Grundlagenuntersuchungen zur Optimierung der Bohrungsgüte beim Einlippentiefbohren von thermoplastischen Polymeren durch Anpassung der Werkzeuggestalt

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 242342331

Kunststoffe eröffnen vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten. Hieraus resultieren zahlreiche Anwendungen für diese Werkstoffklasse in nahezu allen Industriezweigen. Durch die Entwicklung von Hochleistungskunststoffen werden andere Leichtbaumaterialien wie Aluminium immer mehr substituiert. Zur Herstellung einer großen Anzahl von Bauteilen und Komponenten aus Kunststoffen werden häufig Spritzguss- und Extrudierverfahren verwendet. Dem gegenüber stehen Präzisionsbauteile, wie sie in der Automobilindustrie für Stellantriebe eingesetzt werden, und Bauteile mit einer hochkomplexen Geometrie wie Baugruppen für Computertomographen. Aufgrund der geringen Stückzahl dieser Bauteile ist eine kostengünstige Herstellung nur durch Zerspanungsprozesse möglich.Eine Herausforderung bei der Zerspanung von Kunststoffen stellt die aus der Bearbeitung resultierende Temperaturentwicklung dar. Insbesondere für das Fertigungsverfahren Bohren ergibt sich daraus eine besondere Problemstellung. Die eingebrachte Wärme und die anfallenden Späne müssen aus der Bohrung abgeführt werden, um einen sicheren Prozess zu gewährleisten. Bei Bauteilen, die Bohrungen mit einem hohen Verhältnis von Bohrungslänge zu Bohrungsdurchmesser (l/D-Verhältnis) benötigen, wie Wendegruppierschnecken, stößt das Bohren mit Wendelbohrern, wie es bisher angewendet wird, an seine Grenzen. Mehrfache Ausspanhübe reduzieren den Wärmeeintrag, erhöhen aber die Prozesszeit deutlich. Zudem kann die geforderte Bohrungsgüte häufig nur durch Nacharbeiten erreicht werden.Tiefbohrverfahren, die im Bereich der Metallzerspanung für diesen speziellen Bearbeitungsfall entwickelt wurden, werden nur vereinzelt eingesetzt. Ein Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es daher zu untersuchen, inwieweit sich die bekannten Vorteile des Tiefbohrens wie geringer Mittenverlauf und hohe Oberflächengüte auch auf Kunststoffe übertragen lassen. Das Hauptziel des Projektes besteht darin, die Grundlagen für die gezielte Werkzeug- und Prozessentwicklung zu schaffen. Dazu sollen Bohrungen mit dem Einlippentiefbohrverfahren in verschiedene thermoplastische Kunststoffe eingebracht und mit Hilfe der Methoden der statistischen Versuchsplanung hinsichtlich ihrer Bohrungsgüte, ihres Mittenverlaufs und den damit verknüpften Schnittdaten analysiert werden. Das Spektrum der zu untersuchenden thermoplastischen Kunststoffe umfasst dabei verschieden teilkristalline und amorphe Thermoplaste. Darauf aufbauend ist die Entwicklung einer Simulation geplant, die durch Anpassungen der Werkzeuggestalt geringe Prozesszeiten ermöglicht und gleichzeitig eine hohe Bohrungsgüte bei einem geringen Mittenverlauf gewährleistet. Hierzu werden verschiedene Modelle auf Basis der Methode Design and Analysis of Computer Experiments (DACE) erstellt, die zu einer Simulation zusammengeführt werden. Die Simulation erlaubt es, die Prozess- und Werkzeuggestaltung an die diversen Strukturen der Kunststoffe (amorph, teilkristallin) und den Kristallinitätsgrad anzupassen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen