_2. WPK Wiener Produktionstechnik Kongress 2014 Innovationen in der Werkzeugtechnik Intelligente Kühlschmierstoffstrategien

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1 _2. WPK Wiener Produktionstechnik Kongress 2014 Innovationen in der Werkzeugtechnik Intelligente Kühlschmierstoffstrategien Dipl.-Ing. Andreas Elenz, Director Business Development 1 8 May 2014 Business Development Elenz

2 Industrie 4.0 Themeneinordnung Industrie 4.0 die intelligente Fabrik der Zukunft Zerspanung Prozesssicherheit als Voraussetzung für Automation: Werkzeugleistungsfähigkeit & Werkzeugstandzeit unter Beachtung der Aspekte: Energieeffizienz, Ressourceneffzienz, Umweltschutz und Nachhaltigkeit 2 8 May 2014 Business Development Elenz

3 Walter Ursprünge Perfektionismus mit Tradition Walter gegründet Günther gegründet Prototyp gegründet Modern Corporation gegründet Marke WALTER Marke TITEX Marke PROTOTYP Marke VALENITE May 2014 Business Development Elenz

4 Walter Ursprünge Perfektionismus mit Tradition Mitarbeiter Katalogartikel 33 Niederlassungen weltweit 9 Produktionseinheiten 4 8 May 2014 Business Development Elenz

5 Walter Engineering Kompetenz German Engineering weltweit verfügbar KOMPLETTBEARBEITUNG AUS EINER HAND Drehen Bohren Gewinden Fräsen 5 8 May 2014 Business Development Elenz

6 Intelligente Kühlschmierstoffstrategien Inhalt 01 Energie- & Ressourceneffizienz 02 Anforderungen an Kühlschmierstoffe 03 Hochdruckkühlung 04 Kryogene Kühlung 05 Zusammenfassung & Ausblick 6 8 May 2014 Business Development Elenz

7 Megatrends Rangfolge und Umsetzung in konkrete Anforderungen 1. Umwelt- und Klimaschutz Effizienz, Nachhaltigkeit 2. Globalisierung Neue Chancen, neue Risiken 3. Ressourcenknappheit Bewahrung von Ressourcen, Wiederverwendung, Recycling, Intelligente Herangehensweise an Produkte und Prozesse Rangfolge: May 2014 Business Development Elenz

8 Ein neues Bewusstsein Paradigmenwechsel Kosten pro Stück [ ] Design für Umweltschutz Design für Effizienz Design für Nachhaltigkeit Emissionen pro Stück [kg] Energie pro Stück [kw] May 2014 Business Development Elenz

9 Energieeffizienz Umweltbilanzschema 80er & 90er: Entsorgung (Nutzungsende) : Produkt & Produktcharakteristik (Nutzung) Heute: Produktlebenszyklus (Herstellung Nutzung - Nutzungsende) Beurteilung der Auswirkung Emissionen & Abfall Bilanz Gewächshauseeffekt, Potential für Ozon depletion, Sommersmog, eutrophication, Übersäuerung, human-toxicity, eco-toxicity, Landverbrauch, Ressourcenverbrauch, Input Output Input Output Input Output Input Output Input Output Ressourcen Lebenszyklusschritt Lebenszyklusphase Rohmaterial Exploration Halbzeuge Produktion Nutzung Entsorgung/ Recycling Herstellung Nutzung Nutzungsende Quelle: Fraunhofer IBP, May 2014 Business Development Elenz

10 Energieeffizienz Ansätze im Produktentstehungsprozess Werkstoff CAD/CAM- System Produktdesign Prozessdesign Bearbeitungsstrategie Werkzeugmaschine Aufspanung Werkzeugkonzept Werkzeugtechnologie Bearbeitungsparameter Kühlschmierstoff Automatisierung 10 8 May 2014 Business Development Elenz

