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Herausforderung Fertigungstechnik
Aktuelle Trends
Konrad Wegener, IWF ETH Zürich
2. SMM-KongressModerne Produktionstechnik
5. Dezember 2011
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Gliederung
• Einleitung• Werkzeugmaschinenthemen• Zerspanung • Oberflächenintegrität• Simulation der Spanbildung• Lasertechnik• Additive Fertigungstechnik• Zusammenfassung
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Dienstleistungen rund um‘s Produkt
reine Dienstleistung
Eine Idee ohne Umsetzungskompetenz stellt keinen Wert dar
Der Weg zur Dienstleistungsgesellschaft geht über das Produkt
Dienstleistungsgesellschaft
Industrielle Durchdringung [%]
Dynamische / Thermische Kompensation
Teleservice
Einstieg am Wendepunkt ist effizient, Einstiegsbarrieren?
Allgemeine Trends1.) Produktionstreiber aging society
neue Produkte, neue Anforderungen an die Fertigung, Medizintechnische Fertigung
2.) Fertigung für den Luxus3.) Mass Customization
Steigerung Variantenvielfalt, OPF4.) Fertigung für die Umwelt: Ressourceneffizienz,
Fertigung von Komponenten für die Umwelt, Elektromobilität 5.) LifeCycle Management von Fertigungssystemen und für Produkte6.) Materialinnovation
neue Produktionstechniken für neue Materialien, neue Materialien für neue Produktionstechniken
7.) Einfluss der IT-Entwicklung8.) Umsetzung physikalischer Erkenntnisse in Produkte und Produktion9.) Denken und Forschen in Prozessketten
gesamtheitliche Optimierung, Fehlertransfer, Linienstrategien, Planungstools, Monitoringsysteme und -strategien
Allgemeine Trends10.) Funktionsintegration in Bauteile
Kombination von mechanischen und nichtmechanischen Funktionen11.) Die Werkzeugmaschine als informationstechnisches Kraftpaket
("Cyberphysical Product«), Verschmelzen mit dem Internet12.) Virtuelle Prozessauslegung und –optimierung (nicht mehr nur der
Umformtechnik und Giessereitechnik)13.) Konvergenz der Simulationen, der virtuellen Welten14.) Ende der klassischen CAM-Systeme, Integration Technologie, Geometrie, Maschinenverhalten, Werkzeugverschleiss in die Bahnplanung15.) Vordringen physikalischer (nichtmechanischer) Fertigungsverfahren
Laser, Additive Verfahren, Erosion, ECM, LIGA, AFM, Beschichten16.) Oberflächentechnologie: Funktionale Oberflächen in grossen Flächen17.) Miniaturisierung
Miniaturisierung Massenproduktion, Replikation18.) Fertigungstechnik für Giganten
Grossteile mit höchsten Genauigkeiten 19.) Genauigkeitssteigerung:
5 Achsen, 500 x 500 x 500 mm unter 1 µm im gesamten Arbeitsraum
Leitentwicklung Materialien und Beschichtungen
- Magnetwerkstoffe - hochfeste Stahlbleche- Aluminium mit speziellen Eigenschaften- Schneidstoffe- Ultraharte Werkstoffe- Hochtemperaturwerkstoffe- Beschichtungen- Funktionsmaterialien
(Smart Materials): EAP, Piezo, Memory Alloys
- Nanomaterials
Prozessinnovationen werden durch Werkstoffinnovationen ermöglicht und erzwungen
Übersicht – Stahlgruppen
0 200 400 600 800 1000 12000
20
40
60
80
Streckgrenze Rp0.2 [MPa]
Bru
chde
hnun
g [%
]
Tiefzieh-Stähle
Austenit.rostfrei
Bakehardening
DPTRIP
Mikrolegierte St.
Duplex
Duplex + N
MikrolegierteMehrphasenst.
L-IP
MikrolegierteVergütungsst.
