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Leichtbauwerkstoffe mit Ultraschall bearbeiten

Produktivität, Flexibilität und EffizienzLeichtbauwerkstoffe mit Ultraschall bearbeiten

Spröde Leichtbauwerkstoffe stellen besondere Anforderungen an das Zerspanen und Trennen. Dank optimierter Ultraschallbearbeitung sollen signifikant reduzierte Prozesskräfte kürzere Bearbeitungs- und längere Werkzeugstandzeiten ergeben und geringere Bearbeitungstoleranzen. Dies ermögliche beim Zerspanen mit Industrierobotern ähnliche Toleranzbereiche zu realisieren wie mit Werkzeugmaschinen.

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Prepreg CfK / vorimprägnierte Carbonfasern – Schnittergebnis mit Ultraschallunterstützung.

Leichtbautechnologien sind für zahlreiche Branchen wie die Fahrzeugindustrie, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik sowie den Maschinen- und Anlagenbau ein Innovationstreiber. Der Einsatz alternativer Werkstoffe wie faserverstärkte Kunststoffe, Verbundmaterialien und Stacks mit Kernen aus Schaum- oder Wabenstrukturen erfordert dabei häufig veränderte Bearbeitungslösungen. Das ultraschallunterstützte Zerspanen, Schneiden und Sägen soll angepasste, effizientere Prozesse ermöglichen.

Dank Ultraschallunterstützung wird die Werkzeugkinematik des herkömmlichen Bearbeitungsprozesses mit einer zusätzlichen, hochfrequenten Schwingung überlagert. Diese Oszillation erzeugt an der Werkzeugschneide Bewegungsamplituden im Bereich weniger Mikrometer, aus denen eine Verringerung der Prozesskräfte resultiert. Dieser Effekt ist laut Weber Ultrasonics bei den heute üblicherweise eingesetzten, nicht-resonanten Systemen jedoch gering: Es werde nur rund fünf Prozent der eingesetzten Energie in Schwingung umgesetzt, der Rest in Wärme. Grund dafür sei, dass die Resonanzfrequenz des Werkzeugs je nach Einspannlänge und Dimension willkürlich gesucht und betrieben wird.

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Mehr Leistung durch resonante Systeme
Um den Wirkungsgrad deutlich zu verbessern, haben die Hufschmied Zerspanungssysteme und Weber, Entwickler und Hersteller von Ultraschallkomponenten unter anderem für das Ultraschallschweißen, -schneiden und -reinigen, gemeinsam resonante Ultraschallsysteme und Zerspanwerkzeuge entwickelt. Dabei werden die Ultraschallfrequenz und der Schwingungsmodus auf Basis der Werkzeugeigenschaften ermittelt und das System mit dieser Resonanzfrequenz betrieben. Mit dieser Abstimmung steige der Wirkungsgrad der Ultraschallunterstützung auf 90 bis 95 Prozent und die Prozesskräfte werden signifikant reduziert.

Der hybride Prozess ermögliche dadurch auch bei der Bearbeitung schwer zerspanbarer Leichtbauwerkstoffe höhere Zeitspanvolumen, was den Materialdurchsatz erhöhe und Maschinenbelegzeiten verringert. Gleichzeitig werden die Werkzeuge weniger belastet beziehungsweise deformiert, so dass eine längere Standzeit erreicht werde. Beides senke die Bearbeitungskosten und steigere die Wirtschaftlichkeit der Prozesse.

Höhere Genauigkeit im Robotereinsatz
Als weiteres Plus der neuen resonanten Systeme für die Ultraschallzerspanung wird die höhere Genauigkeit bei der Bearbeitung genannt. Sie ermögliche nicht nur die Herstellung filigranerer Werkstücke mit Portalsystemen, sondern auch den Einsatz von Industrierobotern als kostengünstige und flexible Alternative für die Umsetzung eines automatisierten Fertigungsprozesses. Die dabei realisierbaren Fertigungstoleranzen liegen demnach im relativen Genauigkeitsbereich klassischer Werkzeugmaschinen. Dadurch lassen sich die Vorteile der Roboterbearbeitung wie Flexibilität und Verfahrensintegration, beispielsweise Handling und Bearbeitung, bei der Fertigung komplexer Werkstückgeometrien oder großer Werkstücke etwa für die Fahrzeugindustrie, Luft- und Raumfahrt sowie Energietechnik nutzen. Auch dies trägt dazu bei, die Kosten in der spanenden Bearbeitung zu senken.

Ein weiterer Bereich mit dem sich Weber Ultrasonics derzeit beschäftigt, ist die Optimierung von ultraschallunterstützten Sägeprozessen. Das Unternehmen ist hier auch Partner eines Forschungsprojekts.

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