Entwicklung instrumentierter Probenkörper und thermische Analyse der kryogenen Minimal­mengen­schmierung beim Tief­bohren von Inconel 718

Beschreibung / Inhalt der anstehenden Arbeiten:

Die kryogene Minimal­mengen­schmierung (kMMS) nutzt die Verdampfungs- und Sublimationsenthalpie von CO₂, um Wärme direkt in der Wirkzone abzuführen. Beim Tief­bohren der Nickelbasislegierung Inconel 718 ist das besonders relevant, weil die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs zu hohen thermischen Werkzeugbelastungen führt.

Voruntersuchungen zeigen allerdings, dass hohe CO₂-Massenströme die Prozessperformance teilweise verschlechtern. Als Ursachen werden ein erhöhter Strömungswiderstand durch CO₂-Schnee in der Bohrung und eine Überkühlung diskutiert, bei der der Schmierstoff am Werkzeugaustritt erstarrt. Wie viel Kühlleistung der Prozess tatsächlich benötigt, ist bislang unbekannt.

Im Rahmen der Abschlussarbeit wird ein Probenkörper entwickelt, der die Temperaturverteilung im Werkstück während des Tiefbohrens räumlich aufgelöst erfasst. Dazu werden Thermoelemente in Kleinstbohrungen in definierten Abständen zum Bohrungsverlauf positioniert. Die Messwerte dienen als Stützstellen für eine Simulation des transienten Temperaturfelds. Daraus werden lokale Wärmestromdichten und der insgesamt abgeführte Wärmestrom berechnet.

Mögliche Aufgabenbereiche umfassen:

• Konstruktion und Fertigung thermoelementinstrumentierter Probenkörper aus Inconel 718
• Auslegung der Messstellenanordnung und Aufbau der Messdatenerfassung
• Tiefbohrversuche unter Variation von CO₂-Massenstrom, Schmierstoff und Fluidtemperatur
• Hochgeschwindigkeitsaufnahmen von Kühlschmierstoff- und Spanaustritt
• Aufbau eines Simulationsmodells des Temperaturfelds (z. B. COMSOL Multiphysics)
• Berechnung der Wärmestromdichten und Abgleich mit der eingesetzten Kühlleistung

Voraussetzungen:

Gesucht werden motivierte Studierende des Maschinenbaus mit Interesse an:

• Fertigungstechnik
• Wärmeübertragung und Thermodynamik
• Simulation / FEM
• Messtechnik und Sensorik

Kenntnisse in COMSOL, ANSYS oder Python sind von Vorteil, aber nicht zwingend erforderlich.