gefunden werden.
Förderung: DFG
Kontakt:
Dr.-Ing. Jens Sölter
Tel.: +49 421 218 51187
E-Mail: soelter@iwt.uni-bremen.de