B2 Energy efficient cleaning and dry machining Challenge

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1 B2 Energy efficient cleaning and dry machining Challenge Value creation module energy efficient CO 2 -based cleaning Carbon dioxide based cleaning by mechanical acceleration of this non-durable blasting media to save energy (ecologic, economic benefit) Downsizing of the blasting wheel to a diameter comparable with conventional blasting wheels with sufficient acceleration Value creation module dry machining by closed-loop cooling Saving resources for supply of cooling lubricant, cooling lubricant emissions (ecologic, economic benefit) Development of a turning tool with high functional integration by using adaptive manufacturing technologies internal cooling structure with high performance cooling device suitable for cryogenic temperatures condition monitoring system

2 B2 Energy efficient cleaning and dry machining Approach Value creation module dry machining by closed-loop cooling Concept for turning tool holder and cutting insert internal closed loop cooling or for turning tool holder internal closed loop cooling only Cooling medium application concept with phase transformation (liquid to gaseous) Application concept without phase transformation (liquid-liquid) Energy efficiency of cutting processes: Testing of different tool substrates, coatings and cooling methods Value creation module energy efficient CO 2 -based cleaning Separation of thermal & mechanical cleaning mechanisms with regard to the cleaning task s requirements Multi-Body-Simulation of mechanical acceleration Generative manufacturing of the complex geometries of accelerating parts Evaluation and comparison by high speed camera and particle impact investigations Process balances of both value creation modules Effects on sustainability in cooperation with the entire CRC1026

3 B2 Energy efficient cleaning and dry machining Preliminary Results up to 2014 Value creation module energy efficient CO 2 -based cleaning Separation of thermal & mechanical cleaning mechanisms: Multi-Body-Simulation of acceleration of dry ice particles of status quo and new geometries Identification of promising geometries, which reduce impacts and down forces Evaluation of particle s blasting velocity, impact force and thermal effect. Particle impact force: blasting process and standardized loads Compressed Air based Dry Ice Blasting: top: Single impact force of a CO 2 -particle with separation device bottom: Standardized impact force of a ceramic ball Multi body simulation of the particle s mechanical acceleration Impact F Impact 60 N ms 8 60 N ms 8 Duration of Impact Force Signal t Impact Parameter settings: Blasting pressure p DIB = 10 bar Blasting distance d DIB1 = 2 cm (between sensor & separation device) Blasting distance d DIB2 = 9 cm (in total) Blasting mass flow: m DIB = 40 kg/h

4 Specific energy consumption Y Q * (17.7 kwh/dm 3 1) B2 Energy efficient cleaning and dry machining Preliminary Results up to 2014 Dry machining (EoL = 4 min) Reference: wet machining (EoL = 25 min) Wet machining and ICT (EoL = 60 min) Dry machining and ICT (EoL = 15 min) Dry machining (EoL = 15 min) Wet machining (EoL = 15 min) Wet machining and ICT (EoL = 15 min) Dimensionless material removal rate Q c * (485 cm 3 /h 1) Machine tool TRAUB TNX 65 evo.c 4, varying cooling approaches Cutting tool evo.t 4, cemented tungsten carbide K10 Modelling of energy flows and energy consumption Dry machining without internally-cooled tools has greatest energy-saving potential Specific energy consumption of 13.7 kwh/dm 3 at v c = 72 m/min instead of 17.7 kwh/dm 3 for wet machining End-of-tool-life: 4 min Wet machining with ICT is most productive Specific energy consumption of 15.2 kwh/dm 3 with 20 % higher material removal rate End-of-tool-life: 15 min Cylindrical round bar: DIN TiAl6V4, ISO Longitudinal turning: v c = varying, a p = 0.6 mm, f = 0.15 mm varying end of tool life (EoL)

5 B2 Energieeffizientes Reinigen und Trockenbearbeitung Herausforderungen Wertschöpfungsmodul Reinigen: Energieeffizientes Reinigen mit Kohlendixoxid (CO 2 ) Strahlreinigen mit festem CO2 durch energieeffiziente mechanische Beschleunigung des unbeständigen Strahlmittels (ökologisch-ökonomisch vorteilhaft) Anwendungsspezifisches Schleuderrad mit ausreichender Beschleunigung bei einer mit konventionellen Schleuderrädern vergleichbaren Größe Wertschöpfungsmodul Trockenbearbeitung mit geschlossen-innengekühlten Drehwerkzeugen Einsparen von Ressourcen durch den Wegfall von Kühlschmierstoffen (ökonomisch, ökologisch und sozial) Erprobung von Drehwerkzeugen mit hoher Funktionsintegration durch die Verwendung additiver Fertigungsverfahren Schneidwerkzeuge mit Hochleistungskühler für kryogene Kühlmittel wie flüssiger Stickstoff geeignet Werkzeugüberwachungssystem