11 Energieffizienz Werkzeugtechnologie & Kühlschmierstoff Werkzeugtechnologie Angepasste & optimierte Werkzeuge: Minimaler Stillstand durch Werkzeugwechsel Minimaler spezifischer Energieverbrauch Minimaler Ressourcenverbrauch Maximale Werkzeugstandzeit Maximale Produktivität Verteilung des Energieverbrauchs einer Werkzeugmaschine (MAG XS211) HD-Kühlung Kühlschmierstoff Die Bereitstellung von Kühlschmierrstoffen verursacht durchsschnittlich 40 50% des Gesamtenergieverbrauchs einer Werkzeugmaschine. Die Vermeidung führt zu massiver Energieeinsparung. 7% 6% 3% 6% 17% 2% 6% 9% 18% ND-Kühlung KSS-Rückspülpumpe HD-Filter 13% Maschinenkühlung Antriebe Hydraulik Druckluft 13% Schaltschrankkühlung Absaugung Andere Quelle: Kalhöfer, FH Aalen, May 2014 Business Development Elenz

12 Präzisionswerkzeugindustrie Existierende Initiativen Quelle: VDMA, Mapal, May 2014 Business Development Elenz

13 Ganzheitlicher Ansatz Nachhaltigkeit in der Bearbeitung Reduzierter spezifischer Ressourcenverbrauch Energieverbrauch Recycling-/ Entsorgungsaufwand 13 8 May 2014 Business Development Elenz

15 Kühlschmierstoffe Aufgabe Kühlen Schmieren und oder oder 15 8 May 2014 Business Development Elenz

16 Kühlschmierstoffe KSS Prozesse Trockenbearbeitung Minimalmengen- Schmierung MMS Nassbearbeitung Kryogene Bearbeitung Öl Wasserbasierende KSS Kalte Luft Emulsion Nicht-wasserbasierende KSS CO 2 -Trockeneis Wasser Konventionelle KSS Versorgung LN 2 Quelle: WZL RWTH Aachen/Fraunhofer IPT, 2014 Hochdruck KSS Versorgung 16 8 May 2014 Business Development Elenz

17 Kühlschmierstoff Einfluß Werkstoff TiAl6V4 Bearbeitungsparameter a e = 3,0 mm a p = 3,0 mm v c = 80 m/min f z = 0,1 mm Kühlschmierstoff 1 Kühlschmierstoff 2 Kühlschmierstoff 3 Konventioneller, gealterter Kühlschmierstoff Optimaler Kühlschmierstoff Quelle: Blaser Swisslube, May 2014 Business Development Elenz

19 Hochdruckkühlung HDK Der gezielte Einsatz einer Hochdruckkühlung, insbesondere beim Drehen, kann zu einer Reihe von Vorteilen führen. Vordringen des Kühlschmierstoffes bis zur Schneidkante: Kühlung und Schmierung von Prozess und Werkzeug Verkürzung der Kontaktlänge Span/Spanfläche: Verminderung des Wärmeeintrages in das Werkzeug Engere Krümmung des Spans: verbesserter Spanbruch Daraus resultieren: höhere Werkzeugstandzeiten Steigerung der Schnittgeschwindigkeit Verbesserung der Produktivität Quelle: Rüger, TU Chemnitz, 2014 Quelle: Stoll, May 2014 Business Development Elenz

20 Hochdruckkühlung Verfahrensvergleich Konventionelle KSS Versorgung Hochdruck KSS Versorgung 70 bar (18 l/min) 150 bar (25 l/min) Werkstoff: Inconel 718 Schneidstoff: CBN KSS: Emulsion 10 % Schnittparameter: v c = 250 m/min f = 0,1 mm a e = 6 mm a p = 5 mm Quelle: WZL RWTH Aachen/Fraunhofer IPT, May 2014 Business Development Elenz

