Finishing additiv gefertigter Werkstücke mittels Strömungsschleifen

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5. Kantenworkshop Finishing von Kanten Berlin, 30. November 2017 Finishing additiv gefertigter Werkstücke mittels Strömungsschleifen Dipl.-Ing.

1 5. Kantenworkshop Finishing von Kanten Berlin, 30. November 2017 Finishing additiv gefertigter Werkstücke mittels Strömungsschleifen Dipl.-Ing. Simon Roßkamp Gruppenleiter Feinstbearbeitung und Finishing Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb Univ.-Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann Technische Universität Berlin Telefon: Internet:

2 Agenda Produktionstechnisches Zentrum Berlin Prozesskette: Zielsetzung Additive Fertigung Feinstbearbeitung und Finishing Fertigungsverfahren Strömungsschleifen: Verfahrensbeschreibung Spanbildung Strömungsschleifen in der Prozesskette: Oberflächenrauheit Kantenrundung Fazit Folie 2

3 Agenda Produktionstechnisches Zentrum Berlin Prozesskette: Zielsetzung Additive Fertigung Feinstbearbeitung und Finishing Fertigungsverfahren Strömungsschleifen: Verfahrensbeschreibung Spanbildung Strömungsschleifen in der Prozesskette: Oberflächenrauheit Kantenrundung Fazit Folie 3

Produktionstechnisches Zentrum Berlin Daten und Fakten 1986 Bezug des PTZ durch IWF und IPK 2011 Eröffnung des Anwendungszentrums Mikroproduktionstechnik - AMP 650

4 Produktionstechnisches Zentrum Berlin Daten und Fakten 1986 Bezug des PTZ durch IWF und IPK 2011 Eröffnung des Anwendungszentrums Mikroproduktionstechnik - AMP 650 Mitarbeiter Mehr als 90 Versuchsstätten und 9 Speziallabore auf ca m² 35 Mio. im Jahr % der ehemaligen Mitarbeiter gründeten ein eigenes Unternehmen Folie 4

5 Produktionstechnisches Zentrum Berlin Unternehmensmanagement Virtuelle Produktentstehung Produktionssysteme Füge- und Beschichtungstechnik Automatisierungstechnik Organisationsstruktur PTZ Berlin Montagetechnik und Fabrikbetrieb Industrielle Informationstechnik Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik Füge- und Beschichtungstechnik Industrielle Automatisierungstechnik Qualitätsmanagement Qualitätswissenschaft Bilder: Fraunhofer IPK; BAM; Trumpf; Bernhard Manfred/Stock-4B_RF Folie 5

Produktionstechnisches Zentrum Berlin Fachgebiet Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik Forschungsfelder: Werkzeugmaschinentechnologie

6 Produktionstechnisches Zentrum Berlin Fachgebiet Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik Forschungsfelder: Werkzeugmaschinentechnologie Werkzeugtechnologie Prozesstechnologie Schleiftechnologie Additive und abtragende Technologien Feinstbearbeitung und Finishing Mikroproduktionstechnik Folie 6

7 Agenda Produktionstechnisches Zentrum Berlin Prozesskette: Zielsetzung Additive Fertigung Feinstbearbeitung und Finishing Fertigungsverfahren Strömungsschleifen: Verfahrensbeschreibung Spanbildung Strömungsschleifen in der Prozesskette: Oberflächenrauheit Kantenrundung Fazit Folie 7

Prozesskette Zielsetzung Entwicklung einer

Strömungsschleifen für innere Strukturen

Kupfer durch additive Fertigung Reduzierung

8 Prozesskette Zielsetzung Entwicklung einer Prozesskette: Ermittlung der Potentiale der additiven Fertigung von Kupfer Äußere Nachbearbeitung mittels Gleitschleifen Strömungsschleifen für innere Strukturen Ziele: Hohe Dichte in Werkstücken aus Kupfer durch additive Fertigung Reduzierung der Oberflächenrauheit und Erzeugung einer Kantenrundung mittels Gleitschleifen Gleichzeitige Bearbeitung innerer Strukturen durch Strömungsschleifen: Verschiedene Längen Verschiedene Ausrichtungen Verschiedene Querschnitte Folie 8

Prozesskette Additive Fertigung Verfahren

Ebenen Vorteile der additiven Fertigung:

Weitgehende Geometriefreiheit Individuelle

additiven Fertigung: Vergleichswerkstück

9 Prozesskette Additive Fertigung Verfahren Eigenschaften des Werkstücks: Werkstoff: CuCr1Zr (2.1293) Komplexe Geometrie zur Qualifizierung des Prozesses: Belichten Verfahren schematisch Beschichten Rundungen Überhänge Ebenen Vorteile der additiven Fertigung: Geeignet für komplexe Strukturen Weitgehende Geometriefreiheit Individuelle Konstruktion möglich Nachteile der additiven Fertigung: Vergleichswerkstück Werkstoffpulver für SLM-Prozess Oberflächenrauheit nicht ausreichend Additiv gefertigter Turbolader Folie 9

Prozesskette Feinstbearbeitung und Finishing Gleitschleifen Spanabnahme durch Relativbewegung zwischen Werkstück und Schleifkörper mit erreichbaren Oberflächengüten von Ra = 0,1 µm

hoher Stückzahlen möglich Tauchgleitschleifen (mit einem Industrieroboter): Werkstücke am Roboter befestigt Relativbewegung durch die Kinematik des Roboters bei angeregtem oder stehendem

10 Prozesskette Feinstbearbeitung und Finishing Gleitschleifen Spanabnahme durch Relativbewegung zwischen Werkstück und Schleifkörper mit erreichbaren Oberflächengüten von Ra = 0,1 µm Vibrationsgleitschleifen: Schleifkörperschüttung beim Vibrationsgleitschleifen Werkstücke lose oder fixiert im Behälter Relativbewegung durch Vibration des Gleitschleifbehälters Bearbeitung hoher Stückzahlen möglich Tauchgleitschleifen (mit einem Industrieroboter): Werkstücke am Roboter befestigt Relativbewegung durch die Kinematik des Roboters bei angeregtem oder stehendem Gleitschleifbehälter Gezielte, effiziente Bearbeitung komplexer Werkstücke Vorteile: Aufbau für robotergeführtes Tauchgleitschleifen Homogene Außenbearbeitung Auswahl verfügbarer Schleifkörperformen Folie 10

Prozesskette Feinstbearbeitung und Finishing Strömungsschleifen Junges, in 1960er Jahren entwickeltes Verfahren Klassisches Finishing-Verfahren: Nach- und

Bearbeitung Großes Forschungspotential Industrielle Relevanz Wichtiger Anwendungsbezug der Forschung Vorteile: Bearbeitbarkeit nahezu aller Werkstoffe

11 Prozesskette Feinstbearbeitung und Finishing Strömungsschleifen Junges, in 1960er Jahren entwickeltes Verfahren Klassisches Finishing-Verfahren: Nach- und Endbearbeitung Erzeugung höchster Oberflächengüten (Ra < 0,05 µm) Entgraten und Kantenrunden z.b. an Bohrungsverschneidungen Werkstücke vor und nach der Bearbeitung Großes Forschungspotential Industrielle Relevanz Wichtiger Anwendungsbezug der Forschung Vorteile: Bearbeitbarkeit nahezu aller Werkstoffe Erreichbarkeit aller strömungstechnisch wesentlichen Bereiche Prozesse aufgrund zahlreicher Einflussgrößen individuell auslegbar Flugzeugtriebwerk [Quelle: MTU Aero Engines AG] Folie 11

12 Agenda Produktionstechnisches Zentrum Berlin Prozesskette: Zielsetzung Additive Fertigung Feinstbearbeitung und Finishing Fertigungsverfahren Strömungsschleifen: Verfahrensbeschreibung Spanbildung Strömungsschleifen in der Prozesskette: Oberflächenrauheit Kantenrundung Fazit Folie 12

Fertigungsverfahren Strömungsschleifen Verfahrensbeschreibung Oberer Kolben Oberer Zylinder Werkstück Werkstückhalter Abrasives Medium Unterer Zylinder Unter Kolben Bearbeitung innenliegender

13 Fertigungsverfahren Strömungsschleifen Verfahrensbeschreibung Oberer Kolben Oberer Zylinder Werkstück Werkstückhalter Abrasives Medium Unterer Zylinder Unter Kolben Bearbeitung innenliegender Oberflächen und Kanten Geschlossenes System bestehend aus: Kolben Zylinder Werkstückhalter Werkstücken Wesentliche Komponenten des Bearbeitungsmediums: Trägermedium: flüssiges Polymer Abrasivpartikel: Siliziumkarbid, Diamant, Borkarbid Bearbeitungsmedium weist strukturviskoses Verhalten auf Strukturviskoses Bearbeitungsmedium Folie 13

14 Fertigungsverfahren Strömungsschleifen Spanbildung Spanabnahme : Schleifkorn Werkstück Reibung Scherung p stat Span Tangentialkraft F T Kontaktpartner: Abrasivpartikel des Bearbeitungsmediums Oberfläche des Werkstückes Prozessparameter: Trägermedium Normalkraft F N Maschinenparameter: Druck, Strömungsgeschwindigkeit, Hublänge, Zyklenanzahl, Temperatur Bearbeitungsmedium: Viskosität, Abrasivpartikel (Werkstoff, Größe, Massenanteil) Kolbendruck p dyn Entscheidend für Bearbeitungsergebnisse: lokale Prozessparameter Folie 14

