Einsatz superelastischer Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen zur Steigerung der dynamischen Prozessstabilität bei der Fräsbearbeitung (NiTiProstab)

Problemstellung
Bei der Schlichtfräsbearbeitung von großen, dünnwandigen Bauteile muss aus Gründen der Zugänglichkeit oftmals ein labiles Fräswerkzeug verwendet werden. Entsprechende Prozesse neigen daher häufig zu Vibrationen, die durch den Werkzeugschneideeingriff verursacht werden. Die Folgen können mangelhafte Bauteiloberflächen, kurze Werkzeuglebensdauer oder eine hohe Ausschussrate sein, was oftmals nur durch eine zeit- und ressourcenintensive Prozessauslegung mittels des Versuch-und-Irrtum-Prinzips vermieden werden kann. Vor allem im Turbomaschinenbau müssen bei Strömungsflächenbauteilen die geforderten, hohen Oberflächenqualitäten erreicht werden, da diese einen direkten Einfluss auf die Wirkungsgrade von Turbinen haben. Vor dem Hintergrund dieser Problemlage ist eine Steigerung der Prozessstabilität bei der Schlichtfräsbearbeitung von labilen Bauteil-Werkzeug-Kombinationen wichtig, um die Fertigung sowohl robuster als auch wirtschaftlicher gestalten zu können.

Projektziel
Ziel des KMU-innovativ Forschungsprojekts NiTiProstab war die Entwicklung eines Werkzeugsystems mit signifikant reduzierter Neigung zu mechanischen Schwingungen während des Zerspanungsprozesses. Superelastische Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen zeigen ein besonderes mechanisches Verhalten (eine ausgeprägte Hysterese). Derartige Werkstoffe eignen sich daher hervorragend zur Dämpfung schwingungsbehafteter Prozesse. Dafür ist es erforderlich, das Dämpfungsvermögen des NiTi-Materials durch geeignete Legierungsanpassungen und optimierte Fertigungsprozesse zu maximieren und in reproduzierbarer Qualität herzustellen.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Die Zusammenhänge zwischen Fertigungsprozess und Werkzeugsystem wurden im Projekt systematisch untersucht. Darauf aufbauend erfolgte die Entwicklung einer spezifisch angepassten und schwingungsdämpfenden Werkzeug-Spannhülse. Ein weiterentwickeltes IT-Werkzeug führt vergleichende Bewertungen zwischen theoretischen Modellannahmen und den tatsächlichen Auswirkungen beim Einsatz von NiTi- Versuchsproben durch und ermöglicht dadurch eine Vorhersage zur werkzeugseitigen Steifigkeit und Dämpfung. Im Projekt wurden mehrere Prototypen entwickelt und deren Verhalten unter realistischen Fertigungsbedingungen von schwer zerspanbaren und filigranen Formen untersucht und mit Erfolg bewertet. Das Dämpfungsverhalten konnte anhand von einzelnen Versuchen mit den vorgenommenen konstruktiven Maßnahmen und bei Einsatz von NiTi positiv beeinflusst werden. Weitere Entwicklungen sind aber erforderlich, um in industriellen Maßstab bei Fräsbearbeitung von labilen Bauteil- Werkzeugkombinationen signifikante Ergebnisse zu erzielen und wirtschaftlich einzusetzen.

• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• Ingpuls GmbH
• Rineck GmbH, Maschinenbau
• SAB Technology GmbH