Oberflächenintegrität

Report
Herausforderung
Fertigungstechnik
Aktuelle Trends
2. SMM-Kongress
Moderne Produktionstechnik
5. Dezember 2011
Konrad Wegener, IWF ETH Zürich
Gliederung
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•
Einleitung
Werkzeugmaschinenthemen
Zerspanung
Oberflächenintegrität
Simulation der Spanbildung
Lasertechnik
Additive Fertigungstechnik
Zusammenfassung
Dienstleistungsgesellschaft
Dienstleistungen
rund um‘s Produkt
reine
Dienstleistung
Eine Idee ohne Umsetzungskompetenz stellt keinen Wert dar
Der Weg zur Dienstleistungsgesellschaft geht über das Produkt
Industrielle Durchdringung
[%]
Einstieg am Wendepunkt ist effizient,
Einstiegsbarrieren?
Teleservice
Dynamische /
Thermische
Kompensation
Allgemeine Trends
1.) Produktionstreiber aging society
neue Produkte, neue Anforderungen an die Fertigung,
Medizintechnische Fertigung
2.) Fertigung für den Luxus
3.) Mass Customization
Steigerung Variantenvielfalt, OPF
4.) Fertigung für die Umwelt: Ressourceneffizienz,
Fertigung von Komponenten für die Umwelt, Elektromobilität
5.) LifeCycle Management von Fertigungssystemen und für Produkte
6.) Materialinnovation
neue Produktionstechniken für neue Materialien,
neue Materialien für neue Produktionstechniken
7.) Einfluss der IT-Entwicklung
8.) Umsetzung physikalischer Erkenntnisse in Produkte und Produktion
9.) Denken und Forschen in Prozessketten
gesamtheitliche Optimierung, Fehlertransfer, Linienstrategien,
Planungstools, Monitoringsysteme und -strategien
Allgemeine Trends
10.) Funktionsintegration in Bauteile
Kombination von mechanischen und nichtmechanischen Funktionen
11.) Die Werkzeugmaschine als informationstechnisches Kraftpaket
("Cyberphysical Product«), Verschmelzen mit dem Internet
12.) Virtuelle Prozessauslegung und –optimierung (nicht mehr nur der
Umformtechnik und Giessereitechnik)
13.) Konvergenz der Simulationen, der virtuellen Welten
14.) Ende der klassischen CAM-Systeme, Integration Technologie, Geometrie,
Maschinenverhalten, Werkzeugverschleiss in die Bahnplanung
15.) Vordringen physikalischer (nichtmechanischer) Fertigungsverfahren
Laser, Additive Verfahren, Erosion, ECM, LIGA, AFM, Beschichten
16.) Oberflächentechnologie: Funktionale Oberflächen in grossen Flächen
17.) Miniaturisierung
Miniaturisierung  Massenproduktion, Replikation
18.) 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
Leitentwicklung Materialien und Beschichtungen
Bruchdehnung [%]
80
Übersicht – Stahlgruppen
60
TiefziehStähle
Austenit.
rostfrei
L-IP
Duplex
+N
40
Bake
hardening
DP
Duplex
20
Mikrolegierte St.
Mikrolegierte
Mehrphasenst.
VergütungsNAXTRA
Stähle
Mikrolegierte
Vergütungsst.
ETG
0
0
200
400
600
800
Streckgrenze Rp0.2 [MPa]
1000
1200
Entwicklung von Beschichtungen

