Ziel der Entwicklung
Die Motivation für das Projekt war in der Notwendigkeit verwurzelt, die Effizienz und Leistungsfähigkeit von Werkzeugen und Maschinenkomponenten in der industriellen Fertigung zu verbessern. Ein zentraler Impuls aus der Wirtschaft war die stetig steigende Nachfrage nach höheren Produktionsvolumen bei gleichbleibender oder sogar verbesserter Bauteilqualität. Konkret bestand das Problem darin, dass das Zeitspanvolumen, also die Menge an Material, die pro Zeiteinheit zerspant werden kann, erhöht werden musste. Traditionell wurde dies durch Erhöhung der Schnittgeschwindigkeiten versucht, was jedoch zur Folge hatte, dass leichtere Maschinenkomponenten und Werkzeuge erforderlich wurden.
Die bisherigen Ansätze im Leichtbau führten jedoch häufig zu Kompromissen hinsichtlich der Steifigkeit und Stabilität der Werkzeuge, was zu instabilen Bearbeitungsprozessen führte und die Qualität der Endprodukte beeinträchtigen konnte. Hinzu kam, dass es keine geeigneten Leichtbaugitterstrukturen speziell für rotationssymmetrische Bauteile im LPBF-Verfahren (Laser Powder Bed Fusion) gab. Diese Strukturen mussten daher entwickelt werden, um den spezifischen Anforderungen gerecht zu werden.
Diese Herausforderung motivierte die Entwicklung des Projekts, das darauf abzielte, durch den Einsatz von im LPBF-Verfahren hergestellten Leichtbaustrukturen eine Lösung zu finden. Das Ziel war es, Strukturen zu entwickeln, die bei geringem Gewicht eine hohe Steifigkeit und Dämpfung aufweisen und gleichzeitig gut herstellbar sind. Dabei sollte ein optimales Gleichgewicht zwischen Gewichtseinsparung und mechanischer Leistungsfähigkeit gefunden werden, um die Stabilität und Qualität in der Fertigung zu gewährleisten. Durch die Optimierung der LPBF-Technologie sollte zudem sichergestellt werden, dass Probleme wie Rauheit, Verzug und geometrische Abweichungen minimiert werden.
Zusammengefasst ergab sich die Motivation aus dem Bedarf der Industrie, das Zeitspanvolumen zu erhöhen und dabei die Bauteilqualität zu wahren, sowie aus der Notwendigkeit, die Nachteile herkömmlicher Leichtbaulösungen zu überwinden und stabile, leistungsfähige Bauteile und Werkzeuge entwickeln zu können.
Vorteile und Lösungen
Das Projekt war darauf ausgerichtet, die Möglichkeiten des selektiven Laserschmelzens (LPBF) zur Herstellung und Optimierung von Leichtbaustrukturen für rotierende Maschinen- und Werkzeugkomponenten zu erforschen. Diese Komponenten müssen oft hohe Anforderungen an Festigkeit, Steifigkeit und Schwingverhalten erfüllen, während gleichzeitig das Gewicht minimiert werden soll, um die Leistung und Effizienz der Systeme zu verbessern.
In den frühen Arbeitspaketen lag der Fokus auf der Konzeption und Optimierung der Strukturen. Hierbei wurden verschiedene Parameter wie die Gitterstruktur, der Stabdurchmesser und der Gitterwinkel systematisch variiert, um ihre Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften zu untersuchen. Durch numerische Simulationen und experimentelle Validierung wurden optimale Konfigurationen ermittelt, die eine maximale Gewichtsreduktion bei gleichzeitiger Sicherstellung der erforderlichen Festigkeit und Steifigkeit ermöglichen.
Die darauffolgenden Arbeitspakete widmeten sich der praktischen Umsetzung und Charakterisierung der entwickelten Strukturen. Mithilfe des LPBF-Verfahrens wurden Proben hergestellt und umfassend auf ihre mechanischen Eigenschaften, ihr Schwingverhalten und ihre Dauerfestigkeit hin untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die entwickelten Strukturen eine gute Leistungsfähigkeit aufwiesen und den Anforderungen an Festigkeit und Steifigkeit gerecht wurden, während sie gleichzeitig das Gewicht signifikant reduzierten.
