LASERUNTERSTÜTZTES FRÄSEN MÜNCHEN, LEARNSHOPS METALL MÜNCHEN 2013 ROBERT WIEDENMANN

Transkript

1 LASERUNTERSTÜTZTES FRÄSEN MÜNCHEN, LEARNSHOPS METALL MÜNCHEN 2013 ROBERT WIEDENMANN

2 Gliederung des Vortrags 1. Vorstellung des iwb 2. Situation in der spanenden Bearbeitung 3. Prozessmodell und Systemtechnik 4. Bausteine zum laserunterstützten Fräsen 5. Zusammenfassung Folie 2

3 Technische Universität München Forschungsgelände Garching Quelle: TUM Folie 3

4 Technische Universität München Fakultät für Maschinenwesen 36 Lehrstühle und Fachgebiete 1200 Mitarbeiter Quelle: TUM / U. Benz Folie 4

5 Standorte des iwb iwbanwenderzentrum Augsburg Anwendungsnahe Forschung und Technologietransfer Nürnberg Fraunhofer Projektgruppe Ressourceneffiziente Mechatronische Verarbeitungsmaschinen München iwb Garching Forschung und Lehre auf dem Gebiet der Produktionstechnik Folie 5

6 Inhaltliche Ausrichtung des iwb Forschungsgebiete Unternehmensplanung und -organisation Mechatronische Produktionssysteme Fertigungs- und Montagetechnologie Folie 6

7 iwb in Zahlen Struktur der Forschungsmittel Haushaltsmittel Technische Universität München 19% 5% Industriell geförderte Projekte kurzfristig (<= 12 Monate) langfristig (>12 Monate) 18% 30% 28% Öffentlich geförderte Projekte Gesamtetat 10 Mio EURO Grundlagenforschung Anwendungsforschung Folie 7

8 Forschungsthemen am iwb Fräsbearbeitung Aktive Schwingungsdämpfung Fräsen mit Industrierobotern Leistungsverstärker Dämpfungsregler Sensorverstärker Fräsen dünnwandiger Strukturen Laserunterstütztes Fräsen Folie 8

9 Prinzip des laserunterstützten Fräsens Hybrider Warmzerspanungsprozess Laserbestrahlung der Zerspanungszone Lokale Entfestigung des Werkstoffs Abheben des entfestigten Werkstoffs Laserspot Werkzeug Werkstück Späne Thermographieaufnahme Folie 9

10 Gliederung 1. Vorstellung des iwb 2. Situation in der spanenden Bearbeitung 3. Prozessmodell und Systemtechnik 4. Bausteine zum laserunterstützten Fräsen 5. Zusammenfassung Folie 10

11 Situation in der spanenden Bearbeitung Spanende Bearbeitung hochfester Werkstoffe Vermehrter Einsatz hochfester Werkstoffe Hochfeste Werkstoffe schwer zerspanbar Geringe Wirtschaftlichkeit bei der Bearbeitung Spanende Bearbeitung alternativlos Leistungsfähigere Zerspanungstechnologie Laserunterstütztes Fräsen Reduzierte Werkzeugbelastung Erhöhtes Zeitspanvolumen Thermische Bauteilbelastung Systemtechnischer Aufwand Bildquellen: Boeing; MM Maschinenmarkt Folie 11

12 Gliederung 1. Vorstellung des iwb 2. Situation in der spanenden Bearbeitung 3. Prozessmodell und Systemtechnik 4. Bausteine zum laserunterstützten Fräsen 5. Zusammenfassung Folie 12

13 Prozessmodell und Systemtechnik Aufbau Grundlagen / Stand der Forschung Prozessmodell Systemtechnik Prozessparameter Prozessführung Prozess Vermeiden einer thermische Schädigung mithilfe eines Prozessmodells Umsetzen des Prozessmodell in einer Systemtechnik Prozesssichere und wirtschaftliche Bearbeitung Folie 13

14 Prozessmodell und Systemtechnik Aufbau und Vorgehensweise Grundlagen / Stand der Forschung Prozessmodell Fräsen Schnitttiefe Bestrahlungsort Vorschubgeschwindigkeit Laser Kalibrierung Simulation Validierung Laser-/ Systemtechnik Fräsparameter Prozessführung Prozess Lasernachführeinheit Laserunterstützt Fräsen Prozesssicherheit Wirtschaftlichkeit Ziele: Reduzierung der Werkzeugbelastung Keine thermische Werkstoffschädigung 3-dimensionale Fräsbearbeitung Folie 14

15 Gliederung 1. Vorstellung des iwb 2. Situation in der spanenden Bearbeitung 3. Prozessmodell und Systemtechnik 4. Bausteine zum laserunterstützten Fräsen 5. Zusammenfassung Folie 15

16 Bausteine zum laserunterstützten Fräsen Bearbeitungsstrategie aus dem Prozessmodell z x y Schneide v f x L Laserspot v L z x y a e > 50 % d c a e = 50 % d c Max. Werkzeugverschleiß Maximale Kraft Werkzeug Werkstück Spanvolumen a p a e < 50 % d c Reduzierung der maximalen Schnittkraft an der maximalen Spanungsdicke Reduzierung des Werkzeugverschleißes am Schneideneintritt Keine thermische Werkstoffschädigung des Bauteils Fragestellung: Wie müssen die Laserparameter eingestellt werden? Folie 16