NAXTRAVergütungs-Stähle
ETG
Leitentwicklung Materialien und Beschichtungen
Neue Entwicklungen ermöglichen höhere Leistungsfähigkeit sowie individuelle Anpassung an Werkstoff
Entwicklung von Beschichtungen
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TiN
TiCN
TiAlN
AlTiN
AlCrXN
HardnessWear resistance
Oxidation resistanceHot hardness
Oxidation resistanceToughness
Oxidation resistanceWear resistance
Hot hardness
Hot hardnessToughness
AlCrN
CVD TiC
CVD TiC / TiCN / TiNCVD TiC oder TiN / Al2O3
PVD TiNCVD TiC / Al2O3 / TiNCVD TiC / TiCN / Al2O3 / TiN...MTCVD TiCNPVD TiCNPVD TiAlN
CVD DiamondPVD TiN / TiAlN / TiN / TiAlN…PVD AlTiN, TiAlN + Si, B, Cr….
PVD AlCrNPVD Al2O3, (AlCr)2O3PVD AlCrXN
1970 -
1975 -
1980 -
1985 -
1990 -
1995 -
2000 -
2006 -
Motivation
Quelle: Oerlikon Balzers
Funktionsmaterialien
Anwendung von Funktionsmaterialien• Vereinigung mehrerer Funktionen auf
kleinstem Raum• Gewichts- und Platzeinsparung• Selbstheilung (Verschleissausgleich)• Automatische Fehlerdiagnose, Schadenser-
kennung• Anpassbarkeit an geänderte
Umweltbedingungen (Adaptronic)• Bessere Materialausnutzung• Schadensvermeidung, Schadensbegrenzung• aktive Vibrations- und Lärmunterdrückung• aktive Gestalt- und Positionsregelung
Gliederung
• Einleitung• Werkzeugmaschinenthemen• Zerspanung • Oberflächenintegrität• Simulation der Spanbildung• Lasertechnik• Additive Fertigungstechnik• Zusammenfassung
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Die Maschine im MittelpunktProzess
Thermik
Dynamik
Zuverlässigkeit
Kinematische Genauigkeit
TCO, Energie
Bea
rbei
tung
sgen
auig
keit
[m
]
Quelle: McKeon nach Taniguchi
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Entwicklung der Genauigkeitsanforderungen
Neue Konzepte erforderlich
Normal Machining
Precision Machining
Ultra Precision Machining
- Kalibrierung- Rekalibrierung- Kalibrierung unter
Shop – Floor – Bedingungen- Trend 1 μm im Arbeitsraum
0.5 x 0.5 x 0.5 m- Entwicklung von Messstrategien
und –geräten- Optische, berührungslose Verfahren
Lasertracker, Lasertracer
Optimierung von Werkzeugmaschinen: Messtechnik
Kompensation dynamischer Abweichungen
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Definition inertieller «In-Talk» (EZZ) und «Cross-Talk» (EXZ)– Offset zwischen Massenschwerpunkt (S)
und Krafteinleitung Moment auf Kopplungen (k) Kippbewegung
– Offsets zwischen Ort der Positionsmessung und Werkzeugpunkt (TCP) zu S führen zu Fehlern EZZ und EXZ
– beide Fehler können durch die Closed-Loop Regelung nicht reduziert werden
Fehler abhängig von Masse, Steifigkeit und Beschleunigung– Dynamischer Positionsfehler EZZ– Dynamischer Geradheitsfehler EXZ
Hop Nguyen © 03/2013 inspire AG
Thermische Kompensation FEM• Problem: Historienabhängigkeit• Modell der Gesamtmaschine (Starrkörper)
– NC-Bahn erforderlich für Simulation• NC-Bahn (aus Steuerung, z.B. FANUC
Focas2)– Bewegung der Achsen– Koppelkräfte– Reibung, Wärmeleitung abh. von Position
Last und Bewegungsgrössen• Thermisches FE-Modell
– Update der Achspositionen– Wärmequellen, Wärmesenken, Reibungs-
verluste, Aktualisierung Wärmeleitung –konvektion,…
• Mechanisches FE-Modell (ggf. reduziert)– Relative TCP Verlagerung
Thermische Kompensation- Gute Kompensationsergebnisse erreichbar- Trotz umfangreicher numerischer Modelle
stehen neue Kompensationswerte in weniger als 1 min zu Verfügung
- Erforderlich sind Temperatur-messung Umgebung
- Erforderlich sind Temperatur-stützwerte, Messstellen zu bestimmen
