Lightweight and vibration reduced hybrid FRP-metal drill tubes with structure-integrated sensor technology for BTA deep hole drilling processes
Metal-Cutting and Abrasive Manufacturing Engineering
Final Report Abstract
Das BTA-Tiefbohren ist ein Verfahren zur Erzeugung von Bohrungen mit hohen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnissen. Die erforderlichen Längen der lang auskragenden Werkzeuge führen hierbei zu einer erhöhten Schwingungsneigung des Werkzeugsystems. Starke Torsionsschwingungen beim Bohren, die vor allem bei der Bearbeitung hochlegierter Werkstoffe entstehen, führen zu erhöhtem Verschleiß der Schneiden und Führungsleisten sowie zu einer reduzierten Bohrungsgüte. Eine Verbesserung des dynamischen Verhaltens durch Nutzen der Materialdämpfung von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) soll die Prozesssicherheit und Bohrungsgüte erhöhen. Dies weist bei typischerweise hohen Bauteilkosten der Werkstücke ein großes Marktpotenzial auf. Ziel dieses Projektes war die Entwicklung und Einsatzvalidierung eines schwingungsdämpfenden Bohrrohrs mit hybridem Anbindungskonzept. Dabei ermöglicht die Bauweise aus FVK die Strukturintegration von u.a. faseroptischen Sensoren zum Erfassen von Belastungen und zum Prozess- und Conditionmonitoring. Das Projekt basiert auf Erfahrungen aus Grundlagenuntersuchungen zum BTA-Tiefbohren sowie zur Herstellung, zum Einsatz und zur messtechnischen Überwachung von Metall-CFK-Leichtbaustrukturen aus dem DFG Schwerpunktprogramm 1712. Zusätzlich brachten zwei Industriepartner ihre industrielle Expertise von der Konstruktion und Herstellung von FVK-Rohren bis hin zur Einsatzvalidierung ein. Das Erreichen der Hauptprojektziele wurde durch die Entwicklung, Fertigung und den Einsatz von prototypischen Composite-Bohrrohren mit hybridem Anbindungskonzept und strukturintegrierten Sensoren gezeigt. Dabei wurde auch das angestrebte schwingungsdämpfende Einsatzverhaltens validiert. Am Ende des Projektes resultierten wichtige Erkenntnisse zu den Wechselwirkungen des Compositematerials mit Maschinenkomponenten, z.B. im Bereich der Dichtstellen oder des optionalen konventionellen Tiefbohr-Dämpfungssystems. Auf Basis von experimentell bestimmten FVK-Materialparametern erfolgte die numerische Auslegung des Composite-Bohrrohrs für die anfallenden Lasten im Bohrprozess. Die numerische Betrachtung des Gesamtsystems ermöglichte zudem die Identifizierung und Quantifizierung der Haupteinflussfaktoren auf das Schwingungsverhalten. Der Transfer der Ergebnisse aus dem SPP1712 und die tiefbohrspezifischen Anforderungen führten zu einem hybriden Anbindungskonzept zwischen Metall und FVK mit einer geschäfteten Verbindung und einer Kunststoffzwischenschicht. Hierzu wurde die Wickeltechnik so weiterentwickelt, dass eine endkonturnahe Fertigung in einem Prozessschritt ohne Aufdickung des Außendurchmessers mit integrierten Formschlusselementen zur Übertragung von Lasten realisiert werden kann (Patentantrag eingereicht). Hierdurch wird die Integration von Energie- und Datenleitungen sowie neu entwickelter Sensorpatches (Patentantrag eingereicht) möglich. Die Sensorpatches ermöglichen dabei die reproduzierbare Positionierung der faseroptischen Sensoren und erlauben die Messung und Trennung der anliegenden richtungsabhängigen Lasten. In weiteren Untersuchungen konnte sowohl die Sensorik, als auch die verbesserte Schwingungsdämpfung des Composite-Bohrrohrs gegenüber konventionellen Bohrrohren validiert werden. Die experimentell gemessenen Schwingungen konnten dank numerischer Modalanalyse den Stauchungs-, Biegungs- und Torsionseigenformen zugeordnet werden. Dies ermöglicht eine umfassende Bewertung des dynamischen Verhaltens und Rückschlüsse auf den Tiefbohrprozess. Nach abschließender Einsatzvalidierung des gefertigten finalen Composite-Bohrrohr Prototypen mit integrierter Sensorik ist die Fertigung und der Einsatz weiterer Composite-Bohrrohre durch die Industriepartner vorgesehen.
Publications
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FKV-Bohrrohre mit strukturintegrierter Sensorik/Vibration damping and process monitoring in BTA deep hole drilling using fiber composites – FRP drill tubes with structure-integrated sensors. wt Werkstattstechnik online, 111(11-12), 846-850.
Michel, Sebastian; Biermann, Dirk; Kurkowski, Moritz; Spickenheuer, Axel; Stommel, Markus; Summe, Jannik & Herrmann, Hans-Georg
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Lightweight FRP Drill Tubes for Vibration Damping in BTA Deep Hole Drilling. Lecture Notes in Production Engineering, 221-229. Springer International Publishing.
Michel, S.; Kurkowski, M.; Fuß, M.; Biermann, D. & Stommel, M.
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Selbstdämpfendes Bohrwerkzeug - Prozessschwingungen durch Composite-Einsatz reduzieren und überwachen. CU reports 01/21, (2021), Composites United e.V. , S. 74-75
Kurkowski, M.; Michel, S. & Summa, J.
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Hybride FVK-Metall-Bohrrohre – Schwingungsdämpfung und strukturintegrierte Sensorik beim BTA-Bohren. Posterpräsentation VDI-Fachtagung - Präzisions- und Tiefbohren aktuell 2022, 11.-12.10.2022, Stuttgart
Michel, S.; Kurkowski, M.; Summa, J.; Biermann, D.; Stommel, M. & Herrmann, H.-G.
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Process Monitoring of a Vibration Dampening CFRP Drill Tube in BTA deep hole drilling using Fibre-Bragg-Grating Sensors. Procedia CIRP, 115, 119-124.
Summa, Jannik; Michel, Sebastian; Kurkowski, Moritz; Biermann, Dirk; Stommel, Markus & Herrmann, Hans-Georg
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Tiefgehende Untersuchungen und innovative Werkzeugsysteme für effiziente Bohrprozesse. Vortrag VDI-Fachtagung - Präzisions- und Tiefbohren aktuell 2022, 11.-12.10.2022, Stuttgart
Biermann, D.; Michel, S.; Gerken, J. F. & Wolf, T.
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Hybride FVK-Metall-Bohrrohre – Schwingungsdämpfung und strukturintegrierte Sensorik beim BTA-Bohren. Poster Fachtagung „Fachgespräch zwischen Industrie und Hochschule“ 12.- 13.09.2023, Dortmund
Michel, S.; Kurkowski, M.; Summa, J.; Biermann, D.; Stommel, M. & Herrmann, H.-G.
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Numerical investigation of the vibration behavior of a composite drill tube. Vortrag International Conference on Composite Materials, ICCM23, 30.07.- 04.08.2023 Belfast (2023)
Kurkowski, M.; Michel, S.; Summa, J.; Herrmann, H.-G.; Biermann, D.; Spickenheuer, A. & Stommel, M.
