Strukturoptimierung eines Wendeplattenbohrer - Grundkörpers unter Anwendung des additiven selektiven Laserschmelz -Verfahrens

Abstract

Zusammenfassung Aufbauend auf Untersuchungen des Institutes für Fertigungstechnik und photonische Technologien der TU Wien zum dynamischen Verhalten von konventionellen Wendeplattenbohrern widmet sich diese Arbeit der Aufgabenstellung, Potentiale für die Verbesserung des Prozessverhaltens aufzuzeigen. Das grundsätzliche Hauptaugenmerk wird hierbei auf die Verbesserung des Dämpfungsverhaltens der Werkzeuge gelegt. Dank generativer Fertigungsverfahren, welche hinreichend geometrische Gestaltungsfreiheiten bieten, können technische Leistungsmerkmale in Bauteile eingebracht werden, die beispielsweise schwingungsminderndes Verhalten unterstützen. Durch empirische Untersuchung der zugrundeliegenden theoretischen Zusammenhänge wird mithilfe gezielter innerer Strukturoptimierung das Modell eines Wendeplattenbohrer - Grundkörpers erzeugt. Numerische Berechnungsverfahren werden angewendet, um die getätigten Ansätze und Überlegungen zu untersuchen und zu verifizieren. Weiters werden praktische Grundlagenuntersuchungen zum Dämpfungsverhalten von additiv hergestellten Hohlzylindern, welche eine dreidimensionale Innenstruktur aufweisen und mit verschiedenen Materialien ausgefüllt sind, durchgeführt. Die gewonnenen Erkenntnisse werden auf den betrachteten Wendeplattenbohrer - Grundkörper übertragen, diese mit den spezifischen Materialien gefüllt, um ein gesteigertes Dämpfungsverhalten herbeiführen. Praktische Bohrversuche mit rotierenden und stehenden Werkzeug belegen durch geringere Beschleunigungswerte sowie reduzierte harmonische Schwingungen in den Schnittkräften das verbesserte Verhalten des Bohrers im Bearbeitungsprozess. Diese Arbeit zeigt eine industriell verwendbare Möglichkeit der Anwendung des additiven selektiven Laserschmelz -Verfahrens auf, welche nach aktuellem Stand der Technik in dieser Form noch nicht eingesetzt wird.

Abstract Based on investigations of the Institute of Production Engineering and Photonic Technologies of the TUWien on the dynamic behavior of conventional indexable insert drills, this work is dedicated identifying potentials for the improvement of the process behavior. The main focus is on improving the damping behavior of the tools. Due to generative manufacturing processes, which provide sufficient geometric design freedom, technical performance features can be incorporated into components that support, for example, vibration-reducing behavior. By empirical investigation of the underlying theoretical relationships, the model of an indexable insert drill body is generated by means of targeted internal structure optimization. Numerical calculation methods are used to investigate and verify the approaches and considerations that have been made. In addition, practical investigations on the damping behavior of additively manufactured hollow cylinders, which have a three-dimensional internal structure and are filled with various materials, are performed. The knowledge gained is transferred to the considered indexable insert drill body, filled with the specific materials to bring about an increased damping behavior. Practical drilling tests with rotating and stationary tool prove the enhanced behavior of the drill during the machining process due to lower acceleration values and reduced harmonic vibrations in the cutting forces. This work shows an industrially usable possibility of using the additive selective laser melting, which is not yet used in this form according to the current state of the art.