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Fakultät Maschinenbau

Abteilung Zerspanung

Die Abteilung Zerspanung beschäftigt sich mit der umfassenden Erforschung sämtlicher Fertigungsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide. Im Fokus der Arbeit stehen wissenschaftli­che Fragestellungen zur Entwicklung, Auslegung und Optimierung von Werkzeugen und Prozessen. Die Durchführung experimenteller Arbeiten mithilfe der umfangreichen maschinellen und messtechnischen Ausstattung des Institutes wird durch den Einsatz moderner Möglichkeiten der Modellierung und Simulation ergänzt. Das Leistungsspektrum umfasst neben dem Schwerpunkt der akademischen und industrienahen Grundlagenforschung auch Forschungs- und Entwicklungsdienstleistungen sowie die technologische Beratung. Zielsetzung ist die Erarbeitung von Lösungen für Herausforderungen aus der Produktionstechnik in Kooperation mit anderen Forschungseinrichtungen sowie Partnern aus der Industrie. Zur fokussierten Bearbeitung der vielfältigen Aufgabenstellungen gliedert sich die Abteilung in die zwei Arbeitsgruppen Prozesstechnologie sowie Grundlagen und Modellierung.

Prozesstechnologie

Die Arbeitsgruppe Prozesstechnologie orientiert sich inhaltlich an den Fertigungsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide, wie Bohren, Drehen oder Fräsen, gefolgt von den teilweise daraus abgeleiteten Sonderverfahren, wie z. B. Tief­bohren, Reiben und Gewinden. Die wesentlichen Arbeitsgebiete liegen in der Entwicklung, Einsatzqualifizierung und Effizienzsteigerung von Prozessen, Werkzeugen und Werkzeugsystemen. Bei der Entwicklung neuer Werkzeugkonzepte steht neben den innovativen Möglichkeiten der additiven Fertigung auch der Einsatz von Verbundwerkstoffen im Fokus. Schwerpunkte aktueller Analysen zur bauteil- und materialspezifischen Prozessauslegung bilden Sonderwerkstoffe wie Leichtbaumaterialien, Titan- und Nicke­lbasis­legierungen, metallische Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, gradierte Werkstoffe, faserverstärkte Kunststoffe, intermetallische Verbindungen sowie für die Zerspanung herausfordernde Stähle. Die Charak­teri­sierung prozessbedingter Bauteilveränderungen in der Oberflächenrandzone, der Einsatz konventioneller Messtechnik zur Erfassung mechanischer und thermischer Wechselwirkungen sowie die prozess- und werkzeugspezifische Sensorintegration helfen dabei, das Prozessverständnis zu vertiefen und Wirkzusammenhänge zwischen Werkzeug, Werkstück und Kühlschmierstoffversorgung abzuleiten. Neben detailliertem Prozessverständnis und der Steigerung der Produktivität liegt der Fokus auch auf einer umweltgerechten und ressourcen- sowie energieeffizienten Gestaltung der spanenden Bearbeitungsoperationen.

Grundlagen und Modellierung

Neben dem seit über 50 Jahren am ISF bestehenden technologischen Schwerpunkt haben sich in den letzten Jahren grundlegende Untersuchungen zur Charak­teri­sierung der Spanbildung sowie der Einsatz von Simulationen, insbesondere mit der Finite-Elemente-Methode, zu wichtigen Betätigungsfeldern der Abteilung Zerspanung entwickelt. Um dieser Entwicklung gerecht zu werden, wurde eine entsprechende Arbeitsgruppe ins Leben gerufen. Der Kern der Arbeit liegt dabei in der Analyse und Modellierung der Spanbildung. Im Rahmen dieses übergeordneten Themas bestehen verschiedene Forschungsschwerpunkte. Dazu zählen unter anderem die Tribologie der Spanbildungszone, also die Reibung in der sekundären Scherzone, die Schmierung mithilfe von Zwischenmedien sowie der Werkzeugverschleiß. Eng damit verknüpft entwickelt und untersucht die Arbeitsgruppe innovative Kühlschmierkonzepte, die ein grundlegendes Verständnis der Wirkmechanismen von Kühlschmierstoffen voraussetzen. Dabei wird auch hier basierend auf experimentellen Untersuchungen daran geforscht, wie die Wirkweise von Kühlschmierstoffen in Modellumgebungen abgebildet werden kann. Die Themen Sensorintegration und Oberflächenfunktionalisierung gewinnen insbesondere in Zusammenhang mit der Beeinflussung der Oberflächenrandzone und somit der Lebensdauer von hochbelasteten Komponenten zunehmend an Bedeutung innerhalb dieser Abteilung.