21 Hochdruckkühlung Effizienzgrenzen WZ-Temperatur T / C Q 12 l/min CNMA CNMG Slg D Q 17 l/min Q 20 l/min - 4% Leistungsaufnahme ChipBLASTER Q 20 l/min + 91 % Q 20 l/min KÜK ( 6 bar) 40 (Düse 4) 80 (Düse 3) 150 (Düse 2) 300 (Düse 1) Druck p / bar Leistungsaufnahme P / kw Slg D CNMG CNMA Maschine: Monforts RNC400 plus, Werkzeug: CNMG Schnittge.: v c = 300 m/min Eine Erhöhung des KSS-Drucks von p = 80 auf 150 bar Vorschub: führt beim HDK-System: ChipBLASTER CV f = 0,2 Schruppen mm zu CNMA Werkstoff: keiner nennenswerten 42CrMo4+QT (S<0,01%) Temperaturreduktion, Slg D wohl aber Schnitttiefe: zu einer a p Verdopplung = 2 mm der elektrischen Schicht: Leistungsaufnahme PVD, TiAlN+TiN KSS-Zufuhr: p = variabel, Q = 20 l/min Quelle: WZL RWTH Aachen/Fraunhofer IPT, May 2014 Business Development Elenz

23 Kryogene CO 2 Phasendiagramm Kohlendioxid CO 2 Druck [bar] , ,8 10 5,2 fest Tripelpunkt flüssig überkritisch flüssig kritischer Punkt Unter Druck bei RT einsetzbar Kostengünstig, da Prozessnebenprodukt 1, gasförmig ,5-56,6 RT 31,0 Temperatur [ C] Einfach handhabbar Geringer Anpassungsaufwand Maschine 23 8 May 2014 Business Development Elenz

24 Drehdurchführung Kryogene Kühlung Versuchsaufbau 5-Achs-Fräszentrum CO 2 -Druckbehälter Zerspanprozess -78,5 C 1,013 bar -56,6 C 5,185 bar RT 57,3 bar Druckventil h Werkstück Φ Span Düse Wendeschneidplatte Quelle: WZL RWTH Aachen/Fraunhofer IPT, 2014 Cryo tec TM Werkzeug Spindel RT p = 57,8 bar Quelle: WZL RWTH Aachen/Fraunhofer IPT, May 2014 Business Development Elenz

25 Bearbeitung hochwarmfester Stahlwerkstoffe Versuchsaufbau Bauteil Turbinenleitschaufel Multiaxiales Drehfräsen Rohteilabmaße 475 x 80 x 80 mm³ Geschweißter Spannzapfen Werkstückstoff X22CrMoV12.1 (1.4923), martensitisch R m = N/mm³ (280 HB) Maschine 5-Achs-Fräszentrum HSK-A63 Ziel Schruppen einer Turbinenleitschaufel Materialabtrag cm³ Materialabtrag ca. 18 Einstiche VB max = 0,5 mm 25 8 May 2014 Business Development Elenz

26 Bearbeitung hochwarmfester Stahlwerkstoffe Ergebnisse Körper: Cryo tec TM F2334R.B Z04.06 WSP: ROHX1204M0-D57 W3536 Test 2: - v c = 390 m/min - v f = mm/min - a e /D c = 60% = 25 mm - a p = 4,0 mm MMS CO 2 + MMS Verschleißmarkenbreite [mm] 1 0,8 0,6 0,4 0,2 T [ C] Vbmax [mm] Schneidkantentemperatur [ C] Verschleißmarkenbreite [mm] 1 0,8 0,6 0,4 0,2 T [ C] Vbmax [mm] Schneidkantentemperatur [ C] Anzahl Einstiche 0 Q = 656 cm³/min Anzahl Einstiche May 2014 Business Development Elenz

27 Bearbeitung hochwarmfester Stahlwerkstoffe Ergebnisse Test 1 0,55 0,45 0,40 f Z [mm] Kinematik LIMITATIONEN Einstiche: 18 Verschleiß v B,max : 0,90 mm Test Standzeit 3 Standzeit Standzeit Einstiche: 8 Verschleiß v B,max : 0,53 mm v c [m/min] 27 8 May 2014 Business Development Elenz

