TR73

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B2 - Mikroelemente



Spanende Fertigung von Formwerkzeugen mit filigranen Strukturen für die Blechmassivumformung

Projektstatus: abgeschlossen

Letztes Update: 27.01.2021



Mitglieder


Die Herstellung der für die BMU erforderlichen Umformwerkzeuge stellt eine enorme Herausforderung für die Mikrofräspro­zesse dar, welche im Rahmen der Untersuchungen zur Gestalt- und Struktur­erzeugung eingesetzt werden. Speziell die bislang noch wenig bekannten Mechanismen der Mikrohartbearbeitung, die Strategieentwicklung zur Erzeu­gung filigraner Strukturen und die aus technologischen und Effizienzgründen notwendige fünfachsige Prozessführung erfordern grundlegendes Prozess­wissen. Dieses soll langfristig zur sicheren und effizienten Beherrschung der Mikrofräsprozesse führen. Zugleich sind die BMU-Werkzeuge neben den hohen qualitativen Merkmalen derart auszulegen, dass eine Formfüllung der Nebenformelemente begünstigt wird. Hierzu wird in diesem Teilprojekt eine Beeinflussung des Materialflusses mittels einer werkzeugseitigen Oberflächenstrukturierung erforscht.

Das Ziel dieses Teilprojektes ist die Erlangung grundlegender Erkenntnisse über Mikrofräsprozesse, um anforderungsgerecht, prozesssicher, effizient und hochgenau komplexe Umformwerkzeuge mit filigranen Strukturen für die BMU herstellen zu können. Dabei stellen die auftretenden hohen Aspektverhältnisse und die hochharten und schwer zerspanbaren Werkstoffe eine große Heraus­forderung dar. Im Rahmen dieses Projektes wird der Mikrofräsprozess für die Bearbeitung eines pulvermetallurgisch und schmelzmetallurgisch hergestellten Schnellarbeitsstahls (1.3344 und 1.3343) sowie eines Kaltarbeitsstahls (1.2379) mit hoher Härte (> 60 HRC) untersucht. Die Fertigung der geome­trisch komplexen und filigranen Nebenformelemente der Umformwerkzeuge erfordert unter anderem die Erzeugung von Verzahnungen, bei denen Radien von R < 0,2 mm berücksichtigt werden müssen. Dies bedingt die Verwendung kleiner Fräswerkzeuge mit einem Durchmesser von d ≤ 1 mm. Der Einsatz dieser kleinen Werkzeuge und die damit verbundene Herabskalierung des Fräsprozesses vom Makro- in den Mikrobereich setzt eine weitreichende Anpassung des Zerspanungsprozesses an die Erfordernisse der Mikrohart­bearbeitung voraus. Speziell der starke Werkzeugverschleiß und die hohe Werkzeugabdrängung können die Prozesssicherheit und Prozessgenauigkeit schwerwiegender beeinflussen als es aus dem Makrobereich bekannt ist.

Mithilfe der Grundlagenuntersuchungen werden Prozessparameter und Pro­zessrandbedingungen der Zerspanung bestimmt, mit denen eine Steigerung der Werkzeugstandzeit erreicht werden kann. Weiterhin stellen die geringen Werkzeugdurchmesser hinsichtlich der Form- und Maßabweichungen am Werkstück ein wesentliches Problem dar. Bedingt durch die geringe Steifigkeit der Mikrofräswerkzeuge können diese nur kleine Momente und Kräfte auf­nehmen. Besonders bei der Bearbeitung der oben aufgeführten Werkstoffe treten jedoch Zerspankräfte auf, die beispielsweise im Vergleich zur Titan- oder Edelstahlbearbeitung sechsmal so hoch sein können.

Im Rahmen dieses Teilprojekts wird weiterhin die Entwicklung und Fertigung von Oberflächenstrukturen durchgeführt. Das Strukturdesign orientiert sich hierbei sowohl an den geometrischen Gegebenheiten der Mikrofräsbearbeitung (technologische Strukturen) als auch an Beispielen aus der Natur (bionisch motivierte Strukturen). Für den Fertigungsprozess werden Einflussgrößen ana­lysiert und geeignete Prozessrandbedingungen definiert. Aufgrund der hohen Anzahl an Mikrostrukturelementen bei Flächen von wenigen Millimetern Abmessung ist eine Berechnung der NC-Bahnen innerhalb der gängigen CAD/CAM-Prozesskette nicht mehr zielführend (> 6 000 Strukturelemente), weshalb eigene repetitive Lösungsansätze entwickelt werden. Durch eine simulationsgestützte Auslegung der Prozesse soll das Potential der Mikro­hartbearbeitung weiter ausgeschöpft und eine hohe Anwendbarkeitsreife erzielt werden.


Arbeitskreise


Veröffentlichungen

    2021

    • Meijer, A.; Biermann, D.: Machining of Molds with Filigree Structures for Sheet-Bulk Metal Forming. In: M. Merklein, A.E. Tekkaya, B.-A. Behrens (Hrsg.): Sheet Bulk Metal Forming - Research Results of the TCRC73, (2021), Springer Nature Switzerland AG, S. 141-171

    2020

    • Weikert, T.; Tremmel, S.; Stangier, D.; Tillmann, W.; Krebs, E.; Biermann, D.: Tribological Studies on Multi-Coated Forming Tools. In: Journal of Manufacturing Processes, 49(2020), S. 141-152
    • Behrens, B.; Meijer, A.; Stangier, D.; Hübner, S.; Biermann, D.; Tillmann, W.; Rosenbusch, D.; , .: Static and oscillation superimposed ring compression tests with structured and coated tools for Sheet-Bulk Metal Forming. In: Journal of Manufacturing Processes, 55(2020), S. 78-86
    • Platt, T.; Meijer, A.; Biermann, D.: Conduction-Based Thermally Assisted Micromilling Process for Cutting Difficult-to-Machine Materials. In: Journal of Manufacturing and Materials Processing (Hrsg.): Advanced Manufacturing and Machining Processes, 4(2020)2, S. 34

