Bohrstange mit integrierter Partikeldämpfung

Beschreibung des Bauteils: Im Rahmen einer Machbarkeitsanalyse entwickelten Wissenschaftler*innen des Lehrstuhls Umweltgerechte Produktionstechnik der Universität Bayreuth eine additiv gefertigte Bohrstange. Hierfür kamen verschiedene Simulationsmethoden wie die Diskrete- und Finite-Elemente-Methode zum Einsatz. Gefertigt wurde die innovative Bohrstange mittels Laser-Strahlschmelzen (engl. Laser Beam Melting, LBM) aus dem Werkzeugstahl 1.2709.

Herausforderungen: Für die Innenbearbeitung von Werkstücken mit geringem Platzangebot mittels Drehen werden Werkzeuge, unter anderem Bohrstangen, mit einem möglichst hohen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis benötigt. Nur so können lange Innengeometrien mit einem kleinen Durchmesser bearbeitet werden. Ein zunehmendes Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis führt jedoch bei konstantem Zeitspanvolumen zur Entstehung von hohen Schwingungsamplituden des Werkzeugs (sogenannten Ratterschwingungen) und somit zu einer Verkürzung der Standzeit sowie einer Verringerung der Oberflächengüte der gefertigten Bauteile. Ziel der Entwicklung ist es, die Schwingungsamplitude der Bohrstange zu reduzieren und somit die Standzeit zu verlängern und die Oberflächengüte der gefertigten Bauteile zu erhöhen.

Lösung: Die Schwingungsamplitude eines Bauteils wird von den drei Faktoren Masse, Steifigkeit und Dämpfung beeinflusst. Für eine möglichst geringe Schwingungsamplitude muss die Masse minimiert und die Steifigkeit sowie die Dämpfung müssen maximiert werden. Eine Reduzierung der Masse bei vergleichbarer Steifigkeit wurde durch ein strukturoptimiertes Design im Inneren der Bohrstange erreicht. Durch die Integration eines Partikeldämpfers wurde zudem die Dämpfung erhöht. Zusätzlich zur Optimierung des Schwingungsverhaltens wurden zwei Kühlschmierstoffzuführungen integriert. Das strukturoptimierte Design im Inneren der Bohrstange in Verbindung mit einem Partikeldämpfer und den integrierten Kühlschmierstoffzuführungen ist aufgrund der Fertigungsrestriktionen subtraktiver und formativer Fertigungsverfahren ausschließlich mittels Additiver Fertigung herstellbar.