28 Bearbeitung hochwarmfester Stahlwerkstoffe Vorteile Körper: Cryo tec TM F2334R.B Z05.06 WSP: ROHX1204M0-D57 W3536 Test 2: - v c = 390 m/min Test 3: - v c = 390 m/min - v f = mm/min - v f = mm/min - a e /D c = 60% = 30 mm - a e /D c = 60% = 30 mm - a p = 4,0 mm - a p = 4,0 mm Materialabtrag je Schneidkante [cm³] Herstellkosten je Turbinenschaufel [ ] MMS 866 CO cm³ MMS CO2 45,83 35, ,44 40, ,35 34, % 0 Lieferant 1 Lieferant 2 Walter 0 Lieferant 1 Lieferant 2 Walter 28 8 May 2014 Business Development Elenz

29 Bearbeitung hochwarmfester Stahlwerkstoffe Zusammenfassung Drehfräsen (martensitisch, rostfreier Stahl) MMS MMS + CO 2 CO 2 Spindel C C C Bauteil 80 C 50 C 50 C Körper 70 C 40 C 40 C Schneide 180 C 80 C 80 C CO 2 -Effekt Reduzierung Temperatur an Schneidkante um 100 C 30 % höhere Standzeit Reduzierung der Herstellkosten um 15 % Drehfräsen (austenitisch, rostfreier Stahl) Körper: Cryo tec TM F2334R.B Z05.06 Düsendurchmesser 0,6 mm WSP: ROHX1204M0-D67 W3536 Parameter CO 2 : - v c = 320 m/min - v f = mm/min - a e /D c = 60% = 29 mm - a p = 4,0 mm CO 2 -Effekt Signifikante Steigerung der Standzeit im Vergl. zu MMS Reduzierung der Herstellkosten um 30 % Erhöhtes Potential bei der Bearbeitung von HRSA 29 8 May 2014 Business Development Elenz

30 Kryogene Kühlung Evaluation Variante 1 Variante 2 Variante 3 Standard Trockenbearbeitung Standard CO 2 + Luft Kosten Optimierter Prozess Bearbeitungszeit Optimierter Prozess Kosten Herstellkosten Maschinenkosten Werkzeugkosten Schnittdaten 30 8 May 2014 Business Development Elenz

31 Kryogene Kühlung Zusammenfassung Längere Standzeiten Geringerer Werkzeugverschleiß Höhere Produktivität Steigerung der Schnittparameter Höhere Bauteilqualität Bessere Oberflächenqualität, geringere Randzonenbeeinflussung Entfall der KSS- Aufbereitung + Wartung Entfall der KSS-Entsorgung Späne zu 100% recyclebar Entfall der Bauteilreinigung 31 8 May 2014 Business Development Elenz

33 Intelligente Kühlschmierstoffstrategien Eine Definition Die unter Gesamtprozessaspekten und ganzheitlicher Bilanzierung optimierte Auswahl und Anwendung des für die Bearbeitungsaufgabe geeignetsten Kühlschmierstoffes. Unter Berücksichtigung von Kosteneffizienz Produktivität Qualität Prozesssicherheit Energieeffizienz Ressourcenschonung Umwelt-, Klima- und Gesundheitsschutz Nachhaltigkeit 33 8 May 2014 Business Development Elenz

34 Intelligente Kühlschmierstoffstrategien Zusammenfassung Kühlschmierstoffstrategien haben einen enormen Einfluss, sowohl auf die Kosten und das Bearbeitungsergebnis, als auch auf die energieeffiziente, umwelt- und ressourcenschonenden Auslegung von Prozessen; ihren optimalen Auslegungen wird oftmals nicht genügend Aufmerksamkeit geschenkt Kryogene Zerspanung weisst ein großes Potential im Bereich hochwarmfeste & rostfreie Stähle auf. Dies muss für weitere Werkstoffe verifiziert werden; insbesondere sind auch Übertragbarkeiten im Bereich Automobil-Anwendungen mit hohem Potential zu prüfen Es müssen Schneidstoffe (Zähigkeit) in Richtung niedere Anwendungstemperaturbereiche entwickelt werden; offene Fragen bestehen bezüglich Anlagentechnik, Absaugung, Entsorgung, usw May 2014 Business Development Elenz

35 EMO 2013: MM AWARD Innovationspreis Fräsen für kryogene Kühlung Thank you May 2014 Business Development Elenz