ManuFuture / CerWoodCut / 28.05.2012 EHR

Wissenschaft und Industrie als starke Partner:

Neue keramische Schneidstoffe für die industrielle Holz-bearbeitung

Bruno Ehrle

Abt. Hochleistungskeramik

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– OERTLI Werkzeuge AG

• Firmenportrait

• Anforderungen an die Holzbearbeitung

– Wie alles begann…

– 1. KTI-Projekt “Woodtool”

• Machbarkeitsstudie

– 2. KTI-Projekt “CerWoodCut”

• Endkonturnahe Herstellung von CMC-Schneiden

– 3. KTI-Projekt “PerWoodCut”

• CMC-Schneiden für die high speed Holzbearbeitung

– Dank und Aussichten

Inhalt…

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OERTLI Werkzeuge AG– Präzisionswerkzeuge und Systeme für die maschinelle Holzbearbeitung– seit 1923– 9 Tochtergesellschaften– ca. 350 MitarbeiterInnen in der OERTLI Gruppe– ca. 180 MitarbeiterInnen in der Schweiz– Produktion in der Schweiz und Holland– Umsatz Schweiz 2011 ca. 27 Mio CHF– geführt in der 3. Generation durch:

Firmenportrait

Paul Oertli jun. Thomas Oertli

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Produkte

Firmenportrait

5ManuFuture / CerWoodCut / 28.05.2012 EHR

Produktion– Am Hauptstandort in Höri bei Bülach

– Einzelteil- und Seriefertigung mit hohem Automatisierungsgrad bis zu 24/7

Firmenportrait

Einzelteilfertigung von Werkzeugkörpern Seriefertigung von Wendeschneiden

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Holzstruktur

Anforderung Holzbearbeitung

• Zellstrukturen• fasrig• inhomogen• anisotrop

Bild-Quelle: IfW Stuttgart

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Schnittrichtungen

Anforderung Holzbearbeitung

Schnittrichtungen (nach Kivimaa):A senkrecht zur FaserB längs zur FaserC quer zur Faser

Fachausdrücke:A Hirn- oder StirnschnittB LängsschnittC Querschnitt

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Vorspaltung

Anforderung Holzbearbeitung

Bild-Quelle: IfW Stuttgart

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Schnittkante

Anforderung Holzbearbeitung

Bild-Quelle: empa

Anforderung an die Schneide:• Korngrössen < 1 μm:

– Kantenverrundung < 5 μm der scharfen Schnittkante

– Keilwinkel von 40 bis 60°

• Hohe Härte und Festigkeit:– Querwuchs, Verästelungen und

Sandeinschlüsse– Leimfugen, Kunstharzbeschichtungen– hohe Schnittgeschwindigkeiten von bis

zu 100 m/s– lange Standzeiten

• Thermische und chemische Resistenz:– bis zu 800°C an der Schnittkante– keine Kühlung möglich– chemische Reaktionen mit Gerbsäuren

Kantenverrundung:• Schneidkeil ≈ 3.5 μm• Schichtdicke ≈ 2.5 μm• Schneidkeil mit Beschichtung ≈ 6.7 μm

Die Holzfaser müssen sauber durch-trennt werden und dürfen nicht gequetscht werden.

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OTS vom 8. November 2002

Hochleistungskeramik - ein Werkstoff mit glänzender Zukunft:

– Keramik-Metall-Komposite• Keramik mit Teileigenschaften von Metallen

– Mechanokeramik

• Schneidkeramik

– Kontakt zu abrasiven Medien• sehr hohe Verschleissfestigkeit sowie sehr hohe Härte

– Signifikant verbesserte mech. Eigenschaften• 3x höhere Bruchzähigkeit als "normale" Keramiken

– Wesentlich geringeres spezifisches Gewicht• ¼ bis ½ des Gewichtes von Hartmetall (HW)

Wie alles begann…

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Von Juli 2004 bis Mai 2005

Machbarkeitsstudie:

– Vergleich von Standard Si3N4 zu einem Ceramics-Matrix-Composites (CMC)

• Das Standard Si3N4 hat nach den ersten Schnittmetern versagt

– Entwickeln eines CMC‘s auf konventionellem Weg

• malen, trocknen, sprühen, sintern, HIPen

• Si3N4-SiC basierendes CMC

– Ermittlung der wichtigsten mechanischen Eigenschaften• Dichte: 3.35 gcm3

• Ø Korngrösse: < 0.5 μm

• Härte: 2100 MPa (HV30)

