Ziel der Entwicklung

Ziel des Projekts war es, einen neuartigen Lösungsansatz für eine technisch und wirtschaftlich effiziente Realisierung großvolumiger Leichtbauzerspanungswerkzeuge zu erforschen.
Die Bearbeitung großer Bohrungen gepaart mit hohen Genauigkeiten ist eine typische Bearbeitungsaufgabe in vielen Hochtechnologiebereichen, die nach derzeitigem Stand der Technik vorrangig mit modular aufgebauten Aufbohrwerkzeugsystemen in sogenannter Traversen- bzw. Brückenausführung realisiert wird. Für die Fertigung solcher großen Bohrungen werden entsprechend dimensionierte Aufbohrwerkzeuge benötigt, wobei das Werkzeuggewicht einen entscheidenden Einfluss auf den Zerspanprozess und die Maschinenperformance hat.
So führen die erhöhten Massen zu erhöhten Antriebsmomenten, wodurch sich zeitgleich auch das für den Zerspanvorgang zur Verfügung stehende Schnittkraftmoment reduziert. Weiterhin stellen solche großen und schweren Werkzeuge eine zusätzliche Belastung für die Antriebe und Lagerungen der Maschine dar und erschweren das Handling beim Transport und Wechsel. Durch eine funktionelle Leichtbauoptimierung können diese Nachteile effizient reduziert werden.
In dem Projekt sollten geeignete technische, konstruktive und wirtschaftliche Lösungsansätze für die Herstellung von großvolumigen Leichtbauwerkzeugen im WAAM-Verfahren entwickelt und umgesetzt werden. Im Ergebnis sollten sich die additiv umgesetzten Aufbohrwerkzeuge durch ihre spezielle Bauweise von vergleichbaren Vertretern, entsprechend dem aktuellen Stand der Technik, durch eine entsprechende Gewichtsreduzierung und der damit verbundenen erhöhten Wertschöpfung auszeichnen.

Vorteile und Lösungen

In dem Projekt wurden geeignete technische, konstruktive und wirtschaftliche Lösungsansätze für die Herstellung von großvolumigen Leichtbauwerkzeugen im WAAM-Verfahren entwickelt und umgesetzt. Im Ergebnis sollten sich die additiv umgesetzten Aufbohrwerkzeuge durch ihre spezielle Bauweise von vergleichbaren Vertretern, entsprechend dem aktuellen Stand der Technik, durch eine entsprechende Gewichtsreduzierung und der damit verbundenen erhöhten Wertschöpfung auszeichnen
Ein wesentlicher Projektschritt war die Entwicklung einer optimierten, parametrischen und mehrstufigen Konstruktionsstrategie, die als Basis für eine fertigungs- und lastgerechte Konzipierung traversenförmiger Bauteile in funktioneller Leichtbauweise genutzt werden konnte. Somit konnten nach entsprechender Modellbildung effektiv und zielgerichtet geeignete Konstruktionsvarianten realisiert werden, die im Vergleich zur vorherigen „Standard“-Topologieoptimierung bereits eine weitgehend fertigungsgerechte Gestaltung mitberücksichtigen. Weiterhin konnte durch die eingesetzten Hilfsstrukturen (Spanten) detailliert Einfluss auf den Topologieoptimierungsprozess genommen werden.
Im Ergebnis des Forschungsprojektes wurde ein Technologiekonzept für großvolumige Werkzeugkomponenten in additiver Leichtbauweise gemäß den Antragsvorgaben erarbeitet, in verschiedenen Varianten umgesetzt und in praxisnahen Versuchsreihen getestet. Bei den umgesetzten Leichtbauprototypen, die stellvertretend für solche neuartigen additiven Großwerkzeugkonzepte stehen, konnte im Vergleich zu marktüblichen Werkzeugsystemen eine Gewichtsreduktion (ca. 19 %) bei gleichzeitiger erhöhter axialer Steifigkeit (40 %) erzielt werden.
Mit der Realisierung funktionsfähiger Prototypen konnte der technische Nachweis erbracht werden, dass die additive Herstellung im WAAM-Verfahren für solche Werkzeugsysteme grundsätzlich ein geeignetes Fertigungsverfahren darstellt.

Zielgruppe und Zielmarkt

Modulare Aufbohrwerkzeuge in Traversenbauweise bilden die Basis für die Herstellung von Hochpräzisionsbauteilen, wie sie in einer Vielzahl von zukunftsweisenden Technologiebereiche, wie z. B. dem Automobil- und Maschinenbau, der Luft- und Raumfahrt und der Energiegewinnung eingesetzt werden.
Mit dem im Rahmen des Projektes entwickelten Werkzeugkonzept für ein großvolumiges Zerspanungswerkzeug in additiver Leichtbauweise und der Umsetzung per WAAM-Schweißverfahren wurde ein Beitrag zu diesem wachsenden Bedarf der Kunden nach innovativen Leichtbaulösungen geschaffen. Durch die funktionelle Leichtbauweise sind Anwender in der Lage Fertigungsstrategien energieschonend, mit reduziertem Rüstaufwand und einem verbesserten Gesundheitsschutz realisieren zu können.
Für potenzielle Werkzeughersteller von Ausbohrwerkzeugen ergeben sich durch den Einsatz von additiver WAAM-Technologie zur Realisierung großvolumiger Werkzeugsysteme gezielte Anstöße für neue Produktionsvarianten in funktioneller Leichtbauweise. Durch den optimierten Konstruktionsprozess kann die Entwicklung funktioneller Werkzeugsysteme beschleunigt werden wodurch auch die notwendigen Entwicklungskosten reduziert werden können.
Die Vermarktung der Ergebnisse erfolgt vorrangig durch Transfer der Erkenntnisse an interessierte Kunden aus den Bereichen der werkzeugherstellenden bzw. –anwendenden Industrie. Weiterhin wird die GFE Schmalkalden e.V. interessierten Kunden die entwickelten Variantenkonzepte und das gewonnene Know-how zur Applikation des Werkzeugkonzeptes auf ähnliche Anwendungsfälle zur Verfügung stellen.
Das im Rahmen des Projektes dazu gewonnene Know-how verstärkt die Kompetenzen der GFE Schmalkalden e.V. bei der Applikation vergleichbarer Werkzeugentwicklungen in dieser Richtung und wird für weiterführende FuE-Projekte, speziell mit dem Schwerpunkt auf der Entwicklung additiver Werkzeugkomponenten, genutzt.