Effiziente Kühlschmierstoffversorgung in additiv gefertigten Fräswerkzeugen

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Im sich schnell entwickelnden Bereich der Fertigung hat das Streben nach Effizienz, Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz zu bahnbrechenden Forschungs- und Technologiefortschritten geführt. Ein solcher Innovationsbereich ist die Anwendung additiver Fertigungsverfahren bei der Konstruktion und Produktion von Schneidwerkzeugen.

Der Einsatz von Schneidflüssigkeit (Kühlmittel, MWF) ist beim Fräsen anspruchsvoller, schwer zerspanbarer Werkstoffe und Bauteile, wie beispielsweise Strukturbauteile aus Titanlegierungen für die Luft- und Raumfahrt, unverzichtbar. Das produktive Fräsen mit Kühlschmierstoffen bei hohen Versorgungsdrücken stellt die Fertigungsindustrie vor große Herausforderungen zur Reduzierung ökonomischer und ökologischer Kosten. Insbesondere die Erhöhung der Werkzeugstandzeiten und die Reduzierung des notwendigen Kühlschmierstoffeinsatzes können einen wesentlichen Beitrag zu einer nachhaltigen, ressourcenschonenden und wettbewerbsfähigen Fertigung in Deutschland leisten. Die Herstellung komplexer, prozessindividuell gestalteter innengekühlter Werkzeuge mit konventionellen Fertigungsverfahren ist sehr aufwändig, kostenintensiv und nur bedingt möglich.

Die geometrische Gestaltungsfreiheit additiver Fertigungsverfahren bietet enormes Potenzial hinsichtlich einer individualisierten, fokussierten und verlustarmen Kühlschmierstoffversorgung. Durch die Verarbeitung metallischer Pulvermaterialien kann das Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Verfahren zur Neugestaltung der Schneidflüssigkeitsversorgung von Wendeschneidwerkzeugen eingesetzt werden. Diese Möglichkeiten wurden im Tacoma-Projekt (AiF) am Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen erforscht. Ziel war es, das Potenzial additiv gefertigter Fräswerkzeuge im LPBF-Verfahren hinsichtlich einer angepassten Kühlschmierstoffversorgung zur Erhöhung der Standzeit und Prozesssicherheit auszuschöpfen. Am Beispiel von Wendeplattenfräswerkzeugen mit tangentialem Plattensitz wurden die Möglichkeiten und Grenzen optimierter Fluidversorgungskanäle und einer gezielten Düsengestaltung aufgezeigt. Das Projekt endete im März 2023 nach dreijähriger Laufzeit und Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT und einem breiten Konsortium beteiligter Unternehmen aus den Bereichen Werkzeugbau, Werkzeugmaschinenbau, Anwendungen und Kühlschmierstoffperipherie.

Im Forschungsprojekt Tacoma wurden ein- und mehrreihige Wendeschneidplatten-Fräswerkzeuge mit verlustarmer und fokussierter Kühlschmierstoffzufuhr entwickelt, im LPBF-Verfahren hergestellt und in Bearbeitungsexperimenten analysiert. Die Erkenntnisse wurden in Gestaltungsrichtlinien und -empfehlungen für KMU nutzbar gemacht. Nach Qualifizierung eines niedriglegierten Einsatzstahls 18MnCrMoV4-8-7 im LPBF-Verfahren wurden in strömungsmechanischen Untersuchungen geeignete Kanal- und Düsengeometrien identifiziert. Durch die Ausnutzung der geometrischen Gestaltungsfreiheit konnten Volumenstromverluste um bis zu 21 Prozent reduziert und der Kühlschmierstoff-Freistrahl durch angepasste Düsenformen gezielter geformt werden.

Die Ergebnisse flossen dann in die Gestaltung eines angepassten Flüssigkeitsversorgungssystems im Fräswerkzeug ein. Der Entwurf wurde durch numerische CFD-Simulationen unterstützt, um bereits vor der experimentellen Validierung Aussagen über die Leistungsfähigkeit treffen zu können. Durch die Erprobung unterschiedlichster Versorgungsvarianten mit hoher geometrischer Komplexität und Vielfalt an additiv gefertigten Fräswerkzeugen zum Schruppen des Vergütungsstahls 42CrMo4+QT und der Titanlegierung Ti-6Al-4V wurden geeignete Varianten extrahiert und Erkenntnisse für den optimalen Kühlschmierstoff gewonnen Versorgungskonzepte wurden eingeholt. Durch die gezielte und verlustarme Zuführung des Kühlschmierstoffes an die mechanisch und thermisch stark beanspruchte Schneidkante des Werkzeugs konnten Standzeitsteigerungen von bis zu 70 Prozent im Vergleich zum Referenzwerkzeug erzielt werden. Gleichzeitig wurde der Volumenstrom nahezu halbiert und so der elektrische Leistungsbedarf der Werkzeugmaschine deutlich reduziert.

Durch die enorme Effizienz- und Leistungssteigerung im Einsatz können die ökonomischen und ökologischen Mehrkosten im Herstellungsprozess additiv gefertigter Schneidwerkzeuge kompensiert werden. In einer beispielhaften Kostenrechnung wurde der Werkzeugpreis für das additiv gefertigte Werkzeug auf fast 50 Prozent höher geschätzt als für das konventionell gefertigte Referenzwerkzeug. Unter Berücksichtigung der gesamten Lebensdauer des Werkzeugs lagen die Betriebskosten für LPBF-hergestellte Werkzeuge um 39 Prozent niedriger als die für das Werkzeug nach dem Stand der Technik kalkulierten Kosten. Auch die Ergebnisse einer Ökobilanz nach DIN EN ISO 14040/44 zeigten das Potenzial für eine geringere Umweltbelastung beim Werkzeugeinsatz. Der berechnete CO2-Fußabdruck für die Werkzeugstandzeit konnte durch den effizienteren Kühlschmierstoffeinsatz und die verlängerte Standzeit der Schneideinsätze um 20 Prozent reduziert werden.

Die Anwendbarkeit der von LPBF hergestellten Wendeschneidwerkzeuge für die Schwerzerspanung im industriellen Umfeld wurde an einem mehrreihigen Demonstratorwerkzeug demonstriert. Der 16-schneidige Spiralfräser mit verlustarmer und fokussierter Kühlschmierstoffzufuhr wurde im Produktionsumfeld des Flugzeugherstellers Premium Aerotec zum Schruppen von Ti-6Al-4V getestet. Im Vergleich zum konventionell gefertigten Katalogwerkzeug konnte der Flüssigkeitsvolumenstrom um 25 Prozent reduziert, der Werkzeugverschleiß um 27 Prozent reduziert, das Spanvolumen um 25 Prozent reduziert und somit die Spanabfuhr verbessert werden. Aufgrund der verbesserten Funktionalität können additiv gefertigte Fräswerkzeuge mit angepasster Kühlschmierstoffversorgung eine sinnvolle Alternative zum Stand der Technik darstellen. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse können von Werkzeugherstellern, Endanwendern sowie Werkzeugmaschinen- und Peripherieherstellern genutzt werden.

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Stand vom 23.03.2021

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* Tobias Kelliger M.Sc.; Lehrstuhl für Fertigungstechnik am WZL der RWTH Aachen.

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