- Einfluss von Abdeckungen und Verkleidungen
- KSM und Späne bisher nicht gelöst
- Unsicherheit Wärmeaus-dehnung: 20%
Energieeffizienz von WerkzeugmaschinenEnergieverbrauch Werkzeugmaschinen durch
- Standby,- Temperaturstabilisierung- Schmierung- Anfänglicher Ausschuss
Schnelle Maschine Langsame Maschine Temperaturkompensierte Maschine
Simulation: - Optimierung Temperaturverhalten und
damit Ausschuss und Vorwärmzeit- Kompensation ohne zusätzliche
Kühl- und Heizleistung Modellbasierte Achskompensation:- Kompensationsmodell auf der Maschine- Sorgfältig ausgesuchte Temperaturmessstellen
Drehmaschine
Schleifmaschine
Optimierung von Werkzeugmaschinen
CTC Regelung
Soll
P PI Maschine
Modell
Geschwindigkeit ist
Lage ist
- -+ +
+
+
+
KraftLage, Geschwindigkeit, Beschleunigung
Geschwindigkeit
X
Moderne Materialien, Leichtbau Steuerung / Regelung / Bahnplanung
Bahnplanung zur Verbesserung dynamischen MaschinenverhaltensBahnplanung zur Reduktion Werkzeugverschleiss
Adaptronik, SelbstinbetriebnahmeRekonfigurierung
Ratterunterdrückung
Planares Maschinenkonzept Soviel Planarität wie
möglich Wiederbenutzung von
Funktionsflächen für mehrere Achsen
Planar:Aerostatische FührungAbdeckung als Blechrollband2-D-Messsystem
Linear:Antrieb über eine Traverse mit Gantry
Resultate• Extreme Steifigkeit (vertikal 300 N/μm)• Hohe Produktivität durch Fahren ohne
Ruckbegrenzung• Glanzoberflächen mit Ra<6 nm• Arbeitsraumgenauigkeit auf unter 1 μm
kompensierbar• Einfache Kompensation durch
geringe Zahl von Fehlerparameternund Realisierung Abbé-Komparatorprinzip
OZX
OXZ
Lesekopf
Z-Massstab
XY-Tisch
SpindelTCP
Z-Pinole
Gliederung
• Einleitung• Werkzeugmaschinenthemen• Zerspanung • Oberflächenintegrität• Simulation der Spanbildung• Lasertechnik• Additive Fertigungstechnik• Zusammenfassung
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Quo vadis HPC10 years of HPC
Einfluss des Schneidkantenradius – Verschleiss beim Drehen
rn = 10 μm rn = 20 μm rn = 50 μm
V =
155
cm
3V
= 1
80 c
m3
V =
400
cm
3
100 µm
Spanfläche
Freifläche
Massive Standwegverlängerung durch optimale Schneidkantenradien
0 500 1000 1500 2000
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0 100 200 300 400 500
Schnittweg S [m]
Max
. Ver
schl
eiss
mar
kenb
reite
VB
max
[mm
]
Zerspantes Volumen V [cm3]
unverrundet
rn = 20 µm
rn = 50 µm
Versuchsabbruch
0 500 1000 1500 2000
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0 100 200 300 400 500
Schnittweg S [m]
Vers
chle
issm
arke
nbre
ite V
B [m
m]
Zerspantes Volumen V [cm3]
unverrundet
rn = 20 µm
rn = 50 µm
rn= 20 µmrn= 10 µm
rn= 50 µm
Pflugkraftuntersuchungen
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Mit zunehmendem Radius steigt besonders Vorschubkraft Ff
Bruch erfolgt in Richtung der größten Kraftkomponente (Ff) in Richtung Spanfläche
Anstieg von Ff verursacht frühes Versagen stark verrundeter Schneidkanten
Ideal: Pflugkraft in Richtung Keilwinkelhalbierender
fz = 0.08 mm
Fc
Ff
Bruchliniern Fc
Ff
rn = 40 μm
rn = 8 μm
Reibung TR
N
RR
Reibung und Pflugkraft nach Albrecht
Tool g = 15º
Heuristik: Aufteilung
Characterisation of rounded cutting edges
flank face
rake face
• Characterisation uncertainty– Point uncertainty– Number and distribution of points– Area chosen for circle fitting
algorithm that defines circle fitting area
Characterisation of rounded cutting edges
old upper fitting-limit
pint
circle tangent to straight lines
= new upper fitting limit(iteration process)
d = 0!
