JETmill - Konturnahe Vorbehandlung von Hochleistungswerkstoffen mittels Wasserabrasivstrahlen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens war es, eine konturnahe Schruppvorbehandlung mittels Wasserabrasivstrahltechnologie (WAIS-Technologie) zu entwickeln. Hierdurch sollte das Zerspanungsvolumen und der damit einhergehende Werkzeugverschleiß durch nachfolgende konventionelle Fertigungsprozesse zur endformgebenden Bearbeitung verringert werden. Das Vorhaben wurde am Beispiel des schwer zerspanbaren Werkstoffs Titanaluminid TNM-B1 umgesetzt. Im ersten Forschungszeitraum wurden die grundlegenden Parameterbereiche der konturnahen Schruppvorbehandlung ermittelt und der Einsatz der Technologie als Vorbehandlungsverfahren zur Erzeugung von einfachen 3D-Fräsgeometrien qualifiziert. Im zweiten Forschungszeitraum konnte das Vorbehandlungsverfahren um weitreichenden geometrische Möglichkeiten erweitert werden. Dazu wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen durchgeführt und ausgewertet. Zudem wurde ein analytisches Anwendungsmodel entwickelt, um die entscheidenden Größen des Verfahrens einfach auslegen zu können. Die Herausforderung des Vorhabens lag von Anfang an auch in der Kontrolle und Beschreibbarkeit der Effekte des Sekundärstrahles. Beim klassischen Schneiden mittels WAIS können diese Effekte vernachlässigt werden, da die Energie des Sekundärstrahls durch den Catcher aufgenommen wird und somit nicht auf dem Werkstoff wirkt. Bei der untersuchten Schruppvorbehandlung wurden diese Effekte soweit reduziert und quantifiziert, dass eine reproduzierbare Kerbe mit definierter Kerbtiefe erzeugt werden kann. Neben dem Einsatz geeigneter Parameterbereiche für den Druck p, den Abrasivmittelmassenstrom ṁA und die Vorschubgeschwindigkeit vf trägt vor allem die Anzahl der Überfahrten z maßgeblich zur Erreichung qualitativ hochwertiger Ergebnisse bei. Die Bestimmung geeigneter Bereiche erfolgte mittels statistischer Versuchsplanung und der Auswertung der Zielgrößen zur Form sowie der Formabweichungen. Zudem wurde anwendungsbezogen Qualitätskenngrößen der Oberfläche und Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zur Erörterung des Strömungsverhaltens aufgenommen und ausgewertet. Die grundlegenden Ergebnisse wurden mittels Regressionsgleichungen beschrieben. Zudem wurde ein Anwendungsmodel zur einfachen Auslegung der Schruppvorbehandlung implementiert. Hierdurch können auch die verschiedenen Varianten zur Schruppvorbehandlung geometrisch freier Formen mitberücksichtigt werden, wodurch der industrielle Einsatz der Schruppvorbehandlung schnell erfolgen kann. Um den industriellen Einsatz der Technologie weiter zu erleichtern, wurden in einem Verfahrensvergleich die Anwendungsbereiche identifiziert, bei denen, durch die Schruppvorbehandlung mittels WAIS, Effizienzsteigerungen in Aussicht stehen. Durch das abgeschlossene Projekt konnten neue Erkenntnisse über das Schruppvorbehandeln von schwer zerspanbaren Werkstoffen und das Erzeugen von geometrischen freien Formen mittels WAIS erlangt werden. Die gewonnenen Ergebnisse erlauben es, die WAIS Technologie als Vorbehandlungsverfahren im industriellen Umfeld anzuwenden. Damit kann den Fertigungstechnologien ein effizientes Vorbearbeitungsverfahren zur Bearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen hinzugefügt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Manufacturing with abrasives - current research topics. 2nd International Conference on Abrasive Processes - ICAP 2014, 8 - 10. September 2014, Cambridge UK
Uhlmann, E.
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3D near net shaping of hard to machine materials via abrasive waterjet controlled-depth milling. 2015 WJTA-IMCA Conference and Expo, November 2nd - 4th, 2015, New Orleans, Louisiana
Uhlmann, E.; Faltin, F.; Flögel, K.
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Abrasive Waterjet Milling As An Efficient 3D Pre-shaping Technology For Hard To Cut Materials. Metal Finishing News, Vol. 17, January Issue, 2016, S. 60 - 62
Uhlmann, E.; Faltin, F.
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3D-Vorkonturierung mittels Wasserabrasivstrahl. Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 113 (2018) 7-8, S. 479 - 483
Uhlmann, E.; Männel, C.
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Endkonturnahe Schruppbearbeitung von Titanaluminid mittels Wasserabrasivstrahlen mit kontrollierter Schnitttiefe. Berichte aus dem Produktionstechnischen Zentrum Berlin. Dissertation, Technische Universität Berlin. Stuttgart: Fraunhofer IRB, 2018
Faltin, F.
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Modelling of Abrasive Water Jet Cutting with Controlled Depth for Near Net Shape Fabrication. In: Procedia CIRP 81. Proceedings of the 52nd CIRP Conference on Manufacturing Systems. Hrsg.: Butala, P.; Govekar, E.; Vrabič, R. Elsevier B.V. 2019, S. 920 - 925
Uhlmann, E.; Männel, C.
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Effects of the cutting angle on the kerf formation during nearnet-shape fabrication with the abrasive water jet. In: Lecture Notes in Mechanical Engineering. Selected Papers from the International Conference on Water Jet 2019. Hrsg.: Klichová, D.; Sitek, L.; Hloch, S.; Valentinčič J.: Springer International Publishing. 2020, S. 252 - 261
Uhlmann, E.; Männel, C.
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Efficient Abrasive Water Jet Milling for Near-Net-Shape Fabrication of Difficult-to-Cut Materials. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology
Uhlmann, E.; Männel, C., Braun T.
