Intelligente Präzisionswerkzeuge und innovative Beschichtungen als Basis für moderne Produktionstechniken in KMU

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1 Intelligente Präzisionswerkzeuge und innovative Beschichtungen als Basis für moderne Produktionstechniken in KMU Dr.-Ing. Frank Barthelmä GFE - Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e.v Schmalkalden Näherstiller Straße 10 Tel. (03683) , Fax: (03683) , info@gfe-net.de, Vortrag im Rahmen der Reihe Hochschulstandorte stellen sich vor

2 Gliederung 1 Kurzvorstellung GFE Schmalkalden e.v. 2 Intelligente Präzisionswerkzeuge 3 Innovative Beschichtungen 4 Netzwerke und Cluster in Thüringen mit Bezug zur Arbeit der GFE 5 Zusammenfassung und Ausblick

3 Forschungs-, Wissenschafts- und Wirtschaftsstandort Thüringen!

4 GFE - Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e.v. Kernbereich FuE-Schwerpunkte Fertigungstechniken Produktionstechnik Präzisionswerkzeuge als High-Tech-Technologie

5 GFE - Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e.v. Wissenschaft Forschung Innovation Dienstleistung Transfer gegründet am 17. Juni 1992 als wirtschaftsnahe Forschungseinrichtung Tradition und Fortschritt auf dem Gebiet der Präzisionswerkzeuge 120 Mitglieder im Trägerverein (überwiegend produzierende Unternehmen der Werkzeugindustrie/Metallbearbeitung sowie deren Anwenderbranchen) 60 Mitarbeiter einschl. Tochterunternehmen Umsatz (2008) ca. 3,4 Mio im e.v. ca. 80 Patentanmeldungen seit 1990 mehr als 500 Fachveröffentlichungen, darunter Buchveröffentl., 3 Dissertationen Organisator/Mitveranstalter der Schmalkalder Werkzeugtagungen Mitinitiator des Thüringer Clusters FerMeTh Fertigungstechnik / Metallbearbeitung Thüringen

6 GFE - Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e.v. Wissenschaft Forschung Innovation Dienstleistung Transfer Für Thüringen strukturbestimmende Bereiche: Maschinen- und Gerätebau (einschl. Feingerätetechnik/Optik) Herstellung von Metallerzeugnissen* (einschl. Werkzeug- und Formenbau) Automobilindustrie, insbes. Zulieferindustrie; zunehmend Luftfahrtindustrie, Energiewirtschaft, Windkraftanlagen usw. * In Thüringen: stärkster Beschäftigungszweig mit ca Beschäftigten und ca. 350 Unternehmen, überwiegend KMU; Maschinenbau ca. 3 Mrd. Umsatz mit ca Beschäftigten in 225 Unternehmen GFE: 70 % am Gesamtumsatz mit Thüringer Unternehmen, 65% mit Thür. KMU)

7 Anwendungsgebiete moderner Fertigungstechniken Automobilbau Luftfahrtindustrie FACTON GmbH Turbinenbau Gerätetechnik Medizintechnik Windkraftanlagen

8 GFE - Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e.v. High-Tech-Präzisionswerkzeuge Intelligenten Werkzeuge HPC-Technologien (High Performance Cutting) Schicht- und Oberflächentechnologien/Hartstoffe Mess-, Prüf- und Berechnungstools für Werkzeuge, Bauteile u. Schichten Innovation Rund ums Werkzeug

9 GFE - Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e.v. Intelligente Präzisionswerkzeuge Werkzeuge mit technischer Intelligenz Ziele moderner Produktion Produkte mit technischer Intelligenz entwickeln, herstellen, betreiben. Studie Fraunhofer IPA, Stuttgart: Technische Intelligenz in der Automatisierung Adaptivität an sich ändernde Produktionsbedingungen Rasche Konfigurierbarkeit an unterschiedliche Fertigungsaufgaben Intelligentes Systemverhalten Intergration sensorischer und aktorischer Komponenten zur Entwicklung von neuen Interaktionsformen in komplexen Umgebungen bzw. Systemen

10 Intelligente Präzisionswerkzeuge Integration von Sensorik und Aktorik in das Werkzeug Sensorintegriertes rotierendes Hochleistungszerspanwerkzeug

11 Intelligente Präzisionswerkzeuge Sensorbasierte Erfassung relevanter Prozesskenngröß ößen Regelkreis auf Basis sensorintegrierter Werkzeuge

12 Intelligente Präzisionswerkzeuge Sensorbasierte Erfassung relevanter Prozesskenngröß ößen Fräswerkzeug mit integriertem 3-axialen Beschleunigungssensor

13 Intelligente Präzisionswerkzeuge Bearbeitungsbeispiel: Fräsen von Zylinderköpfen stabile Verhältnisse, d. h. hohe Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten möglich schwingungsanfällige Bereiche durch z. B. dünne Stege, Verrippungen etc., d. h. Reduzierung Vorschubgeschwindigkeit notwendig Prozess an seinen Leistungsgrenzen fahren Produktivitätsreserven erschließen

14 Intelligente Präzisionswerkzeuge Bearbeitungsbeispiel: Fräsen von Zylinderköpfen Werkzeug: sensorintegrierter Fräskopf mit 8 PKD- Schneiden bearbeiteter Werkstoff: AlSi9 Zerspanparameter: Schnittgeschwindigkeit v c = m. min -1 Vorschubgeschwindigkeit v f = mm. min -1 Schnitttiefe a p = 2,5 mm

15 Intelligente Präzisionswerkzeuge Bearbeitungsbeispiel: Fräsen von Zylinderköpfen X Y Z Versuchsanordnung Messsignalverläufe a = f(t)

16 Intelligente Präzisionswerkzeuge Aktorintegration in Werkzeuge und Werkzeugkomponenten In-process-Modifikation von Werkzeugschneiden: Schruppen und Schlichten mit einem Werkzeug durch piezoaktorisch verstellbare Schneiden Reduzierung Werkzeugspeicherplatz Nebenzeiteinsparung Produktivitätssteigerung im Prozess

17 Intelligente Präzisionswerkzeuge Aktorintegration in Werkzeuge und Werkzeugkomponenten 12-schneidiger Fräskopf mit 2 piezoaktorisch verstellbaren Schneiden a) b) 3-D-Modell Versuchswerkzeug

18 Intelligente Präzisionswerkzeuge Ausbohrwerkzeug mit mikrooptischem Rauhigkeitssensor (GFE)

19 Intelligente Präzisionswerkzeuge Sensor- und Aktorintegration in Werkzeuge und Werkzeugkomponenten Sensor (optional extern) Telemetrieeinheit Motorelektronik Hochgeschwindigkeitsantrieb Sicherheitskupplung Kreiseleinheit Schwingungssensor (intern) Werkzeugdämpfung mittels Kreiselsystem

20 Windkraftanlagen: Komplettbearbeitungstechnologien Hochleistungsbearbeitung:

21 Sensorintegration in Maschinenkomponenten (Quelle: PAATZ Viernau GmbH)

22 Sensorintegration in Handwerkzeuge für High-Tech-Anwendungen Integration von Sensoren in Handwerkzeuge zur direkten Überwachung -z.b. der Bruchflächenqualität von Glasfaserlichtwellenleitern nach dem Trennprozess in einem Handwerkzeug (l) - und der Sicherung der Qualität der Crimpverbindung (r) (Quelle: RENNSTEIG Werkzeuge GmbH)

23 Innovative Beschichtungen High-Tech-Präzisionswerkzeuge Intelligenten Werkzeuge HPC-Technologien (High Performance Cutting) Schicht- und Oberflächentechnologien/Hartstoffe Mess-, Prüf- und Berechnungstools für Werkzeuge, Bauteile u. Schichten Innovation Rund ums Werkzeug

