Intelligente Zerspanung
„Permavib“ versetzt Bohr- und Fräswerkzeuge per Ultraschall so in Schwingung, dass die Bearbeitung von Metallen, faserverstärkten Kunststoffen und Keramiken wesentlich erleichtert wird. Bild: Fraunofer
Mit PermaVib haben die Wissenschaftler des Fraunhofer IWU ein Ultraschall-Schwingsystem für Bohr- und Fräswerkzeuge entwickelt, das vor allem die Zerspanung von Stahl und Aluminium perfektioniert. Auch Materialien wie faserverstärkte Kunststoffe und Keramiken lassen sich damit wesentlich leichter als bisher bearbeiten. Zudem verringert „PermaVib“ drastisch den Werkzeugverschleiß sowie die Kräfte bei der Zerspanung.
Bei der spanenden Bearbeitung von faserverstärkten Kunststoffen und Keramik treten heute noch typische Fehler wie Faserausrisse, Delamination und Ausbrüche des Werkzeuges beziehungsweise des Werkstücks auf. Die Effizienz der Bearbeitung metallischer Werkstoffe beschränken schlecht abzuführende Späne und Gratbildung. „Permavib“ versetzt Bohr- und Fräswerkzeuge per Ultraschall so in Schwingung, dass die Bearbeitung von Metallen, faserverstärkten Kunststoffen und Keramiken wesentlich erleichtert wird. Das Schwingsystem reduziert den Werkzeugverschleiß um 50 und den Kraftaufwand für die Bearbeitung um 40 Prozent.
Verbesserte Bauteilqualität und einfache Nachrüstung
„Die von uns gemeinsam mit vier Industriepartnern entwickelten PermaVib-Systeme ändern das“, erläutert Martin Hamm, Wissenschaftler am Fraunhofer IWU. »Sie regen das Werkzeug mit Ultraschall zum Schwingen an und sorgen so dafür, dass bis zu 40 Prozent weniger Kraft für die Bearbeitung aufgebracht werden müssen“. Dadurch würden geringere Spangrößen, eine verbesserte Spanabfuhr und eine verbesserte Bauteilqualität erzielt, gleichzeitig werde der Werkzeugverschleiß um bis zu 50 Prozent reduziert. Zudem ließen sich bestehende Werkzeugmaschinen ohne großen Aufwand mit den Systemen nachrüsten, weil diese als Module in beliebige Bearbeitungszentren integriert werden könnten.
Ausgeführt sind die „PermaVib“-Systeme als Werkzeughalter mit Schrumpffutter, die anstelle der konventionellen Werkzeughalter in die Maschinenspindel eingesetzt werden. Im Innern verfügen sie über einen piezokeramischen Wandler, der eine hochfrequente elektrische Wechselspannung in schnelle Bewegungen übersetzt. So werden die konventionellen Vorschub- und Schnittbewegungen von einer Längsschwingung überlagert. Durch die Geometrie des Systems wird die Schwingungsamplitude verstärkt. An der Werkzeugspitze werden so Werte im zweistelligen Mikrometerbereich erreicht. Das Gehäuse ist jedoch von den Schwingungen entkoppelt, womit Spindel und Lager vor unerwünschten Vibrationen geschützt sind.
Autarke Regelung und Energieversorgung
Die Regelung und Energieversorgung von „PermaVib“ erfolgt unabhängig von der Energieversorgung und Steuerung des jeweiligen Bearbeitungszentrums, indem eine externe Versorgungseinheit außerhalb des Arbeitsraumes aufgestellt wird. „Auf diese Weise müssen keine Umbauten an der Maschine vorgenommen werden“, erklärt Martin Hamm. (ig)