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Fördermaßnahme: Hochleistungsfertigungsverfahren für die Produkte von Morgen - Technologieinnovationen auf dem Weg zur intelligenten Fertigung
Forschungsziel: Titan stellt wegen seiner hohen Raum- und Hochtemperaturfestigkeit, seiner geringen Dichte und seiner hohen Korrosionsbeständigkeit einen idealen Werkstoff für die Luft- und Raumfahrtindustrie, den chemischen Geräte- und Anlagenbau und für seewasserbeständige Bauteile im Schiffbau dar. Die hervorragenden mechanischen Eigenschaften erschweren jedoch die spanende und umformende Bearbeitung beträchtlich. Das Verbundprojekt hatte sich das Ziel gestellt, ein neues Hochleistungsfertigungsverfahren zu entwickeln, welches eine Verdopplung des Zeitspanvolumens bzw. eine Halbierung der Fertigungszeit unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten, eine Senkung des Bedarfs an konventionellen Kühlschmierstoffen sowie des spezifischen Bedarfs an Wolfram und Kobalt beim Fräsen von Titan- und Nickelbasislegierungen ermöglicht.
Markus Kannwischer +49 7071 7004-3010
markus.kannwischer@phorn.de
Dipl.-Ing. Ulrike Kirsten
+49 721 608-31411
ulrike.kirsten@kit.edu
Problemstellung
Die Widerstände, die Titan bzw. Titanlegierungen einer Formgebung durch Schmieden, Walzen oder Ziehen entgegensetzen, führen dazu, dass diese Halbzeuge nur relativ einfache Geometrien wie Barren, Bleche oder Rohre aufweisen können. Die weitere Formgebung erfolgt durch Zerspanen, wobei zur Erzeugung der Endformen bis zu 90 Prozent des Ausgangsmaterials zerspant wird. Zu dem ungewöhnlich hohen Zerspanungsvolumen, bei dem etwa 80 Prozent des Rohmaterials zerspant wird, addiert sich der Nachteil des geringen Zeitspanvolumens, so dass die Herstellung von Bauteilen aus diesen Werkstoffen sehr kostenintensiv ist. Die Zerspanbarkeit der Titan- und Titanlegierungen wird noch durch eine schlechte Wärmeleitfähigkeit, niedrigen Elastizitätsmodul und durch Neigung zum Verkleben erschwert. Das führt derzeitig zur begrenzten Anwendung, insbesondere im Bereich der Luft- und Raumfahrt. Der steigende Fertigungsbedarf und der steigende Einsatz leistungsfähiger Legierungen erforderten die Entwicklung neuer und wirtschaftlicher spanender Bearbeitungsverfahren.
Vorgehensweise und Ergebnisse
Ziel des Projekts war es daher, das Zeitspanvolumen beim Fräsen von Titan bzw. Titanlegierungen und Nickel-Superlegierungen durch die Entwicklung neuer hochproduktiver Frässtrategien, neuer Werkstoffsubstrate- und Schichten sowie Werkzeuggeometrie, aber auch über den Einsatz von innovativen Kühlschmiermedien zu verdoppeln. Die Entwicklungsarbeiten konzentrierten sich bei der Fertigungsstrategie auf das induktive Erwärmen der Bauteile und eine kryogene Kühlung der Werkzeugsysteme in Verbindung mit einem neuen Kühlschmierverfahren. Weiterhin wurden auf dieser Basis Zerspanungsversuche mit Wendeschneidplatten aus unterschiedlichen Schneidstoffen durchgeführt. Im Verlauf der Projektdurchführung hatte sich gezeigt, dass die hybride Zerspanung von Titan und Superlegierungen Hartmetallschneidplatten erfordern. Die Projektergebnisse wurden mittels der Fertigung von Werkzeug- und Bauteil-Demonstratoren verifiziert. Als Bauteil-Demonstratoren dienten Demonstratoren aus der Luftfahrt und dem Automobilbau. Die mit Projektstart formulierte Zielsetzung einer Verdopplung des Zeitspanvolumens bei Titan- und Superlegierungen konnte mit dem entwickelten Hochleistungsfertigungsverfahren- und Prozessstrategie nachgewiesen werden.
Ergebnisverwertung
Das Projekt trägt dazu bei, die führende Rolle des deutschen Maschinen-, Anlagen- und Fahrzeugbaus zu sichern und neue Arbeitsplätze zu schaffen. Es ermöglicht den beteiligten Herstellern den Ausbau der eigenen Fertigungstechnik und ein Vordringen in neue Märkte. Die Entwicklung von neuen Werkzeugschichten und Kühlschmierstoffen eröffnen auch den Werkstoff- und Kühlmittelherstellern neue Anwendungsfelder. Durch die neuen Werkzeuge werden weitere Kunden befähigt, Werkstoffe aus Titan- und Superlegierungen effizient zu bearbeiten. Die Forschungsergebnisse wurden auf einer Vielzahl von Veröffentlichungen publiziert, in Vorträgen u. a. bei den Technologietagen 2017 der Fa. Paul Horn GmbH in Tübingen präsentiert und werden abschließend als Fachbuch im Sommer 2018 der Fachöffentlichkeit zur Verfügung gestellt. Weitere Informationen stehen auch unter www.benchwerk.de und der Projektseite www.schwerspan.de.
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