Bearbeitung von Diamant und CBN mit dem Laser

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1 Bearbeitung von Diamant und CBN mit dem Laser EWAG Laserline Pulsweite t P = 10 ps Wellenlänge λ = 1030 nm Leistung P avg max = 50 W Fluenz F=1.79 J/cm 2 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe , Messeforum Luzern 1

2 Präparation der Schneidkante in PKD Referenzpunkte Prozess parameter Start End- Bedingung Materialdatenbank 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe , Messeforum Luzern 2

3 Geschliffen a und c Gelasert b und d Korndurchmesser: a und b: 4 µm Korndurchmesser c und d 20 µm 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe , Messeforum Luzern 3

4 Schneidkräfte laserbearbeiteter und geschliffener Kanten Eberle Schnittkräfte der gelaserten und geschliffenen Schneiden liegen im gleichen Rahmen. Die Abhängigkeiten von Faserwinkel und Abtragsrate sind deutlicher 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe , Messeforum Luzern 4

5 Laserstrukturierte Diamantwerkzeuge Herstellung von Strukturen mittels Laser Axinte EWAG Strukturierung von Schleifwerkzeugen 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe , Messeforum Luzern 5

6 Zahnradhonmaschine Präzisionsverzahnmaschine Lasertouchieren von diamantbelegten Abrichträdern Bearbeitungszeit beim Diamantschleifen: bis zu 60 Stunden Ziele: 1) Zykluszeit reduzieren 2) Verschleiss 3) flexible Steuerung Tangentiale Lasereinstrahlung Bisher konventionell Neu Laser Touchierwerkzeug Touchieren Konventionelle WS-Oberfläche Gelasert WS-Oberfläche Abrichtrad Abrichten Honrad Honen Zahnrad 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe inspire AG 08/ / , Messeforum Luzern 6

7 Prüfstand Maschinenspezifikationen Mechanische Achsen X-Achse mm/s Y-Achse 50 2,5 mm/s Bearbeitungsbereich Hochleistungs- Picosekundenlaser Z-Achse A-Achse B-Achse U/min Optische Achsen Ablenkeinheit Periskop Max. Scanlinienlänge Strahlauslenkungsgeschwindigkeit 90 mm 5000 mm/s Gewicht 1800 kg Abmessungen BxHxT 1500 x 3000 x 1500 mm 3 Polarisatorelemente Ablenkeinheit Absaugung Umlenkspiegel Maschinen-Highlights 1. 5-Hochpräzisionsachsen 2. 6-Achssimultansteuerung mit Labview und Matlabunterstützung 3. Interpolationstakt 8 khz 4. Einstellbare Polarisation 5. Niveauregulierter schwingungsgedämpfter optischer Tisch 6. Online Strahl-Charakterisierung und Messung 7. Einstellbarer Brennpunktdurchmesser Induktiver Sensor Kamera mit Mikroskop Objektiv Werkstück Achsen 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe inspire AG 08/ / , Messeforum Luzern 7

8 Ablenkeinheit 164 mm telezentriches f-θ Objektiv 8-seitig Gold beschichtes Polygonrad massiver Aluminium Grundkörper Hochpräzise direktangetriebene Drehachsen Rückwärtige Wasserkühlung Max. Geschw.keit = 600 U/min 2" Umlenkspiegel Variabler Strahlaufweiter v scan_max = 5 m/min (8-seitig) v scan_max = 9 m/min (14- seitig) 6-achsige Halterung Variabler 2-8x Strahlaufweiter Telezentrisches f-θ Objektiv (Scanfeld 90x90mm) 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe inspire AG 08/ / , Messeforum Luzern 8

9 Laser Touch Dressing Laser: Timebandwidth Duetto, Pulsdauer 12 ps, Pulsenergie: 200µJ Reduktion der Abrichtzeiten um Faktor 2 bis 5 Definierter Kornüberstand Keine Graphitisierung oder Rissbildung Beseitigung schlechter Freiflächen Geringerer Energieeintrag Gleiche Rauhigkeit Komplexe Geometrien möglich incl. topolog. Korrektur 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe , Messeforum Luzern 9

