Vorimprägnierte Carbonfasern – Schnittergebnis mit Ultraschallunterstützung
Weber Ultrasonics
Leichtbautechnologien sind für Branchen wie die Fahrzeugindustrie, Luft- und Raumfahrt sowie den Maschinen- und Anlagenbau ein Innovationstreiber. Der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen, Verbundmaterialien und Stacks mit Kernen aus Schaum- oder Wabenstruktur erfordert dabei häufig veränderte Bearbeitungslösungen. Die Unternehmen Weber Ultrasonics, Entwickler und Hersteller von Ultraschallkomponenten mit Sitz in Karlsbad, und Hufschmied Zerspanungswerkzeuge mit Sitz in Bobingen arbeiten in diesem Zusammenhang an sogenannten resonanten Systemen für die Ultraschallzerspanung.
Bei der Ultraschallunterstützung wird die Werkzeugkinematik des herkömmlichen Bearbeitungsprozesses durch eine zusätzliche hochfrequente Schwingung überlagert, erklären die Partnerunternehmen. Diese Oszillation erzeugt an der Werkzeugschneide Bewegungsamplituden im Bereich von wenigen Mikrometern, aus denen eine Verringerung der Prozesskräfte resultiert. Dieser gewünschte Effekt sei bei den heute üblicherweise eingesetzten, nicht-resonanten Systemen jedoch sehr gering. Denn es würden nur rund fünf Prozent der eingesetzten Energie in Schwingung umgesetzt, der Rest in Wärme. Grund dafür sei, dass die sogenannte Resonanzfrequenz des Werkzeugs je nach Einspannlänge und Dimension willkürlich gesucht und betrieben wird.
Resonante Ultraschallsysteme und Zerspanwerkzeuge
Um den Wirkungsgrad zu verbessern, entwickeln die Unternehmen Hufschmied und Weber Ultrasonics gemeinsam resonante Ultraschallsysteme und Zerspanwerkzeuge. Dabei werden den Partnerunternehmen zufolge die Ultraschallfrequenz und der Schwingungsmodus auf Basis der Werkzeugeigenschaften ermittelt und das System mit dieser Resonanzfrequenz betrieben. Durch diese optimale Abstimmung steige der Wirkungsgrad der Ultraschallunterstützung auf 90 bis 95 Prozent. Zudem würden die Prozesskräfte signifikant reduziert.
Der hybride Prozess ermögliche dadurch auch bei der Bearbeitung von schwer zerspanbaren Leichtbauwerkstoffen höhere Zeitspanvolumen, was den Materialdurchsatz erhöhe und Maschinenbelegzeiten verringern könne. Gleichzeitig würden die Werkzeuge weniger belastet beziehungsweise deformiert, sodass eine längere Standzeit erreicht werde. Beides soll die Bearbeitungskosten senken und die Wirtschaftlichkeit der Prozesse steigern.
Höhere Genauigkeit soll Robotereinsatz ermöglichen
Ein weiterer Vorteil der neuen resonanten Systeme für die Ultraschallzerspanung sei die höhere Genauigkeit, die bei der Bearbeitung erzielt werden könne. Sie ermögliche nicht nur die Herstellung filigranerer Werkstücke mit Portalsystemen, sondern auch den Einsatz von Industrierobotern als Alternative für die Umsetzung eines automatisierten Fertigungsprozesses. Die dabei realisierbaren Fertigungstoleranzen liegen den Unternehmen zufolge im relativen Genauigkeitsbereich klassischer Werkzeugmaschinen. Dadurch sollen sich die wesentlichen Vorteile der Roboterbearbeitung wie Flexibilität und Verfahrensintegration, beispielsweise Handling und Bearbeitung, bei der Fertigung komplexer Werkstückgeometrien oder großer Werkstücke etwa für die Fahrzeugindustrie, Luft- und Raumfahrt sowie Energietechnik nutzen lassen.