Neue Entwicklungen ermöglichen höhere Leistungsfähigkeit sowie
individuelle Anpassung an Werkstoff
1970 - CVD TiC
1975 -
1980 1985 1990 -
CVD TiC / TiCN / TiN
CVD TiC oder TiN / Al2O3
PVD TiN
CVD TiC / Al2O3 / TiN
CVD TiC / TiCN / Al2O3 / TiN...
MTCVD TiCN
PVD TiCN
PVD TiAlN
1995 - CVD Diamond
PVD TiN / TiAlN / TiN / TiAlN…
2000 - PVD AlTiN, TiAlN + Si, B, Cr….
PVD AlCrN
2006 - PVD Al2O3, (AlCr)2O3
PVD AlCrXN
TiN
M
o
t
i
v
a
t
i
o
n
Hardness
Wear resistance
TiCN
Oxidation resistance
Hot hardness
TiAlN
Oxidation resistance
Toughness
AlTiN
Oxidation resistance
Wear resistance
Hot hardness
AlCrN
Hot hardness
Toughness
AlCrXN
Quelle: Oerlikon Balzers
9
Funktionsmaterialien
Anwendung von Funktionsmaterialien
• Vereinigung mehrerer Funktionen auf
kleinstem Raum
• Gewichts- und Platzeinsparung
• Selbstheilung (Verschleissausgleich)
• Automatische Fehlerdiagnose, Schadenserkennung
• 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
Die Maschine im Mittelpunkt
Prozess
Zuverlässigkeit
Kinematische
Genauigkeit
Dynamik
TCO, Energie
Thermik
Bearbeitungsgenauigkeit [m]
Entwicklung der Genauigkeitsanforderungen
Normal Machining
Precision Machining
Quelle: McKeon nach Taniguchi
Neue Konzepte erforderlic
Ultra Precision Machining
Optimierung von Werkzeugmaschinen: Messtechnik
-
-
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
Kompensation dynamischer Abweichungen

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 ClosedLoop Regelung nicht reduziert werden

Fehler abhängig von Masse, Steifigkeit
und Beschleunigung
– Dynamischer Positionsfehler EZZ
– Dynamischer Geradheitsfehler EXZ
Hop Nguyen © 03/2013 inspire AG
15
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, Reibungsverluste, 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 Temperaturmessung Umgebung
- Erforderlich sind Temperaturstützwerte,
Messstellen zu bestimmen
- Einfluss von Abdeckungen und
Verkleidungen
- KSM und Späne bisher nicht
gelöst
- Unsicherheit Wärmeausdehnung: 20%
Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen
Energieverbrauch Werkzeugmaschinen durch
- Standby,
- Temperaturstabilisierung
- Schmierung
- Anfänglicher Ausschuss
Drehmaschine
 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
Schleifmaschine
Optimierung von Werkzeugmaschinen
 Moderne Materialien, Leichtbau
 Steuerung / Regelung / Bahnplanung
Bahnplanung zur Verbesserung dynamischen Maschinenverhaltens
Bahnplanung zur Reduktion Werkzeugverschleiss
 Adaptronik, Selbstinbetriebnahme
Rekonfigurierung
 Ratterunterdrückung
Lage, Geschwindigkeit, Beschleunigung
Modell
Soll
Kraft
Geschwindigkeit
CTC
Regelung
+
+
X
+
P
-
+ -
PI
+
Maschine
Geschwindigkeit ist
Lage ist
Planares Maschinenkonzept




Soviel Planarität wie
möglich
Wiederbenutzung von
Funktionsflächen für
mehrere Achsen
Planar:
Aerostatische Führung
Abdeckung als Blechrollband
2-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 Fehlerparametern
und Realisierung
Abbé-Komparatorprinzip
OZX
Z-Massstab
Z-Pinole
Spindel
TCP
XY-Tisch
OXZ
Lesekopf
Gliederung
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•
•
•
•
•
•
•
Einleitung
Werkzeugmaschinenthemen
Zerspanung
Oberflächenintegrität
Simulation der Spanbildung
Lasertechnik
Additive Fertigungstechnik
Zusammenfassung
Quo vadis HPC
10 years of HPC
Einfluss des Schneidkantenradius –
Verschleiss beim Drehen
Max. Verschleissmarkenbreite VB max [mm]
1000
0
1500
0.3
0.25
0.2
Schnittweg S [m]
500
2000
1000
1500
2000
runverrundet
n= 10 µm
rrn
20 µm
µm
n==20
rrn
50 µm
µm
n==50
0.15
0.1
Versuchsabbruch
0.05
0
0
100
200
300
400
500
400
500
3
Zerspantes Volumen V [cm ]
ntes Volumen V [cm3]
200
rn = 10 μm
V = 400 cm3 V = 180 cm3 V = 155 cm3
chnittweg S [m]
rn = 20 μm
rn = 50 μm
Spanfläche
unverrundet
100 µm
Freifläche
rn = 20 µm
rn = 50 µm
300