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Projekte

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Simulationsbasierte Entwicklung und experimentelle Validierung von werkzeugintegrierten Rotations-Partikeldämpfern

Simulationsbild der Eingriffssituation der Schneide im Werkstoff © ISF

Charak­teri­sierung und Modellierung des Verschleißverhaltens beschichteter Hartmetallwerkzeuge bei der Drehbearbeitung eines schwer zerspanbaren Stahlwerkstoffes

Logo des AkZis mit den beteiligten Instituten und Lehrstühlen © ISF

Arbeitskreis Zerspanung innovativer Stahlwerkstoffe

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Untersuchungen zum Einfluss der spanenden Bearbeitung und des Schwefelgehalts auf die Schwingfestigkeit des Vergütungsstahls 42CrMo4+QT

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Ganzheitliche Entwicklung und Charak­teri­sierung einer effizienten Herstellung lösbarer Fügestellen für Aluminium- und Magnesium-Leichtbauwerkstoffe

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Grund­lagen­unter­suchungen zum Mikro­einlippen­tief­bohren bei anspruchsvollen An­bohr­situationen

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Schwingungsreduzierung bei der Dreh- und Fräsbearbeitung von Leichtbaumaterialien durch den Einsatz strahl­ge­schmolz­ener Werkzeugaufnahmen

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Untersuchungen zur Optimierung der Schneidengestalt von VHM-Wendelbohrern für die Bearbeitung von warmfesten Nicke­lbasis­legierungen am Beispiel von Inconel 718

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Entwicklung eines simulativen Modells zur Einflussanalyse des Kühlschmierstoffes beim Wendeltiefbohren mit kleinen Durchmessern unter Berücksichtigung der Spanbildung zur Optimierung der Werkzeug- und Prozessgestaltung für die Bearbeitung von Ti-6Al-4V

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Geometrisch bestimmte Ober­flächen­strukturierung zur formschlüssigen Anbindung thermisch gespritzter Schichten

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Effiziente Modellierung der Spanbildung im orthogonalen Schnitt durch Verwendung isogeometrischer Analyse und moderner Methoden der Material­charakteri­sierung

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Prozessintegriertes Mess- und Regelungssystem zur Ermittlung und sicheren Generierung von funktionsrelevanten Eigenschaften in Oberflächenrandzonen beim BTA-Tief­bohren (im SPP 2086)

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Grundlegende Untersuchungen zum Reibungskontakt in der Wirkzone bei der spanenden Bearbeitung

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Modellierung der Kühlschmierstoff- verteilung beim Einlippentiefbohren unter Berücksichtigung des Spantransports mittels CFD- und SPH/DEM-Simulation zur Werkzeug- und Prozessoptimierung

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Entwicklung und Erforschung eines mechatronischen Werkzeugsystems zur Kompensation des Mittenverlaufs beim BTA-Tief­bohren

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Leichte und schwingungsdämpfende hybride FVK-Metall-Rohre mit strukturintegrierter Sensorik für BTA-Tiefbohrprozesse

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Gezielte Begrenzung der Spandickenschwankung zur Stabilisierung der Spanbildung bei höherfesten Metallen

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SPP 2231 FluSimPro - Gekoppelte mechanische und fluid-dynamische Simulationsmethoden zur Realisierung effizienter Produktionsprozesse

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Simulation und Optimierung der KSS-Strömung zur Reduzierung der thermischen Werk­zeug­be­lastung bei der diskontinuierlichen Bohrbearbeitung von Inconel 718

Abbildung eines BTA-Tiefbohrprozesses im Schnitt (Firma botek) © botek

Werkzeug- und Prozessentwicklung für effiziente Ejektor­tief­bohr­prozesse mittels Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)

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SPP 2231 FLUSIMPRO: Voll gekoppelte Fluid-Struktur-Kontakt-Simulationen zum Verständnis der Vorgänge in den Kontaktzonen beim Orthogonalschnitt unter KSS

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Grundlegende Untersuchungen zur Entwicklung einer einphasigen CO2-Schmierstofflösung für eine gezielte kryogene Minimal­mengen­schmierung beim Tief­bohren von schwer zerspanbaren Werkstoffen

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Entwicklung und Implementierung eines Konzepts zum Einsatz einer Tief­tem­peratur­emulsion (TTE) in der Bohrbearbeitung von Inconel 718

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Qualifizierung des Glattwalzens von additiv gefertigten Bauteilen zur Erzeugung von Funktionsflächen

Gewinfeformwerkzeug und Beispiel-Werkstück © ISF

Technologische Grundlagenuntersuchung eines neuen Hochleistungsprozesses zur Herstellung von Innengewinden und mikrostrukturbasierte Charak­teri­sierung von deren Leistungsfähigkeit

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FLIBB - Flexibles Innendrehen in beliebiger Bearbeitungstiefe

Darstellung des Tiefbohrprozesses mit expliziter Darstellung der Führungsleiste und Andeutung des Dünnschichtsystems. © botek

Dünnschicht-Sensorsysteme für Führungsleisten zur Erfassung von Kräften, Temperaturen und Verschleiß bei Zerspanprozessen

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Greybox-modellbasierte Prognose der Verschleißevolution von beschichteten Werkzeugen durch experimentelle und modellgetriebene Identifikation relevanter Lasthorizonte (SPP 2402 - Greybox-Modelle zur Qualifizierung beschichteter Werkzeuge für die Hochle

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Simulation, Fertigung und experimentelle Untersuchung von Oberflächenstrukturen zur Reduzierung von Spaltverlusten in verdünnten Gasströmungen

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