Entwicklung eines CFK-Grundkörpers für die spanabhebende Fertigung (CFKSpan)

Ziel des Projekts CFK-Span war die Herstellung eines Werkzeuggrundkörpers aus CFK-Verbundmaterial mit einem Durchmesser von 2,7 m für Portalfräsmaschinen zur spanabhebenden Bearbeitung von Aluminiumplatten. Der bisherige maximale Durchmesser solcher Grundkörper ist auf 2,015 m beschränkt, was auch gleichzeitig die zu bearbeitende Fläche hochgenauer Aluminiumplatten beschränkt. Durch die Vergrößerung der bearbeiteten Halbzeuge soll erreicht werden, sowohl den teilnehmenden Projektpartnern, als auch dem restlichen deutschen Maschinenmarkt, einen Wettbewerbsvorteil gegenüber dem europäischen und globalen Mitwettbewerbern durch modernere Produkte zu verschaffen. Durch die Entwicklung eines größeren Grundkörpers wird es den Betreibern von Fräsanlagen nun ermöglicht, ohne größere Investitionen in den Umbau ihrer bestehenden Anlagen, eine deutliche Produktivitätssteigerung zu erreichen, da durch die Umrüstung nur der Grundkörper ausgetauscht werden muss; der komplette Antriebsstrang kann erhalten bleiben. Des Weiteren sind auch die wissenschaftlichen Ergebnisse dieser Entwicklung von Interesse, denn die Konstruktion der Materialübergänge an Werkzeugkassetten und Frässpindel vom Verbundstoff hin zu metallischen Teilen stellt bereits bei der Herstellung eine besondere Herausforderung dar. Ihre Haltbarkeit unter Prozessbedingungen war ebenso wie ihre Konzeption ein besonderes Augenmerk innerhalb dieses Projekts. Mit dem neuen Werkzeug ist es gelungen, im konservativ betriebenen Markt der Maschinenhersteller das innovative Material CFK im Allgemeinen weiter zu verbreiten und durch die Prestigewirkung des Projekts die Potentiale des Materials aufzuzeigen.
Die Arbeitsplanung sah vor, dass zur Erreichung dieser Ziele im ersten Arbeitspaket Analogieversuche an bestehenden Fräsmaschinen und an einem CFK-Versuchsträger durchgeführt werden. Außerdem wurden Modalanalysen und Steifigkeitsanalysen durchgeführt. Parallel dazu wurden sämtliche Einflussgrößen auf die Oberflächenqualität der Werkstücke identifiziert. Die gesammelten Ergebnisse wurden zum Entwurf und der Konstruktion der Werkzeugkassetten verwendet. Im zweiten Arbeitspaket wurde die Berechnung und Konstruktion des CFK-Grundkörpers durchgeführt. Hierzu erfolgte eine Konzeption in Bezug auf Werkzeuganzahl und -anordnung, die anschließend berechnet wurde. Danach erfolgte die Entwicklung und Konstruktion der Spindelschnittstelle und die Konzeption der Werkzeugkassettenausführung sowie deren Integration in den CFK-Grundkörper. Im dritten Arbeitspaket wurde die neu entstehende Prozessdynamik berechnet und der Einfluss ermittelt, den die Materialschnittstellen an Werkzeugkassetten und Frässpindel auf die Prozesseigenschaften haben. Im vierten Arbeitspaket wurden die Werkzeuge und Legeformen für den Demonstrator entworfen und gefertigt sowie die entsprechenden Unterlagen und Fertigungsanleitungen erstellt und ein Demonstrationsobjekt entworfen, gefertigt und nachbearbeitet.Damit sowohl das Werkzeug als auch das CFK-Material unter realen Prozessbedingungen verifiziert werden konnte. Am Ende des Projekts wurde der entworfene Grundkörper bewertet sowie ein geeignetes Reparaturkonzepte entwickelt.
Die erhaltenen Ergebnisse finden Verwertung durch den Absatz der im Anschluss an das Projekt produzierten Grundkörper an Unternehmen, die bereits Grundkörper in dieser Größe angefragt haben. Der gefertigte Demonstrator wird in einer geeigneten Fräsmaschine Dauerbelastungsversuchen unterzogen, um sowohl am CFK-Material als auch an den Materialschnittstellen Ermüdungserscheinungen zu identifizieren. Diese Ergebnisse werden für die Verifikation und die Erweiterung der Reparaturkonzepte verwendet. Zudem sollen die im Laufe dieses Projekts gewonnen Erkenntnisse dazu verwendet werden, die Planung von Grundkörpern mit geringerem Umfang zu beginnen, um den Kreis der potentiellen Kunden weiter zu erhöhen. Das erworbene Know-how wird von allen beteiligten Unternehmen für die Berechnung und Herstellung neuer Werkzeuge für den Werkzeugmaschinenmarkt verwendet werden, damit sie in weiteren Branchen des Maschinenbaus Anwendung finden.

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