Massive Standwegverlängerung durch optimale Schneidkantenradien
Pflugkraftuntersuchungen

Mit zunehmendem Radius steigt
besonders Vorschubkraft Ff
rn = 8 μm
Ff
Fc



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
rn = 40
μm
Ff
rn Bruchlinie Fc
Reibung und Pflugkraft nach Albrecht
Heuristik:
Aufteilung
Tool
g = 15º
 Reibung
RT
R 
RN
Characterisation of rounded cutting edges
•
Characterisation uncertainty
– Point uncertainty
– Number and distribution of points
– Area chosen for circle fitting
 algorithm that defines circle fitting area
flank
face
rake
face
Characterisation of rounded cutting edges
pc
1
2
β
β
preset distance
(200 μm)
new upper line
fitting limit
circle tangent to straight lines
= new upper fitting limit
(iteration process)
pint
old upper
fitting-limit
!
d=0
pint
circle
tangent to
straight lines
β/2
straight line
fitting (300 μm)
4
pint
edge
flattening
3
new line fitting area
5
circle fitting area,
micro geometry
αr
cutting edge
radius rn
macro
geometry
• User independent definition of circle fitting area
• Elimination of major uncertainty driver
• Higher characterisation repeatability & reproducibility
Eigenentwicklung in
Koop. mit Heule
Bohren in CFK Werkzeugaustritt in IMA-12K
• Mikroskop Bilder – Bohreraustritt
2 mm
2 mm
Bohrung 600
Bohrung 1000
Bestes Werkzeug
am Markt
Bohrung 200
2 mm
2 mm
2 mm
Parame
ter:
v = 90
Parame
ter:
vc = 90
Verschleiss auf Diamantschicht
1 mm
1 mm
1 mm
Bohrung 403
1 mm
Bohrung 403
1 mm
1 mm
Bohrung 1003
Bohrung 403
Bohrung 1003
Bohrung 1003
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




Sehr hohe G-Werte
erreicht
KSM-Zufuhr optimiert
Duktile Späne
ZrO2-Schicht auf den
Diamanten
Mikrozerspanung
Herunterskalieren konventioneller Prozesse nicht möglich!
Makrozerspanung
γr
re
Mikrozerspanung
γr
γr
vf
re
vf
re
γr
vf
re
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
Mikrozerspanung
Mikrofertigung:
Werkzeugdurchmesser 200 µm
3-D-Vermessung und
Charakterisierung der Schneidkanten
Einfluss auf die Bearbeitungsqualität
Kommanduri 2001 Bissacco 2005
Pseudokugelfräser
Mikrobearbeitung
Procedure
Material : BK7 (Optical glass)
Finish
Roughness of forehead PV=50nm
Flow-type chips
Gliederung
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•
•
•
•
Einleitung
Werkzeugmaschinenthemen
Zerspanung
Oberflächenintegrität
Simulation der Spanbildung
Lasertechnik
Additive Fertigungstechnik
Zusammenfassung
Oberflächenintegrität
Oberflächenintegrität
Funktionalität
- Eigenspannung
- Härte
- Rauheit
- Anrisse
- Verformung
-…
-
Ermüdung
Verschleiss
Genauigkeit
…
Brinksmeier: Round Robin
Tangentiale Eigensp. an Oberfläche
Oberflächenintegrität
•
Tangentialspannungen
Fräsen
an der Oberfläche
Drehen
Jedes Bearbeitungsverfahren hinterlässt Spuren auf der
Schleifen
EDM
Feinschleifen
Ziel
Versuchssätze
Oberflächenintegrität
Tangentiale Eigenspannungen
Tangentialspannungsverläufe
•
Jedes Bearbeitungsverfahren hinterlässt Spuren auf der
Brinksmeier: Round Robin
Tiefe unter der Oberfläche z
Fräsen
Drehen
Schleifen
EDM
Feinschleifen

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