15 Agenda Produktionstechnisches Zentrum Berlin Prozesskette: Zielsetzung Additive Fertigung Feinstbearbeitung und Finishing Fertigungsverfahren Strömungsschleifen: Verfahrensbeschreibung Spanbildung Strömungsschleifen in der Prozesskette: Oberflächenrauheit Kantenrundung Fazit Folie 15

vor und nach der Finishing-Bearbeitung Planflächen: Rz zwischen 155 µm und 260 µm 250 µm 150 Löcher: Rz zwischen 125 µm und 190 µm Ergebnisse Gleitschleifen: Maßgebliche Bearbeitung der äußeren

16 Größte Höhe des Profils Rz 5. Kantenworkshop Finishing von Kanten Berlin, 30. November 2017 Strömungsschleifen in der Prozesskette Oberflächenrauheit Ergebnisse additive Fertigung: Hohe Übereinstimmung zwischen angestrebter und erzielter Form Oberlächenrauheiten: Werkstücke vor und nach der Finishing-Bearbeitung Planflächen: Rz zwischen 155 µm und 260 µm 250 µm 150 Löcher: Rz zwischen 125 µm und 190 µm Ergebnisse Gleitschleifen: Maßgebliche Bearbeitung der äußeren Flächen inklusive Glanz Reduzierung der Oberflächenrauheiten: Eckiges Loch Rundes Loch Rz vor Strömungsschleifen Rz nach Strömungsschleifen Schräges Loch Planflächen: Rz zwischen 24 µm und 100 µm Löcher: Bearbeitung nur stellenweise möglich Deutliche Reduzierung der Oberflächenrauheit in allen Lochformen und Lochausrichtungen mit besonderem Glanz mittels Strömungsschleifen Erzeugung gleichmäßiger Kantenrundungen mittels Strömungsschleifen Folie 16

17 Kantenrundung r k Position auf y-achse Anzahl Zyklen µm Strömungsschleifen in der Prozesskette Kantenrundung Vermessung der Kanten und der inneren Geometrie nach jedem Prozessschritt exakte Aussage über die Lage der Kantenformen zueinander möglich Deutliche Formveränderung zu Beginn der Prozesszeit Degressive Weiterentwicklung der Kantenrundung Ursache: Hohe Scherraten an scharfen Kanten, geringe Scherraten an gerundeten Kanten µm Kontinuierliche Durchmesseraufweitung während der Prozesszeit µm 3500 Position auf x-achse Werkstück: d i4 = 4,0 mm d i9 = 9,0 mm Prozessparameter: Volumenstrom: V = 7000 mm 3 /s Hublänge l h = 4x50 mm Medientemperatur: T = 35 C Anzahl Zyklen: 0 Zyklen 1 Zyklus 3 Zyklen 6 Zyklen 10 Zyklen 15 Zyklen 25 Zyklen 40 Zyklen 60 Zyklen Kantenrundung: linker Kreis r l rechter Kreis r r totaler Kreis r t Folie 17

Agenda Produktionstechnisches Zentrum Berlin Prozesskette: Zielsetzung Additive Fertigung Feinstbearbeitung und Finishing Fertigungsverfahren

18 Agenda Produktionstechnisches Zentrum Berlin Prozesskette: Zielsetzung Additive Fertigung Feinstbearbeitung und Finishing Fertigungsverfahren Strömungsschleifen: Verfahrensbeschreibung Spanbildung Strömungsschleifen in der Prozesskette: Oberflächenrauheit Kantenrundung Fazit Folie 18

Fazit Additive Fertigung Hohe Formgüte des Werkstücks durch additive Fertigung Nachbearbeitung der äußeren Flächen durch Gleitschleifen erfolgreich: Reduzierung der

aller Löcher mit unterschiedlichen Ausrichtungen Reduzierung der Oberflächenrauheit Aufwertung der Oberfläche durch Glanz Strömungsschleifen Erzeugung von

19 Fazit Additive Fertigung Hohe Formgüte des Werkstücks durch additive Fertigung Nachbearbeitung der äußeren Flächen durch Gleitschleifen erfolgreich: Reduzierung der Oberflächenrauheit Aufwertung der Oberfläche durch Glanz Gleitschleifen Nachbearbeitung der Löcher mittels Strömungsschleifen erfolgreich: Gleichzeitige Bearbeitung aller Löcher mit unterschiedlichen Ausrichtungen Reduzierung der Oberflächenrauheit Aufwertung der Oberfläche durch Glanz Strömungsschleifen Erzeugung von Kantenrundungen Ungleichmäßige Bearbeitung des rechteckigen Querschnitts aufgrund von Strömungseffekten Abhilfe durch geeignete Vorrichtung Prozesskette auch für Kupfer sehr gut geeignet Folie 19

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. Simon Roßkamp Gruppenleiter Feinstbearbeitung und Finishing Telefon: +49 (0) Finishing von Kanten Kantenworkshop 30. November 2017 Produktionstechnisches Zentrum Berlin Folie 20

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