Eine Zusammenarbeit von Kennametal und Voith zeigt, dass die additive Fertigung einen Weg zu neuen, leichteren Werkzeugen für die Herstellung von Gehäusen aus Aluminium für Getriebe bietet.
Da Komponenten der Antriebstechnik immer ausgefeilter und die Anforderungen an sie immer strenger werden, benötigen deren Hersteller komplexe Werkzeuglösungen, um diese Komponenten zu bearbeiten. Das stellt jedoch eine Herausforderung dar, da das Gewicht solcher Werkzeuge für den effizienten Betrieb von Bearbeitungszentren, Werkzeugwechslern und Werkzeugmagazinen zu stark werden kann.
Mehrstufiges Werkzeug mit geringem Gewicht
Voith wollte eine neue Lösung, um seine Bearbeitungsprozesse für Getriebegehäuse weiter zu optimieren. Das Unternehmen benötigte ein mehrstufiges Werkzeug, das mehrere Bohrungen in einem Betrieb bearbeiten konnte, um die erforderlichen Toleranzen zu erreichen. Das Tool benötigte auch zwei effektive Schneidkanten auf den Hauptdurchmessern, um die angegebene Zykluszeit zu erreichen. Schließlich musste das Werkzeug weniger als 12 kg wiegen, um die Anforderungen für den Werkzeugwechsel und Kippmoment an der Werkzeugkette zu erfüllen.
„Die Bearbeitung eines großen Aluminiumgehäuses mit mehreren Bohrungen bis 350 mm und IT7-Toleranzqualität ist eine anspruchsvolle Anwendung“, sagt Werner Penkert, Leiter Produkttechnik, Kennametal Shared Services GmbH. „Um diese großen Bohrungen mit so engen Toleranzen zu bearbeiten, brauchen wir sehr starre Werkzeuge, was typischerweise schweres Gewicht bedeutet. Bei der Herstellung mit herkömmlichen Methoden könnte eine typische Werkzeuglösung für diese Art von Anwendung bis zu 25 kg wiegen – zu schwer für die bestehenden Maschinen oder für einen Bediener, der mit dem Werkzeug arbeitet.“
Das Voith-Team wurde auf die Anwendung von Kennametal aufmerksam, in der das Unternehmen den 3D-Druck nutzte, um ein leichteres Stator-Bodenwerkzeug für die Elektrofahrzeugbearbeitung herzustellen. „Kennametals innovativer Ansatz mit 3D-Druck hat uns angeregt und inspiriert, diesen Weg gemeinsam zu gehen“, sagt Friedrich Oberländer, Leiter Produktionstechnik bei Voith.
Generatives Design unterstützt Gewichtsreduktion
Bei der konventionellen subtraktiven Fertigung wird das Gewicht durch Entfernen überschüssiger Materialien reduziert. Aber mit dem 3D-Druck können die Hersteller mit nichts beginnen und Material nur dort auftragen, wo es benötigt wird, was zu leichteren, komplexeren Geometrien führt, die nicht über herkömmliche Herstellungsverfahren möglich sind.
Um die Designfreiheit der additiven Fertigung vollständig zu nutzen, verwendete Kennametal generatives Design: Das Design von 3D-gedruckten Teilen wird optimiert, um einem anwendungsspezifischen Rahmensatz gerecht zu werden. Der generative Designprozess führt oft zu komplexen, organischen Formen, die an Strukturen der Natur erinnern.
Im Fall des Voith-Werkzeugs adressierte das generative Design direkt die Bearbeitungskräfte des Tools, so dass Kennametal eine für Stabilität, Steifigkeit, Auswucht- und Kühlmittelversorgung optimierte Lösung entwerfen konnte – mit einem Gewicht von nur 11,5 kg.
„Die additive Fertigung ist nur ein Werkzeug in unserem Werkzeugkasten, aber wir haben auch unser umfassendes Know-how in der Präzisionsbearbeitung eingesetzt, um eine neuartige Lösung zu entwickeln, die die Herausforderungen beim Bohren tiefer Löcher in Verbindung mit mehreren großen Durchmessern effizient angeht“, so Penkert.
Bild: Kennametal
Die Werkzeugtaschen sind präzise nachbearbeitet und für den Einsatz in Kombination mit der bewährten RIQ-Wendeschneidplatten-Technologie von Kennametal konzipiert.
Bearbeitungszeit halbiert
Kennametal stellte in enger Zusammenarbeit mit Voith einen Werkzeug-Prototypen her, der im Demonstrationszentrum in Fürth auf die Probe gestellt wurde. Die Konstruktionssimulation, die additive Fertigung und die praktischen Tests im Demonstrationszentrum ermöglichten es dem Team, die Bearbeitungsergebnisse zu validieren. Voith führte dann erste Tests vor Ort durch, gefolgt von längerfristigen Tests in der Serienfertigung. Weitere Kundenwünsche wurden umgesetzt, das Tool wurde gemeinsam perfektioniert und finalisiert.
„Das Kennametal-Werkzeug lieferte von der ersten Nutzung an sehr gute Qualität und Leistung und erzielte eine 50-prozentige Reduzierung der Bearbeitungszeit, während dennoch die Genauigkeits- und Oberflächenanforderungen erfüllt wurden. Zudem schränkt das reduzierte Gewicht die Belastung des Magazins, des Werkzeugwechslers und der Spindel ein – was die Wartungskosten effektiv senkt“, so Oberländer abschließend. (eve)