Besonders bemerkenswert war die erfolgreiche Anwendung der entwickelten Strukturen in einer langauskragenden Werkzeugaufnahme. Trotz der Gewichtsreduktion konnten gute Oberflächenqualitäten und vergleichbare Schnittwerte wie bei einem Referenzwerkzeugschaft erreicht werden, was auf die Robustheit und Effizienz der Strukturen hinweist.
Die durch das Projekt gewonnenen Erkenntnisse und Handlungsempfehlungen tragen dazu bei, den Einsatz von additiven Fertigungsverfahren in der Industrie zu optimieren und die Entwicklung effizienterer und leistungsfähigerer Komponenten für rotierende Maschinen- und Werkzeugsysteme voranzutreiben. Sie bieten eine fundierte Grundlage für zukünftige Entwicklungen im Bereich des Leichtbaus und der additiven Fertigungstechnologien.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die entwickelten Leichtbaustrukturen für rotierende Bauteile bieten erhebliches Innovationspotenzial und vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Industriebereichen. Sie ermöglichen eine Gewichtsreduktion und verbesserte Leistungsfähigkeit, was besonders in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und in der Medizintechnik von Vorteil ist. Durch die Verringerung des Gewichts rotierender Bauteile wird die Leistungsfähigkeit erhöht. Zusätzlich führt die Gewichtsreduktion zu besserer Energieeffizienz und niedrigeren Betriebskosten.
Leichtbaustrukturen verbessern zudem die Dynamik und Stabilität der Bauteile, reduzieren Vibrationen und erhöhen die Oberflächenqualität der Werkstücke. Mit Hilfe des LPBF-Verfahrens können maßgeschneiderte Strukturen für verschiedene Industrien und Anforderungen entwickelt werden. Optimierte Leichtbaustrukturen erhöhen die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Bauteile, senken Wartungsintervalle und Betriebskosten. Darüber hinaus ermöglichen sie neue Designkonzepte und optimierte mechanische Eigenschaften.
Die Zielgruppen und Märkte für diese Innovationen sind vielfältig. In der Luft- und Raumfahrt führt die Gewichtsreduktion zu höherer Treibstoffeffizienz und niedrigeren Kosten. In der Automobilindustrie verbessern Leichtbaukomponenten die Energieeffizienz und Fahrdynamik. In der Medizintechnik ermöglicht die Optimierung rotierender Geräte präzisere Operationen. Im Maschinenbau tragen die Leichtbaustrukturen zur Steigerung der Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz von Maschinenkomponenten bei. Auch in der Energiewirtschaft, insbesondere bei Windturbinen und anderen Energietechnologien, können die entwickelten Strukturen zu höherer Effizienz führen.
Der Transfer der Forschungsergebnisse erfolgt durch Schulungen und Workshops, die das Wissen an Anwenderunternehmen weitergeben, sowie durch Publikationen und Konferenzen, die eine breite Streuung der Innovationen gewährleisten. Wirtschaftlich gesehen tragen die Leichtbaustrukturen zur Wettbewerbsfähigkeit bei, indem sie die Positionierung als Vorreiter in der additiven Fertigung und im Leichtbau stärken. Dies führt zu einer Erhöhung der Forschungsförderung und bietet weitere Fördermittel für zukünftige Projekte. Zudem ermöglicht die Kommerzialisierung der Innovationen Einnahmen durch Auftragsforschung und Kooperationen.
Ein praktisches Anwendungsbeispiel ist ein erfolgreich getestetes Fräswerkzeug mit Leichtbaustrukturen, das als Demonstrator dient. Insgesamt bieten die entwickelten Leichtbaustrukturen ein enormes Innovationspotenzial und vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, die zur Steigerung der Leistungsfähigkeit, Effizienz und Wirtschaftlichkeit in verschiedenen Industriebereichen beitragen können.