    2019

    • Behrens, B.; Biermann, D.; Tillmann, W.; Krimm, R.; Meijer, A.; Schewe, M.; Stangier, D.; Commichau, O.; Müller, P.; Rosenbusch, D.; Menzel, A.: Untersuchungen strukturierter Werkzeugflächen und der Einfluss auf den Werkzeugverschleiß. In: 4. Industriekolloquium Blechmassivumformung 2019 – DFG Transregio 73, (2019), S. 7-30
    • , .; Bergmann, J. A. ; Krebs, E.; Biermann, D.; Wiederkehr, P.: Analytical and Simulation-Based Prediction of Surface Roughness for Micromilling Hardened HSS . In: J. Manuf. Mater. Process, 3(2019)3, S. 1-17
    • Pulvermetallurgie der Hartmetalle - Schlüsseltechnologie für die spanende Fertigung und ihre Anwendungsgebiete. In: Danninger, H.; Sigl, L.; Broeckmann, C. (Hrsg.): Pulvermetallurgie- Schlüsseltechnologie für innovative Systemlösungen, 35(2019)1, Heimdall Verlag, S. 3-27
    • Biermann, D.; , .; Michel, S.: Optimierung zerspanender Prozesse in kleinsten Dimensionen. In: maschinenbau - Das Schweizer Industriemagazin, 5(2019)1, S. 18,21
    • Baumann, J.; Krebs, E.; Biermann, D.: Chatter avoidance in milling by using advanced cutting tools with structured functional surfaces. In: Modern Machining Science Journal, 1(2019)1, S. 3019-3026

    2018

    • Krebs, E.; Wolf, M.; Biermann, D.; Tillmann, W.; Stangier, D.: High-quality cutting edge preparation of micromilling tools using wet abrasive jet machining process. In: Production Engineering, 12(2018), S. 45-51
    • Meijer, A.; Krebs, E.; Wiederkehr, P.; Biermann, D.: Prediction of Feed-Rate Slowdowns in Precise Micromilling Processes. In: J. Manuf. Mater. Process, 2(2018)1, MPDI, S. 1-14
    • Keitzel, G.; , .: Kräfte messen - Prozesse optimieren. In: Mikroproduktion, 4(2018)1, MIKROvent, S. 40-44
    • Biermann, D.; , .; Ott: Präparation von Mikrofräswerkzeugen aus Vollhartmetall mit elastisch gebundenen Schleifkörpern. In: Jahrbuch Schleifen, Honen, Läppen und Polieren: Verfahren und Maschinen, 68(2018)1, Vulkan Verlag GmbH, S. 80-98
    • Biermann, D.; , .; Krebs, E.; Michel, S.; Jaeger, J.: Neue Entwicklungen für den produktiven Einsatz von Hartmetallwerkzeugen in kleinsten Dimensionen. In: Danninger, H.; Sigl, L.; Broeckmann, C. (Hrsg.): Pulvermetallurgie - neue Herausforderungen und neue Wege, 34(2018)1, Heimdall Verlag, S. 135-155

    2017

    • Sieczkarek, P.; Wernicke, S.; Gies, S.; Tekkaya, A.; Krebs, E.; Wiederkehr, P.; Biermann, D.; Tillmann, W.; Stangier, D.: Improvement strategies for the formfilling in incremental gear forming processes. In: Production Engineering – Research and Development, 11(2017), Springer, S. 623-631
    • Tillmann, W.; Stangier, D.; Lopes-Dias, N.-F.; Biermann, D.; Krebs, E.: Adjustment of Friction by Duplex-Treated, Bionic Structures for Sheet-Bulk Metal Forming. In: Tribology International, 111(2017), S. 9-17
    • Krebs, E.: Simulationsgestützte Mikrofräsbearbeitung gehärteter Werkzeugstähle zur Herstellung filigraner Formelemente und funktionaler Oberflächenstrukturen. In: Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Dirk Biermann (Hrsg.): Dissertation Krebs, E., 1(2017)1, Essen: Vulkan Verlag GmbH, veröffentlicht

    Vorträge

      2019

      • 15.05.2019: , .: Mikrozerspanung gehärteter Schnellarbeitsstähle , 11. Tooling Konferenz, Aachen

      2018

      • 08.02.2018: Krebs, E.: Simulationsgestützte Prozessanalyse und –vorhersage bei der Mikrofräsbearbeitung, Dortmund
      • 24.08.2018: , .: Mikrobearbeitung - Von der Simulation des Materialabtrages bis zur intelligenten Fabrik , Sino Summer School, ISF, Dortmund
      • 28.09.2018: Wiederkehr, P.: Mikrobearbeitung bionischer Oberflächenstrukturen zur tribologischen Optimierung von Umfromprozessen, 2. Sino Symposium, Bochum
      • 15.11.2018: Biermann, D.: Neue Entwicklungen für den produktiven Einsatz von Hartmetallwerkzeugen in kleinsten Dimensionen, Hagener Symposium, Fachverband für Pulvermetallurgie, Hagen
      • 28.11.2018: , .: Prozessauslegung zur Strukturierung von Freiformflächen durch Replikation und Verzerrung von Sektionen eines NC Programmes, Euspen - SIG: Structured & Freeform Surfaces, Paris