• Bruchzähigkeit: 6.2

1. KTI „WoodTool“

Bild-Quelle: empa

mMPa

12ManuFuture / CerWoodCut / 28.05.2012 EHR

Von Juli 2004 bis Mai 2005

Machbarkeitsstudie:

– Konventionelle Herstellung der CMC-Rohlinge• Sintern in Scheiben mit uni-axial Druck

– Zu hohe Herstellkosten durch aufwendige Formgebung

• Laserschneiden der groben Schneidenkontur

• Mehrstufiges Vorschleifen aller Flächen (Cracks)

• Feinschleifen der Schnittkante

• Läppen der Schnittkante

– Standzeitversuche mit dem Referenzmaterial• 3 bis 5 mal höhere Standzeit zu Standard-HW ermittelt

– Makroausbrüche auf der Schnittkante• Nicht tolerierbar Standzeitende

1. KTI „WoodTool“

Bild-Quelle: empa

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Von Oktober 2007 bis März 2010

Auswirkungen von Makroausbrüchen auf dem Holz:

– Versagen der Schnittkantenintegrität

2. KTI „CerWoodCut“

Bild-Quelle: empa

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Von Oktober 2007 bis März 2010

Endkonturnahe Herstellung von CMC-Schneiden:

– Modifikation des CMC Referenzmaterials

• Damit Gasdrucksintern möglich wird

– Signifikante Reduktion der Herstellkosten• Ähnliches Processing via Pressformen wie bei der Hartmetall Herstellung

• Rohling nahe an der Endkontur

• Nicht alle Flächen müssen bearbeitet werden

– Neues Werkzeug-Design

• Reduktion der Klemmkraft infolge kleinere Fliehkräfte

• Höhere Drehzahlen / kleinere Werkzeuge

– Verhindern von Makroausbrüchen• Durch anbringen einer Mikrofase

• Als Diplomarbeit an der UNI Stuttgart

2. KTI „CerWoodCut“

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Von Oktober 2007 bis März 2010

Aufgabenteilung:

– Materialwissenschaftliche Arbeiten / Processing• EMPA

– Sintern unter industriellen Bedingungen

• Ceratizit Mamer (L)

– Endbearbeitung inkl. Mikrofase• Ceratizit Horb (D)

– Design Schnittgeometrie / Redesign Werkzeuggeometrie / Prototypen • OERTLI

2. KTI „CerWoodCut“

Bild-Quellen: empa

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Start Dezember 2011

CMC-Schneiden für die „high speed“ Holzbearbeitung:

– Weitere Reduktion der Herstellkosten

• Reduktion der Härte/Sprödigkeit vs Standzeit

– bessere mechanische Bearbeitbarkeit

– Steigerung der Kantenintegrität

– Steigerung der Produktivität durch „high speed“ Bearbeitung• Focuswechsel von Standzeit auf Produktivität beim Endkunden

– Schlanke Schneidenklemmung führt zu kleineren Werkzeugen

– Höhere Schnittgeschwindigkeiten führt zu höheren Vorschüben

– Know-How in eigener Hand

• Know-How Aufbau in der mechanischen Bearbeitung von keramischen Schneidstoffen

• Mechanische Endbearbeitung der Schnittkante im eigenen Haus

– Produktion in der Schweiz

• Stärkung des Werkplatzes Schweiz

• Erhaltung von Arbeitsplätzen

3. KTI „PerWoodCut“

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Immer schneller, höher, weiter…..

Wissenschaft und Industrie als starke Partner:

– Ein KTI-Projekt ist die ideale Plattform für die Industrie, um wissenschaftliches Know-How

praxisgerecht umzusetzen

– Nicht alle Lösungs-Ansätze für immer gleich zum Erfolg

– Solange noch Ideen zur Problemlösung bestehen, sollte man „am Ball“ bleiben

– OERTLI hat dadurch die Chance eine komplett neue Werkzeuggeneration auf den Markt zu

bringen

Aussichten

Durch Beharrlichkeit zum Erfolg!

18ManuFuture / CerWoodCut / 28.05.2012 EHR

Thanks for your attention