Die Produktivität bei der Zerspanung dünnwandiger Bauteile oder der endkonturnahen Bearbeitung additiv gefertigter Komponenten wird häufig durch das Auftreten dynamischer Effekte wie Werkzeug- und Werkstückschwingungen begrenzt. Um in diesem Zusammenhang neue Potentiale zu erschließen, wurde im Rahmen von Voruntersuchungen die prozessstabilisierende Wirkung kryogen erzeugter additiver Supportstrukturen sowie Dämpfungselemente untersucht.

Das Forschungsvorhaben umfasst dabei zum einen empirisch-technologische Untersuchungen sowie zum anderen die Entwicklung von Modellen und den Einsatz einer Prozesssimulation. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der grundlegenden Erforschung der strukturmechanischen Eigenschaften der Eisstrukturen (Glaziologie), die bei Parametervariation des kryogen generativen Prozesses erzeugt werden können, sowie der anschließenden Untersuchung ihrer prozessstabilisierenden Potentiale (Dynamik). Die in den Grund­lagen­unter­suchungen gewonnenen Erkenntnisse sollen genutzt werden, um den Einsatz als Stütz- und Dämpfungselemente zur Stabilisierung schwingungsanfälliger Werkstücke mittels einer geometrisch-physikalischen Prozesssimulation abzubilden. Basierend auf den Erkenntnissen und Modellen wird eine effiziente Methodik zur simulationsgestützten prozessspezifischen Auslegung entwickelt und experimentell validiert.

Die Minimierung dynamischer Effekte, welche unerwünschte periodische Relativbewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück, sogenannte Ratterschwingungen, bewirken, erfordert in den meisten Fällen präventive Maßnahmen. Langauskragende Werkzeuge und dünnwandige Bauteile führen jedoch zu fertigungstechnisch kritischen Nachgiebigkeiten und z.B. zum Auftreten dynamischer Effekte. Ratterschwingungen können zur Nichteinhaltung der geforderten Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität, einem erhöhten Werkzeugverschleiß oder zu Schäden an den Komponenten von Werkzeugmaschinen führen.

Die Aufbringung zusätzlicher kryogen erzeugter Stütz- und Dämpfungselemente zielt darauf ab, dünnwandige Bauteile derart zu dämpfen und zu versteifen, dass eine Erhöhung der Prozessstabilität ermöglicht wird. Die in den Vorversuchen erzielten Ergebnisse zeigen dabei ein weitreichendes Potential zur Prozessstabilisierung auf und ermöglichen so eine Steigerung der Prozesseffizienz, Produktivität und Bauteiloberflächenqualität. Dabei bietet das vorgestellte Vorgehen zur kryogenen Verdüsung von Kühlschmierstoffen im Vergleich zu anderen Ansätzen, bei denen u. a. zusätzliche Gewichte auf das Bauteil geklebt werden, den Vorteil, dass die Eisstrukturen im Anschluss an die Bearbeitung abschmelzen und so aufwendige Nachbearbeitungsprozesse entfallen. Durch die Nutzung der im Maschinensystem vorhandenen Kühlschmierstoffemulsion als Eismedium ist eine Rückführung in den KSS-Kreislauf unproblematisch. Somit stellt die Integration entsprechender Anlagentechnik sowohl einen ökologischen als auch einen ökonomisch sinnvollen Ansatz zur Prozessstabilisierung dar. Um die Wirkzusammenhänge zwischen Eismedien, Aufbringstrategien und Prozessverhalten zu bestimmen und Grundlagenwissen im Bereich der Prozessstabilisierung zu sammeln, bedarf es jedoch einer weiteren tiefgehenden Erforschung des Ansatzes. In diesem Projekt soll daher eine Untersuchung der grundsätzlichen Wirkmechanismen erfolgen und Einflussfaktoren experimentell sowie modellbasiert analysiert werden. Unter anderem soll dabei Grundlagenwissen über verschiedene Aufbringstrategien, die daraus resultierenden KSS-Schnee-Charakteristiken und deren Wirkung im Zerspanungsprozess gewonnen werden.