24 Innovative Beschichtungen - Erhöhung der Bearbeitungsgeschwindigkeit - Verbesserung der Verschleißeigenschaften, Reibungsminderung - Standzeitverbesserung Zerspanungswerkzeuge

25 Innovative Beschichtungen Anwendungsbeispiel: Spritzgießen Anwendungsbeispiel: Biegewerkzeuge (Quelle: GFE / MKB GmbH) (Quelle: GFE / Wilhelm Plastic GmbH) Entformung der Teile erleichtert Aufwand für die Reinigung reduziert Bruchvermeidung ohne Beschichtung: ca Teile, dann mechanische Nachbearbeitung der Biegekante mit Beschichtung: ca Teile

26 Innovative Beschichtungen: Anlagentechnik (Auswahl) PVD Anlagen zur Abscheidung mittels Arc-PVD Beschichtung von HSS und Hartmetallen 4 verschiedene Kathoden gleichzeitig nutzbar (p 300 ) Abscheiden oxidisch-nitridischer Schichten möglich (p 80 ) Werkstoffe: Al, Ti, Cr, Zr, C, N, O mehr als 26 unterschiedliche Schichtsysteme und -strukturen DLC-Schichten

27 Innovative Beschichtungen als strategisches Handlungsfeld der GFE Wissenschaftliche Arbeiten / Projekte der GFE (Auswahl) Schicht- und Oberflächentechnik hier: Nanocomposite-Beschichtung als Spitzentechnologie für die Entwicklung und Herstellung funktioneller Hartstoffschichten Erweiterung und Applikation der klassischen Schichten Verbund- und Einzelprojekte mit Thüringer Unternehmen Implementierung von Nanocomposite-Schichten auf neue Substrate Hochleistungs-CBN-Beschichtung (Thür. Vorlaufforschungsprojekt 2006/2007) Weiterentwicklung nc-schichten hin zu oxidischen Schichten Thür. Vorlaufforschungsprojekt Kohlenstoffschichten als Verschleißschutz auf Werkzeuge u. Bauteile Innovative Kohlenstoffschichten als Verschleißschutz für Urund Umformwerkzeuge

28 Anwendungen neuartiger Dünnfilmschicht-Sensoren Hochgenauen Erfassung von Positions- und Lageveränderungen in Maschinenkomponenten Quelle: Röhm / Siegert TFT

29 Erschließung von Leistungspotenzialen für KMU (Auswahl)

30 GFE in Netzwerken und Clustern ( Auswahl)

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32 Interdisziplinäre Zusammenarbeit Universitäten/ Hochschulen TUI, FhS, FH Jena, FSU wirtschaftsnahe Forschungseinrichtungen GFE, CiS, Innovent, HITK, IFW ca. 540 Unternehmen in Thüringen als Potenzial, (überwiegend KMU) außeruniversitäre Forschungseinrichtung IOF Jena, IPHT Jena Thüringer Netzwerke und Cluster Technologie- u. Gründerzentren Aus- und Weiterbildungs- Einrichtungen

33 Forschungs-, Wissenschafts- und Wirtschaftsstandort Thüringen!

34 Vielen Dank für r Ihre Aufmerksamkeit! GFE Schmalkalden e.v.

35 Zusammenfassung und Ausblick Intelligente Präzisionswerkzeuge mit Integration neuartiger Sensorik und / oder Aktorik stellen eine wichtige Basis für die moderne Produktionstechnik dar. Anwendungsbereiche sind neben dem klassischen Maschinenbau zunehmend die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrttechnik, Energietechnik / Windkraftanlagen, Medizintechnik u.a. Innovative Beschichtungen sind durch neue Schichtsysteme (Nanokomposite, Mehrfach- und Gradientenschichten usw.) gekennzeichnet. Die Erschließung neuer Anwendungsfelder in Verbindung mit der Erarbeitung moderner, energiesparender Technologien sind u.a. Gegenstand gegenwärtiger und künftiger Forschungs- und Entwicklungsarbeiten der GFE zur Unterstützung des Innovationsprozesses vorwiegend in KMU.