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

Eine zentrale Problemstellung in der spanenden Fertigung ist das Auftreten von Schwingungen des Systems Spindel-Werkzeugaufnahme-Werkzeug. Hier­durch wird die Qualität der gefertigten Werkstücke beeinträchtigt und die Werkzeugstandzeit sowie die Lebensdauer der Maschinenkomponenten deut­lich verkürzt. Für die Fertigung von Leichtbaukomponenten aus Titan oder Aluminium stellen diese Schwingungszustände eine besondere Herausfor­derung hinsichtlich einer effizienten aber auch sicheren Prozessauslegung dar.

Zur Reduzierung der Werkzeugschwingungen besteht die Möglichkeit der Ver­wendung von dämpfenden Werkzeugsystemen, wobei zwischen aktiven und passiven Methoden zur Schwingungsdämpfung unterschieden wird. Systeme zur aktiven Dämpfung auftretender Werkzeugschwingungen erfordern den Ein­satz dynamischer Zusatzsysteme wie Aktoren und Sensoren. Dahingegen ist für die passive Schwingungsdämpfung lediglich eine konstruktive Modifikation des Werkzeughalters notwendig. Dabei ist es das Ziel, die Schwingungsenergie in eine andere Energieform (z. B. Reibungsenergie) umzuwandeln. Beispiels­weise können applizierte Zusatzelemente am Werkzeughalter aufgrund der erhöhten Reibung das Schwingungs- und Dämpfungsverhalten des Halters ver­bessern. Darüber hinaus besteht eine weitere Möglichkeit der passiven Schwin­gungsdämpfung in der Applikation von Zusatzmassen am Werkzeughalter, dessen Eigenfrequenz sich durch das erhöhte Gewicht verschiebt.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens, das von der Deutschen Forschungs-gemeinschaft (DFG) gefördert wird, wird die passive Schwingungsdämpfung durch eine Modifizierung der konstruktiven Gestaltung der Werkzeugauf­nahmen für die Dreh- (TiAl6V4) und Fräsbearbeitung (Al7075) fokussiert. Die Herstellung der Werkzeugaufnahmen erfolgt dabei additiv durch das Verfahren des Selektiven Laserschmelzens (SLM), wodurch Hohlelemente oder auch fachwerkähnliche Strukturen im Inneren der Aufnahmen realisiert werden können. Eine derart modifizierte Strukturierung beeinträchtigt bereits ohne weitere konstruktive Maßnahmen das Schwingungs- und Dämpfungsverhalten der Werkzeugaufnahmen. Darüber hinaus ergibt sich die Möglichkeit, die Hohlräume mit schwingungsdämpfenden Materialien oder Pulvern zusätzlich aufzufüllen. Dabei haben neben den spezifischen Werkstoffeigenschaften der verwendeten Füllpartikel außerdem die Partikelgröße, die Fülldichte und das Füllvolumen einen Einfluss auf die Eigenfrequenzen der Werkzeugaufnahmen. Zusätzlich gilt es, bei der Konstruktion der Fräsaufnahmen sowie bei der Befüllung der Hohlelemente die Entstehung von Unwuchten zu vermeiden.

© ISF
Schwingungsdämpfung durch innenstrukturierten, partikelgefüllten WSPH

Die Abbildung zeigt eine Gegenüberstellung des dynamischen Einsatzverhaltens eines konventionellen Wendeschneidplattenhalters (WSPH) mit einem additiv hergestellten und durch eine Vielzahl verknüpfter Oktaederstumpfelemente innenstrukturierten WSPH bei der Drehbearbeitung von TiAl6V4. Während bei der Referenz ausgeprägte Werkzeugschwingungen erkennbar sind, wirkt das 50 % partikelgefüllte Hohlelement im Werkzeugschaft signifikant schwingungsdämpfend. Verglichen mit dem Referenzhalter weist der mit Wolframkarbid-Zirkondioxid(WC-ZrO2)-Partikeln teilgefüllte WSPH sowohl in Schnitt- als auch in Vorschubrichtung deutlich verringerte Beschleunigungsspitzen und gleichermaßen stark reduzierte Amplituden im Eigenfrequenzbereich auf.

Die aus den Drehversuchen erlangten Erkenntnisse wurden bereits erfolgreich auf die hybride Herstellung von HSK63-Aufnahmen für die Fräsbearbeitung von Al7075 übertragen. Während dabei zunächst eine vereinfachte, torusförmige Kavität betrachtet wurde, liegt der Fokus folgender Untersuchungen auf einer Anpassung der Hohlelementgeometrie sowie einer zusätzlichen Integration der entwickelten Oktaederstumpf-Innenstruktur.

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Anfahrt & Lageplan

Von der A1

Vom Autobahnkreuz Dortmund/Unna auf die A44 Richtung Dortmund, diese geht in die B1 über. Ausfahrt Dortmund-Dorstfeld, Richtung Universität (weiter siehe Karte).

Von der A 45

Ausfahrt Dortmund-Eichlinghofen, Richtung Universität (weiter siehe Karte).

Alternativ können Sie sich die Anfahrt auch berechnen lassen: Google Maps.

Anreise mit der Bundesbahn bis Dortmund oder Bochum Hbf.

Ab Dortmund Hbf mit der S1 Richtung Düsseldorf bis zur Haltestelle Dortmund Universität (7 Minuten Fahrzeit).

Ab Bochum Hbf mit der S1 Richtung Dortmund bis zur Haltestelle Dortmund Universität (14 Minuten Fahrzeit).

Die S-Bahn fährt in beide Richtungen regelmäßig alle 20 Minuten. Von der S-Bahn Haltestelle aus mit der H-Bahn (Haltestelle S-Universität) bis zur Haltestelle Campus Süd (1 Station, fährt im 10 Minuten-Takt).

Zu den Wahrzeichen der TU Dortmund gehört die H-Bahn. Linie 1 verkehrt im 10-Minuten-Takt zwischen Dortmund Eichlinghofen und dem Technologiezentrum über Campus Süd und Dortmund Universität S, Linie 2 pendelt im 5-Minuten-Takt zwischen Campus Nord und Campus Süd. Diese Strecke legt sie in zwei Minuten zurück.

Vom Flughafen Dortmund

Mit dem Taxi zur TU Dortmund, Campus Süd (min. 20 Min und 30,- EUR) (siehe Karte)

Vom Flughafen Düsseldorf

Mit der S-Bahn Linie S1 Richtung Dortmund bis Haltestelle Dortmund-Universität (ca. 90 Min). Von hier mit der H-Bahn Richtung Campus Süd oder Eichlinghofen (fährt alle 10 Min) bis Campus Süd (ca. 3 Min)

Die Einrichtungen der Technischen Universität Dortmund verteilen sich auf den größeren Campus Nord und den kleineren Campus Süd. Zudem befinden sich einige Bereiche der Hochschule im angrenzenden Technologiepark. Genauere Informationen können Sie den Lageplänen entnehmen.

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