10 Lasertouchieren Ergebnisse Erweitertes Lasertouchieren Repetierende Strukturieren zur Erzeugung Quasi-Engineered Grinding Tools Schritt 1: radiale Bearbeitung Spanfläche Schritt 2: tangentiale Bearbeitung Freifläche und Entfernung Binderschmelzrückstände 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe inspire AG 08/ / , Messeforum Luzern 10

11 Profilieren von CBN-Schleifscheiben Feinste Geometrien auf Hartstoffen Gelingt auch mit grossen Körnern bestimmte Schneiden Eckenradius < 20 µm Profilradius 1 mm 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe , Messeforum Luzern 11

12 Laser Profilierung & Schleifversuche Langzeitschleiftest: Kraftmessung und Verschleissmessung a) SEM- Aufnahme eines neu erzeugten Profils b) SEM- Aufnahme eines Werkzeugs nach V w = 7000 mm 3 /mm spezifischen Materialabtrags Stabile Schleifbedingungen nach Einlauf mit höheren Kräften Dichte Oberfläche durch tangentiales Laserprofilieren Einlauf durch Selbstschärfung und z.t. auch Kornausbruch 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe , Messeforum Luzern 12

13 Zerspanung von CFK Vielfältige Werkzeuge am Markt Optimale Schneidkantengeometrie? What is the optimal cutting geometry? Winkel Beschichtung Substrat Schnittparameter Kühlung, Staubabsaugung Kein Dominant Design 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe , Messeforum Luzern 13

14 Parameter: v c = 90 m/min Hersteller A f = 0.06 mm/u Werkzeugprofil CFK Zerspanung - Werkzeuge alle diamantbeschichtet, Material IMA-12K, hohe Faserdichte - Schneidkantenmessung bei 80% Radius (nicht Schneidenecke) - Verschleiss lässt Spanfläche intakt, konzentriert sich auf Freifläche 1 mm 1 mm Bohrung 1 Bohrung mm Bohrung mm Bohrung 1000 Blau: neu, grün, rot: Verschleiss 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe , Messeforum Luzern 14 14

15 CEA in der Bohrbearbeitung von CFK Man muss auch messen können, was man fertigt Cutting edge analyser (CEA) Analyse wichtiger Schneidkanteneigenschaften Statistisch signifikante Zusammenhänge evaluieren Wichtige Merkmale aus Grundlagenforschung l γ, r peak, r sg und α r sg 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe , Messeforum Luzern 15

16 CEA in der Bohrbearbeitung von CFK Definition einer Qualitätskennzahl: Q krit = w 1 v 1 l γ + w 2 v 2 1 r sg + w 3 v α + w 4 v 4 r peak v i : Skalierungsfaktoren, v i x i 5 w i : Gewichtungsfaktoren, w i = 1 Werkzeuge mit einem Q krit < 1 verfügen über eine Hauptschneide mit guten Schnittbedingungen Entwicklung von Werkzeugen mit besonders langsam wachsender Qualitätskennzahl Hersteller A Hersteller B Benchmarktool Anzahl Bohrungen neu neu neu r peak [μm] 11,72 2,03 2, ,4 4,4 8,3 6,2 8,6 r sg [μm] 9,83 96, ,4 7,1 613,5 9,8 25,2 218,9 l γ [μm] 11,41 50,3 64,52 13,5 47,5 78,8 8,11 55,7 82 Q krit [ - ] 0,85 0,62 0,70 0,88 0,96 0,90 0,86 1,13 1,33 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe , Messeforum Luzern 16 16

17 Hersteller A Hersteller B Benchmark 17 Bohrbearbeitung CFK Ø 6.35 mm Bohrung 1 Bohrung 200 Bohrung 400 Bohrung 600 Bohrung 1000 Vorschub 0 m Vorschub 1,6 m Vorschub 3,2 m Vorschub 4,8 m Vorschub 8 m 2 mm 2 mm 2 mm 2 mm 2 mm 2 mm 2 mm 2 mm 2 mm 2 mm 2 mm 2 mm 2 mm 2 mm 2 mm

18 Vorschubkraft [N] Vorschubkraftentwicklung CFK Ø 6.35 mm Die Vorschubkraftentwicklung spiegelt exakt die Entwicklung der Schnittqualität wieder Hersteller A Hersteller B Benchmark Anzahl Bohrungen 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe , Messeforum Luzern 18 18

