Herausforderung Fertigungstechnik

Aktuelle Trends

Konrad Wegener, IWF ETH Zürich

2. SMM-KongressModerne Produktionstechnik

5. Dezember 2011

1

Gliederung

• Einleitung• Werkzeugmaschinenthemen• Zerspanung • Oberflächenintegrität• Simulation der Spanbildung• Lasertechnik• Additive Fertigungstechnik• Zusammenfassung

2

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

9

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

13

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

15

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

25

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

28

• 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

32

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