4
βpc
β/2
pint
2
straight line fitting (300
μm)
1preset distance(200 μm)
β
• User independent definition of circle fitting area• Elimination of major uncertainty driver• Higher characterisation repeatability & reproducibility
circletangent tostraight lines
pint
new upper line fitting limit
new line fitting area
3 edgeflattening
circle fitting area,micro geometry5
cutting edgeradius rn
macrogeometry
αr
Carl-Frederik Wyen © 09/2011 inspire AG
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• Mikroskop Bilder – Bohreraustritt
2 mm
Parameter:vc = 90 m/minf = 0.06 mm/U
Bohrung 200
2 mm
Bohrung 600 Bohrung 1000
2 mm 2 mm
Bohren in CFK Werkzeugaustritt in IMA-12K
2 mm
Eige
nent
wic
klun
g in
K
oop.
mit
Heu
leB
este
s Wer
kzeu
g am
M
arkt
Verschleiss auf Diamantschicht
Bohrung 403 Bohrung 403Bohrung 403
Bohrung 1003 Bohrung 1003 Bohrung 1003
1 mm 1 mm1 mm
1 mm 1 mm1 mm
Para
me
ter:
v c =
90
m/m
inf
=
0.06
m
m/U
Schleifen sprödharter Werkstoffe • Hartschleifen von ZrO2-Y2O3 Keramik (dichtgesintert)• Erfolg: Schnittgeschwindigkeit. KSM – Versorgung,
hybridgebundene Werkzeuge G > 25000• Additiv gefertigte Düse mit internen Kanälen
Düse
iwf: Ultrahartbearbeitung ZrO2
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Sehr hohe G-Werte erreicht
KSM-Zufuhr optimiert Duktile Späne ZrO2-Schicht auf den
Diamanten
Mikrozerspanung
re
γr
vfre
γr
vf
Herunterskalieren konventioneller Prozesse nicht möglich! Makrozerspanung Mikrozerspanung
re
γr
vfre
γr
vf
3 Gründe hierfür: Korngrösse des Werkstücks und Kantengeometrie des Werkzeugs sind in gleicher
Grössenordnung Minimale Spandicke hm: hohe Pflugkräfte und elastische Deformation anstelle von
Materialabtrag, wenn die Schnitttiefe die minimale Spandicke unterschreitet. Verhältnis Zahnvorschub ft zu Schneidkantenradius re: Pflugkräfte, erhöhte
Schnittkräfte und geringere Oberflächengüte, wenn ft ≤ re
Mikrofertigung:Werkzeugdurchmesser 200 µm
3-D-Vermessung und Charakterisierung der Schneidkanten
Einfluss auf die Bearbeitungsqualität
Mikrozerspanung
Bissacco 2005Kommanduri 2001
Pseudokugelfräser
Procedure
Finish Flow-type chips
Material : BK7 (Optical glass)
Roughness of forehead PV=50nm
Mikrobearbeitung
Gliederung
• Einleitung• Werkzeugmaschinenthemen• Zerspanung • Oberflächenintegrität• Simulation der Spanbildung• Lasertechnik• Additive Fertigungstechnik• Zusammenfassung
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Oberflächenintegrität
Brinksmeier: Round Robin
- Eigenspannung- Härte- Rauheit- Anrisse- Verformung- …
Oberflächenintegrität Funktionalität- Ermüdung- Verschleiss- Genauigkeit- …
Oberflächenintegrität
• Jedes Bearbeitungsverfahren hinterlässt Spuren auf der
Tangentialspannungen an der Oberfläche
Ziel
FräsenDrehenSchleifenEDMFeinschleifen
Tang
entia
le E
igen
sp. a
n O
berf
läch
e
Versuchssätze
Oberflächenintegrität
• Jedes Bearbeitungsverfahren hinterlässt Spuren auf der
Brinksmeier: Round Robin
Tangentialspannungsverläufe
FräsenDrehenSchleifenEDMFeinschleifen
Tiefe unter der Oberfläche z
Tang
entia
le E
igen
span
nung
en