Forschungsprojekt von IfW und DITF liefert ausgezeichnete Ergebnisse
Innovative Leichtbauwerkzeuge für
extreme Bearbeitung
Im Projekt Leichtbau-Werkzeuggrundkörper haben Wissenschaftler vom IfW der Universität Stuttgart und vom DITF Denkendorf neue Ansätze von leichten Hobelwerkzeugen mit einer 1,5-fachen Produktivitätssteigerung erforscht und Demonstratoren als Versuchswerkzeuge aufgebaut.
Extrem-Leichtbaulösung: Funktionsdemonstrator (3D-Druck), CFK-Hobelwerkzeug – Bild: Universität Stuttgart
Im IGF-Forschungsvorhaben ‚Entwicklung hochdynamisch belastbarer leichter Werkzeuggrundkörper für die Holz- und Holzwerkstoffbearbeitung‘ (IGF-Nr. 20128) haben die beiden Forschungseinrichtungen in Kooperation mit der Forschungsplattform Holz (FPH) leichte Werkzeuggrundkörper für Hobelautomaten entwickelt. Die FPH ist ein Verein zur Bearbeitung von Zukunftsfragen der Holzbe- und -verarbeitung. Dieser bündelt die Kompetenzen kleiner und mittelständischer Unternehmen des Holzbearbeitungsmaschinenbaus, um gemeinsam mit universitären und außeruniversitären Forschungseinrichtungen Forschung zu betreiben. Durch diese gemeinsame Zusammenarbeit werden technologische Fortschritte für die gesamte Branche erarbeitet und die Innovationskraft nachhaltig gestärkt. Dadurch können die Mitgliederunternehmen neue innovative Lösungen für den globalen Markt erarbeiten.
Gesteigerte Drehzahlen durch reduziertes Gewicht
Mit den im Projekt entwickelten, extrem leichten Hobelwerkzeugen kann eine Steigerung der Spindeldrehzahlen von 50% auf 18.000U/min realisiert werden. Die Drehzhalsteigerung wird druch eine Gewichtrsreduktion von bis zu 50% bei höherer Werkzeugsteifigkeit und den damit auch verbesserten dynamischen Eigenschaften der Werkzeuge erreicht. Dadurch können höhere Vorschübe mit einer entsprechenden Produktivitätssteigerung der Maschine umgesetzt werden. Durch die wesentlich geringere Werkzeugmasse wird auch die Ergonomie beim Werkzeughandling (Aus- und Einbau) verbessert und Energie im Betrieb eingespart. Zur Reduzierung der Masse am Werkzeuggrundkörper wurden an den Forschungsinstituten jeweils unterschiedliche Leichtbaukonzepte verfolgt: Am IfW wurde der anteilige Materialersatz mittels Kohlenstoff-Faserverbundmaterialien (CFK) als Sandwich-Konzept aus Aluminium und CFK erforscht und an den DITF ein völlig neues Werkzeugdesign aus CFK-Einzelteilen.
Sandwichbauweise mit unterschiedlichen Wickelausrichtungen – Bild: Universität Stuttgart
Metall und CFK vorteilhaft kombiniert
Der Ansatz des IfW bietet die Vorteile, dass durch die vorteilhafte Kombination aus Metall und CFK die Biegeeigenfrequenz erhöht und die Steifigkeit sowie Strukturdämpfung des Grundkörpers angepasst werden kann. Neben Qualität der Holzoberflächen spielt das Fügen in der Montage und die Kraftübertragung im Prozess zwischen den verschiedenen Materialien eine entscheidende Rolle. Fertigungstechnisch ist der Wickelprozess des CFK-Kerns Stand der Technik und die aufgeschrumpfte Außenhülle aus Aluminium ermöglicht die klassische Fertigung von Spanräumen und der Plattensitze der Schneiden. Je nach Ausführung des CFK-Kerns und der Außenhülle sind bis zu 20% Masse einsparbar. Daraus wurden die Varianten der vorliegenden Funktionsmuster im Rahmen des Fertigungsprozesses unter Erhaltung der Vorteile des Leichtbaus adäquat umgesetzt und in Versuchsreihen bei den höheren Drehzahlen getestet.
Entwicklungsschritte der Leichtbauwerkzeuge am Beispiel Extrem-Leichtbauwerkzeug: Konzeptentwicklung, analytische Auslegung, Simulation (FEM) und Fertigung von Funktionsmuster – Bild: Universität Stuttgart
Maximal steifes und festes Werkzeug
Beim DITF-Ansatz des modularen Gestaltungsprinzips ‚Extrem-Leichtbauweise‘ tragen CFK-Dreieckselemente im Inneren die dominierende Fliehkraftbelastung und die CFK-Außenhülle nimmt die Biege- und Torsionsmomente aus dem Zerspanprozess auf. Hochpräzise CFK-Stäbe verbinden die Komponenten. Diese fasergerecht bestmögliche Nutzung des Potenzials der Carbonfasern führt zur maximalen Steifigkeit und Festigkeit des Werkzeugs. Die Entwicklung der patentierten Extrem-Leichtbaulösung erfolgte mittels numerischer Simulation, wobei zahlreichen Lösungsvarianten systematisch analysiert und optimiert wurden. Je größer der Durchmesser, desto größer wird auch die mögliche Massereduzierung. Das Werkzeug ist demontier- und somit prinzipiell reparierbar. Es können Wendeschneiden wie beim klassischen Werkzeug montiert und überschliffen werden. Die CFK-Einzelteile wurden an den DITF gefertigt. Der in Zusammenarbeit mit Leitz aufgebaute Prototyp des CFK-Hobelwerkzeugs wiegt über 50% weniger als vergleichbare klassische Hobelwerkzeuge aus Aluminium und ermöglicht höhere Betriebsdrehzahlen auf bis zu 18.000U/min, eine Steigerung um 50% und eine 1,5-fache Steigerung der Produktivität.
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