Oberflächenbearbeitung mit abrasiven Suspensionen

Partikelbasierte Simulationen für Ihre Anwendungen

Einleitung

Das Erreichen hoher Präzision und Abtragsleistung bei der Nachbearbeitung schwer zugänglicher Oberflächen und dem Trennen von Hochleistungsbauteilen stellt eine große Herausforderung für die Bearbeitungstechnologie dar. Dies gilt insbesondere bei gleichzeitiger Berücksichtigung einer energieeffizienten Prozessführung zur Erreichung einer funktionalen Oberflächenqualität.

Häufig angewandte Fertigungsverfahren sind hierbei das Druckfließläppen sowie das Wasserstrahlabrasivstrahlen. Das Druckfließläppen erlaubt die Bearbeitung innenliegender Flächen, während das Wasserabrasivstrahlen zum Trennen unterschiedlichster Werkstoffklassen genutzt werden kann. Beide Verfahren nutzen feine Körner als abrasives Medium und beide Anwendungstechniken zeigen ein hohes Maß an Komplexität, welche auf der hochdynamischen Wechselwirkung des Trägerfluids und der Abrasivkörner mit dem Werkstück beruht.

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Problemstellung

Die fertigungstechnische Bearbeitung wie das Entgraten, Trennen und Abtragen von Bauteilen mit komplexen Geometrien (z.B. sich kreuzende Bohrungen) oder komplexer Materialkombinationen (z.B. Faserverbundwerkstoffen) erfolgt zunehmend mit abrasiven Suspensionen in Form des Druckfließläppens und des Wasserabrasivstrahlens. Für beide Prozesse gibt es nur wenige numerische Modellansätze. Die entwickelten physikalischen Prozessmodelle basieren auf starken Vereinfachungen, z.B. werden Abrasivpartikel nur als homogenisierte Phase betrachtet. Realitätsnähere Modellierungen, welche die dynamische Einwirkung beliebig geformter Abrasivpartikel auf die Werkstoffoberfläche abbilden, existieren bislang nicht. Nur mit einem derart expliziten Ansatz lässt sich aber die Wirkung abrasiver Suspensionen gezielt voraussagen und numerisch optimieren.

Durch die Kombination verschiedenster numerischer Modelle in SimPARTIX® soll die Vorhersagbarkeit von Abtrags- bzw. Trennprozessen und Arbeitsergebnissen abrasiver Suspensionen bei industriellen Fertigungsverfahren gewährleistet werden. Für den Anwender sollen applikationsabhängig Designregeln und Handlungsempfehlungen für die Prozesskinematik sowie für die Auswahl von Fluid und Abrasivstoff abgeleitet werden.

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Ergebnisse

Im Rahmen des Fraunhofer-internen Projektes AbraSus wurden Simulationswerkzeuge zur expliziten Beschreibung des Verhaltens abrasiver Suspensionen und deren Wechselwirkung mit dem zu bearbeitenden Werkstoff entwickelt. Es werden sowohl die Rheologie von Suspensionen mit größen- und formverteilten Abrasivkörnern als auch die Schädigung und der Abtrag am Werkstück mit einer umfassenden, partikelbasierten Simulationsmethodik abgebildet. Dies ermöglicht es, Materialabtrag am Werkstück durch die Einwirkung abrasiver Körner dynamisch zu simulieren. Hierfür werden die Schädigungsmodelle werkstoffspezifisch kalibriert, so dass im Bearbeitungsergebnis zwischen verschiedenen Materialien differenziert werden kann.

Am Beispiel des Druckfließläppens ist in der untenstehenden Abbildung eine REM-Aufnahme einer bearbeitenden Oberfläche dem Ergebnis einer Simulation gegenübergestellt. In der REM-Aufnahme sind die bei der Bearbeitung entstehenden Furchen in größenteils horizontaler Richtung gut zu erkennen. Ein vergleichbares Bild liefert die Simulation. Hier ist das Resultat der abrasiven Wirkung eines einzelnen Korns dargestellt, welches in eine zuvor glatte Oberfläche eingedrungen ist. Das Verhältnis von Länge, Breite und Tiefe der entstehenden Furchen sind sehr ähnlich in Simulation und Experiment.

Fraunhofer IWM: REM-Aufnahme und Simulation einer Werkstückoberfläche nach der Bearbeitung mit abrasivem Korn
REM-Aufnahme (links) und Simulation (rechts) einer Werkstückoberfläche nach der Bearbeitung mit abrasivem Korn.

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