19 Neues SLS-Material - Situation heute: SLS ist bei weitem das wichtigste industriell eingesetzte additive Verfahren in Kunststoff - Praktisch nur PA 12 verarbeitbar mit den Eigenschaften von PA 12 - Neues Material: - ICOPP, Polyolefin - Hervorragende Schlagzähigkeit - Mechanisches Verhalten - Prozessfenster - Pulverrcyclierbarkeit 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe , Messeforum Luzern 19

20 Neues SLS-Material Einflussparameter im SLS - Prozess System fitness Calibration Equipment preventive maintanance Producer Q-control (supplier) control Q-control Plastic powder Virgin powder flowability mixing sieving distribution Used powder Material flowability Q-control (internal) distribution Process fitness? Type, Q-control (supplier) Metal powder Influence parameter on ALM-Processes (Rapid Manufacturing) 2010 Inspire data Process parameter Part orientation Part preperation Sacrificial parts Process control Dimension (geometry) Surface Inspection (visual) Surface refining coating infiltration Density Finish Production Batch Part Tracking system along the process chain to guarantee the traceability of the production of any part 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe , Messeforum Luzern 20

21 SLS-Materialeinfluss Particle Reflection Transmission spherical Optics Shape spattered plane Latent heat Adsorption (10.6 µm) Expansion coefficient Heat capacity Humidity Surface precipitation spray drying cryo-milling Manufacturing hackly Powder melting oxidation Sintering Window crystallisation Conductivity of heat Homopolymer bulk density tap density Ageing recyclability Copolymer Distribution Flowability Rheology Chemistry Surface tension η 0 (melt viscosity) 5 main topics: - Particle - Powder behaviour - Optical properties - Thermal behavior - Rheology SLS Material According to Dr. Olaf Rehme (SIEMENS AG, Berlin) Thermal 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe , Messeforum Luzern 21

22 Ph. III Ph. II Ph.I New SLS-material PSD: PFF: DSC: OIT: MFI: Powder and Part Analyses Mechanical Tests PSD PFF DSC OIT MFI Tensile Charpy Powder I Parts I Powder II Parts II Powder III Parts III Powder IV particle shape distribution (visual determination) powder flowability and fluidisation (mechanical agitation) thermal analysis with differential scanning calorimetry Oxidation Induction Temperature (thermal powder deterioration) Melt Flow Index (viscosity change by powder ageing) Tensile: Tensile Test for E-modulus, Tensile Strength, Elongation at break Charpy: notched and unnotched Charpy impact (ISO 179-1) 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe , Messeforum Luzern 22

23 Mechanisches Verhalten (Zugversuch) E-Modul [MPa] ~ 900 MPa Bruchdehnung [%] > 200 %!! Parts I (X) Parts I (Y) Parts II Parts III 0 Parts I (X) Parts I (Y) Parts II Parts III 25 Zugfestigkeit [MPa] ~ 21 MPa Parts I (X) Parts I (Y) Parts II Parts III 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe , Messeforum Luzern 23

24 Industrieteile aus icopp: Automotive authorized by: 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe , Messeforum Luzern 24

25 Zusammenfassung Aufgrund von sich verändernden Produktanforderungen werden ständig neue Werkstoffe mit noch besseren Gebrauchseigenschaften generiert Neue Materialien, vor allem solche mit «besseren Gebrauchseigenschaften» stellen in Fertigungsprozessen erhebliche Herausforderungen dar. Sie erfordern neue Werkzeuge und / oder die Erarbeitung neuer Prozessfenster Damit wird eine Wirkkette in Gang gesetzt, die die Herstellung von Werkzeugen mit einbezieht, also auch hier neue Materialien, neue Prozesse und / oder neue Prozessfenster verlangt Und wenn schon neue Verfahren, so eröffnen diese zumeist noch ganz andere Möglichkeiten der Gestaltung von Werkzeugen und Produkten in Werkstoffen mit «besseren Gebrauchseigenschaften» Auf dieser Wirkkette liegt erhebliches Optimierungspotential. 3. SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe , Messeforum Luzern 25

26 Neue Werkstoffe als Herausforderung für die Fertigungstechnik Vielen Dank für Ihre geschätzte Aufmerksamkeit SMM Kongress Luzern - Moderne Produktionstechnik für Hochleistungswerkstoffe , Messeforum Luzern 26