Neue Hobelfräser in Extrem-Leichtbauweise

Virtuelle Produktentwicklung ermöglicht 50 % leichtere CFK-Fräsergeneration

Der Fräser stellt die wichtigste Komponente bei der Holzbearbeitung dar. Die Anforderungen der Kunden an die erzielbare Oberflächenqualität bei höherer Produktivität nehmen stetig zu. Die auf dem Markt verfügbaren Fräser sind aus Aluminium gefertigt und haben ihr Leichtbaupotenzial weitestgehend ausgeschöpft. Leichtere und steifere Werkzeuge könnten infolge höherer Drehzahlen und Optimierung des Schwingungsverhaltens zum einen höhere Oberflächenqualitäten und Produktionsgeschwindig- keiten ermöglichen und zum anderen Energie einsparen. Dies soll der deutschen Holzbearbeitungs- branche und Werkzeugherstellern einen Innovationsschub ermöglichen.

Dazu sollte im IGF-Vorhaben „Entwicklung hochdynamisch belastbarer, leichter Werkzeuggrundkörper für die Holz und Holzwerkstoffbearbeitung (20128N1+2)” das Know-how der DITF zu Fertigungs- technologien, fasergerechtem Einsatz von Hochleistungsfasern und virtueller Produktentwicklung mittels numerischer Simulation (FEM) in Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkzeugmaschinen (IfW) der Universität Stuttgart genutzt werden.

Ausgehend von den analysierten Belastungen eines 8 kg schweren Hobelwerkzeugs (Ø 125 mm, Länge 135 mm) und einer derzeitigen Maximaldrehzahl von 12.000 U/min zeigten die ersten Berechnungen die Möglichkeiten der Massereduzierung durch einen anteiligen Materialersatz mittels Kohlenstoff-Faserverbundmaterialien (CFK) auf. Hierbei wurde jedoch das Festigkeits- und Steifigkeitspotenzial der leistungsfähigen Kohlenstofffaser nicht ausgenützt. Losgelöst vom gängigen Werkzeugkonzept wurden zahlreiche, völlig unterschiedliche Gestaltungformen unter dem Aspekt der optimalen Ausnutzung der Fasereigenschaften simulativ bewertet. Das Ergebnis ist ein grundlegend neues modulares Konstruktionskonzept, das es ermöglicht, mit Kohlenstoff- Hochleistungsfasern über 50 % der Masse bei Planumfangsfräsern einzusparen und so in neue Betriebsdrehzahlregionen vorstoßen zu können. Dabei zeigen die numerischen Simulationen, dass mit dieser DITF Extrem-Leichtbauweise (Patent angemeldet) über 50 % höhere Betriebsdrehzahlen problemlos möglich sein sollten. Für die einzelnen CFK-Komponenten wurden Fertigungsmethoden ausgewählt, erste Prototypen hergestellt und deren Qualität mittels μCT analysiert. Die Bearbeitung der CFK-Komponenten, der Zusammenbau und die Ausrüstung mit Schneiden erfolgte bei der Fa. Leitz GmbH & Co. KG. Erste Fräsversuche der Fa. Leitz mit dem Demonstrator an MDF-Platten mit 12.000 U/min zeigten, dass die vom Demonstrator erreichte Holzoberflächenqualität der mittels konventioneller Hobelwerkzeugen erzeugten entspricht.

Das entwickelte Extrem-Leichtbaukonzept führt durch ein völlig neues modular aufgebautes Gestaltungsprinzip mit optimal fasergerechter Lastverteilung der Kohlestofffasern zu einer maximalen Gewichtseinsparung bei größtmöglicher Steifigkeit. Die wirtschaftliche und zuverlässige Fertigung der CFK-Einzelkomponenten mit der erforderlichen Genauigkeit und entsprechenden Toleranzen ist eine große Herausforderung und bedingt weitere Forschungsaktivität. Der Demonstrator ermöglicht erste Funktionstests und eine Bewertung des möglichen Leistungs- und Einsatzpotenzials. Darüber hinaus gilt es, das Konzeptionsprinzip weiter zu optimieren und auf max. Drehzahl, Schadenstoleranz, Langzeit- und Versagensverhalten sowie Funktionsintegration gezielt zu untersuchen. Die neue DITF Extrem-Leichtbauweise mit dem modularen Gestaltungskonzept ist auch auf anderer Werkzeuge und Anwendungen übertragbar, die in weiteren Forschungsvorhaben untersucht werden sollen.

IHR ANSPRECHPARTNER

    Dipl.-Ing. Hermann Finckh

    Deputy Head of Competence Center Staple Fibers, Weaving & Simulation
    Head of Numeric Simulation

    T +49 (0)711 93 40-401

Demonstrator: Hobelkopf zur Holzbearbeitung mit größtmöglichem Materialersatz durch Kohlenstoff-Hochleistungsfasern (CFK)
(© Bilder dieser Seite: Leitz GmbH & Co. KG)