6 B2 Energieeffizientes Reinigen und Trockenbearbeitung Lösungsansatz Wertschöpfungsmodul Trockenbearbeitung mit geschlossen-innengekühlten Drehwerkzeugen Drehwerkzeug mit geschlossen-innengekühltem Kühlkreislauf für thermisch optimierte Wendeschneidplatten Kühlung durch Phasenwechsel (flüssig zu gasförmig) Kühlung ohne Phasenwechsel (flüssig zu flüssig) Energieeffizienz des Drehprozesses. Evaluieren verschiedener Werkzeugsubstrate, Beschichtungen und Kühlmethoden Wertschöpfungsmodul Energieeffiziente Reinigung Trennung und Einsatz der thermischen und mechanischen Reinigungsmechanismen unter Beachtung der anwendungsspezifischen Anforderungen Mehrkörpersimulation der mechanischen Beschleunigung des Schleuderrads Generative Fertigung der komplexen 3D-Geometrien der Beschleunigungsbauteile Evaluation und Vergleich durch Hochgeschwindigkeitsaufnahmen des Partikelaufschlags Prozessbilanzierung mit beiden Wertschöpfungsmodulen Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit in Kooperation mit SFB 1026 Teilprojekten

7 B2 Energieeffizientes Reinigen und Trockenbearbeitung Vorläufige Ergebnisse bis 2014 Wertschöpfungsmodul Reinigung: Energieeffiziente Reinigung Trennung der thermischen und mechanischen Reinigungsmechanismen: Mehrkörpersimulation der mechanischen Beschleunigung von Trockeneispartikel Identifizierung geeigneter Geometrien, die die Partikelbelastung verringern (Anpresskräfte und Aufprallvorgänge) Untersuchung der Partikelgeschwindigkeit im Freistrahl, der Aufprallkräfte und der thermischen Wirkung Dosierhülse Beschleunigungskammer Aufprallkraftverläufe: Partikel im Strahlprozess und standardisierter Kugelaufprall Druckluftbasierter Trockeneisstrahlprozess: oben: Einzelaufprall eines CO 2 -Partikels (Separationsvorrichtung) unten: Kraftverlauf eines Standardaufpralls einer Keramikkugel Seitenansicht Trockeneispartikel Mehrkörpersimulation der mechanischen Beschleunigung der Trockeneispartikel vorne Aufprallkraft F Aufprall 60 N ms 8 60 N ms 8 Zeit t Aufprall Parametereinstellungen: Strahldruck p CO2-Strl. = 10 bar Strahldruck d CO2-Strl.1 = 2 cm (zwischen Sensor & Separationsvorrichtung) Blasting distance d CO2-Strl.2 = 9 cm (Gesamtabstand) Massenstrom m CO2-Strl. = 40 kg/h

8 Spezifischer Energieverbrauch Y Q * (17.7 kwh/dm 3 1) B2 Energieeffizientes Reinigen und Trockenbearbeitung Vorläufige Ergebnisse bis 2014 Trockenbearbeitung (EoL = 4 min) Naßbearbeitung (Referenz) (EoL = 25 min) Naßbearbeitung und ICT (EoL = 60 min) Trockenbearbeitung und ICT (EoL = 15 min) Trockenbearbeitung (EoL = 15 min) Naßbearbeitung (EoL = 15 min) Naßbearbeitung und ICT (EoL = 15 min) Dimensionsloses Zeitspanvolumen Q c * (485 cm 3 /h 1) Werkzeugmaschine TRAUB TNX 65 evo.c 4, variable Kühlungsmethoden Werkzeug evo.t 4, Hartmetall K10 Modellierung der Energieströme und -verbraucher Trockenbearbeitung ohne geschlosseninnengekühltes Drehwerkzeug hat höchstes Energieeinsparpotenzial Spezifischer Energieverbrauch der Naßbearbeitung mit KSS liegt bei 17.7 kwh/dm 3 Spezifischer Energieverbrauch der Trockenbearbeitung liegt bei13.7 kwh/dm 3 Naßbearbeitung in Kombination mit dem geschlossen-innengekühlten Drehwerkzeug ermöglicht höchste Produktivität Spezifischer Energieverbrauch liegt bei 15.2 kwh/dm 3 mit einem um 20 % gesteigerten Zeitspanvolumen Werkstück: DIN TiAl6V4, ISO Außen-Runddrehen: v c = variabel, a p = 0.6 mm, f = variabel