17 Bausteine zum laserunterstützten Fräsen Umsetzung der Bearbeitungsstrategie Reduzierung im Kraftverlauf Kraft F z Kraft F y Kraft F x N N N Lokale Reduzierung der Prozesskraft beim Fräsen von Titan Aber thermische Schädigung des Werkstoffs bei hohen Laserleistungen --- konventionell laserunterstützt Schneideneintritt F X F Z 0 0,05 0,10 0,15 s 0,25 Zeit t Reduzierung der max. Prozesskraft Folie 17 Reduzierung F 40% 30% 20% 10% 0% x z W 1500 Laserleistung P L

18 Bausteine zum laserunterstützten Fräsen x Modellvorstellung z a p y Werkzeug (f z, d c, n, a e ) P 3 P 2 v F x L P 4 P 1 v L Laserstrahl (P L, d L ) Werkstück Bestimmung der Temperaturen T 1 bis T 4 notwendig Anpassung der Laserparameter an die Fräsparameter Aufstellen einer Datenbasis für Prozesssteuerung (P L v L/F a p ) Fragestellung: Wie können die Temperaturen bestimmt werden? Randbedingungen: P 1 : Kein Aufschmelzen T 1 < T schmelz = 1620 C P 2 : Thermische Werkzeugbelastung T 2 < T WKZ,max = 950 C P 3 : Entfestigung T 3 > T Entfestigung = 450 C P 4 : Keine Gefügeumwandlung T 4 < T MS = 800 C Folie 18

19 Bausteine zum laserunterstützten Fräsen Kalibrierung und Validierung des Simulationsmodells Kalibrierung Messung der Oberflächentemperatur Variation des Absorptionskoeffienzten ε abs Temperatur T Simulation ε abs = 0,46 Experiment Validierung Vermessung der Wärmeeinflusszone (WEZ) Abgleich mit Isothermen Tiefe z Unabhängige Messgrößen zur Kalibrierung und zur Validierung Berechnung der Temperatur im Werkstückinneren Ermöglicht das Aufstellen der Datenbasis (P L v L/F a p ) Folie 19

20 Bausteine zum laserunterstützten Fräsen Beispiel für die Anwendung der Datenbasis P L Wärmeeinflusszone (WEZ) c P L = 439 W, v L = 1.2 m/min Keine thermische Schädigung (keine WEZ) Reduzierung der Prozesskraft ( F x/z ) bzw. Erhöhung des Zeitspanvolumens b 500 µm 500 µm 500 µm a e d 500 µm P L = 589 W,v L = 1.6 m/min P L = 439 W, v L = 1.6 m/min 500 µm P L = 289 W, v L = 1.6 m/min Laserunterstützt gefräste Oberfläche P L = 439 W,v L = 2.0 m/min geringere Kraftreduzierung F x/z v L Laserparameter aus der Datenbasis (P L v L/F a p ) F x = 21,5 % F z = 7,5 % Prozesssicherheit Prozesssicherheit Wirtschaftlichkeit Folie 20

21 Bausteine zum laserunterstützten Fräsen Systemtechnik Lasersicherheit Belastungsanalyse Standzeituntersuchungen Vorversuche Bearbeitungsoptik Vorversuche Bearbeitungsoptik Justagemöglichkeiten Lasernachführung Bearbeitungsoptik Umlenkspiegel Torque-Motor Steuerung 20 mm 2 mm Weiterentwicklung Voraussetzung Positionieren des Laserspots Nachrüstbar, modular, investminimiert Weiterentwicklung Prozesssicherheit Wirtschaftlichkeit Folie 21

22 Bausteine zum laserunterstützten Fräsen CAD/CAM-Kopplung Werkstück Werkzeug Laserspot Fräsbahn Abb.: Visualisierung der CAD/CAM-Kopplung zum laserunterstützen Fräsen. Automatische Generierung des NC-Programmcodes Einsatz modellbasierter Prozessparameter Bildquelle: Tebis AG Folie 22

23 Gliederung 1. Vorstellung des iwb 2. Situation in der spanenden Bearbeitung 3. Prozessmodell und Systemtechnik 4. Bausteine zum laserunterstützten Fräsen 5. Zusammenfassung Folie 23

24 Zusammenfassung Zusammenfassung der Ergebnisse Vorteile genutzt Nachteile gelöst Reduzierte Werkzeugbelastung Erhöhtes Zeitspanvolumen Thermische Keine thermische Bauteilbelastung Systemtechnischer Geringer systemtechnischer Aufwand Aufwand Ergebnisse Prozesssicherheit Reduzierung der Prozesskraft Keine thermische Schädigung Positionieren des Laserspots Wirtschaftlichkeit Erhöhung des Zeitspanvolumens Ausblick Nachrüstbare, modulare und investminimierte Systemtechnik Steigerung der Prozesseffizienz Anwendungsorientierte und wirtschaftliche Systemtechnik Forschungsprojekt Q3/ Folie 24

25 Kontakt Dipl.-Ing. Robert Wiedenmann Raum 1326 Tel / Fax / Robert.Wiedenmann@iwb.tum.de Adresse iwb- Technische Universität München Boltzmannstraße Garching