Additive manufacturing for intelligent lightweight tools

Abstract

Heavy duty machining is currently the area in which the lowest potential for lightweight engineering has been realized. Companies such as our project partner Avantec Zerspantechnik GmbH, are interested in tools with very high material removal rates. The higher the cutting volume per time unit (Q-factor), the tool life and its precision, the more efficient machining becomes with the associated advantages of saving time and costs. These advantages are currently achieved by heavy and massive tools, which require corresponding energetic performances of machinery and spindles. Further increases in efficiency are only possible by increasing the performance of the machine tools and optimizing the material of the tools. The Institute for Machine Tools (IfW) at the University of Stuttgart has developed a lightweight design concept, coupled with the possibiliAties of additive manufacturing and digitization, which aims to make tools 50% lighter. To achieve this goal, spatially reduced CAD models will be developed using complex transient topology optimization processes based on exact calculations of the time changes in the load collectives of the machining process with variable force vectors in each cutting edge. These models are optimized application- oriented via an explicit modeling CAD system. In this way, surface- and spatial -oriented changes of the models are created in order to create rotationdynamic- and force-path-oriented optima of the design. Ultimately, the lightweight design tool is manufactured from a combination of additive manufacturing and subtractive finishing.

Abstract

Die Schwerlastzerspanung ist aktuell das Gebiet, in dem bisher die geringsten Leichtbau Potentiale genutzt wurden. Unternehmen, wie das in diesem Forschungsprojekt beteiligte Unternehmen Avantec Zerspantechnik GmbH, sind an Werkzeugen/Prozessen mit sehr hohen Zeitzerspanungsvolumen interessiert. Je höher das Zerspanvolumen pro Zeiteinheit (Q-Faktor), der Standweg der Werkzeuge und deren Präzision, desto effizienter wird die Zerspanung mit den einhergehenden Vorteilen der Zeit- und Kosteneinsparung. Diese Vorteile werden aktuell durch schwere und massive Werkzeuge erkauft, welche entsprechende energetische Leistungen des Maschinenparks und der Spindeln erfordern. Weitere Effizienzsteigerungen sind jedoch nur durch Erhöhung der Leistung der Werkzeugmaschinen oder Materialoptimierung der Werkzeuge/Schneiden möglich. Das Institut für Werkzeugmaschinen der Universität Stuttgart (IfW) hat ein Leichtbaukonzept, gepaart mit den Möglichkeiten der additiven Fertigung und Digitalisierung, entwickelt, welches das Ziel hat, die Werkzeuge um 50% leichter zu gestalten. Zur Realisierung des Ziels werden ausgehend von exakten Berechnungen der zeitlichen Veränderungen der Belastunsgkollektive des Zerspanprozesses mit veränderlichen Kraftvektoren in jeder Scheide über aufwändige transiente Topologieoptimierungsprozesse räumlich reduzierte CAD-Modelle entwickelt.

Diese Modelle werden mit einem expizit modeling CAD-System anwendungsorientiert optimiert. So entstehen flächen- und raumorientierte Veränderungen der Werkzeuge, um rotationsdynamische und kraftpfadorientierte Optima der Entwürfe aufzubauen. Das Leichtbauwerkzeug wird letzten Endes aus seiner Kombination aus additiver Fertigung und substraktiver Nachbearbeitung hergestellt.