Het frezen van grote volumes verlicht het potentieel van het samensmelten van metaal met lichtere, trillingsbestendige materialen.

Kwalitatief hoogwaardige snijgereedschappen kunnen kostbaar zijn, maar de gereedschapskosten worden minder relevant wanneer de bewerkingstijd per onderdeel met 78 procent daalt.

Dit is het cijfer dat afgelopen januari werd genoemd door een Europese kettingfabrikant die een standaard schijffreesgereedschap verruilde voor een hybride staal-composietmodel om de bewerking van gesmede stalen kettingschakels te versnellen. De integratie van lichtgewicht met koolstofvezel versterkt plastic (CFRP) maakt het in wezen mogelijk om meer gereedschap naar de snede te brengen zonder dat een grotere machine nodig is.

Door secties van staal te vervangen door licht maar inherent stijf materiaal, kon een frees met twee schijven worden vervangen door een model met vier schijven om de freestijden met bijna 80 procent te verminderen. Alle afbeeldingen met dank aan CompoTech en/of Hofmeister.

Aan deze triomf in het frezen ligt bijna een decennium van intensief onderzoek en ontwikkeling op het gebied van hybride metaal-composietconstructies ten grondslag. Dit onderzoek, uitgevoerd door CompoTech, een ingenieursbureau voor composieten, omvat niet alleen snijgereedschappen, maar ook andere schakels in de bewerkingsprocesketen: gereedschapshouders, spindels en structurele componenten van de werktuigmachine zelf. Humphrey Carter is business development manager bij CompoTech, dat dit onderzoek heeft uitgevoerd en de schijffrees heeft ontwikkeld samen met een partner voor de productie van snijgereedschap. Op basis van een recent videogesprek met Carter en verschillende onderzoeksrapporten van CompoTech, is een van de beste manieren om het volledige potentieel van hybride ontwerpen te ontsluiten, ook een van de meest uitdagende aspecten van de uitbreiding van de implementatie: een systeembrede benadering van engineering van nieuwe gereedschappen, machines en processen.

Zoals hieronder afgebeeld, moest de kettingschakel worden gefreesd aan de zijkanten en onderkanten van het gesmede, zeer sterke stalen werkstuk. Hoewel de fabrikant tevreden was met de essentie van het freesproces, bleek een tweeschijfsfrees niet voldoende om aan de gewenste outputniveaus te voldoen. Het toevoegen van nog twee schijven zou het werk doen, maar elke extra schijf zou 7,3 kg extra gewicht toevoegen. Samen zouden de vier schijven te zwaar zijn voor de gewichtslimiet van 25 kg van de BT50 L 150 mm hoofddoorn op de werktuigmachine (een Doosan Mecatec HM63H twin-pallet HMC). 

Het frezen van de zij- en onderkant van de gesmede kettingverbindingsschakel duurde 10 seconden met de nieuwe hybride frees met vier schijven, vergeleken met 45 seconden voor het metalen gereedschap met twee schijven.

Betreed Hofmeister, een bedrijf op het gebied van bewerkingsprocestechniek en specialist in snijgereedschappen. Hofmeister, gelegen in de buurt van CompoTech in het zuidwesten van Tsjechië, werkt al lange tijd samen aan experimentele gereedschapsconstructies die staal combineren met lichtgewicht, trillingsdempend CFRP. De nieuwe freesschijven bestaan ​​uit een binnenste stalen ring voor de doorn, een buitenste stalen ring bekleed met volhardmetalen inzetstukken en een centrale naaf van geharde epoxyhars geïmpregneerd met ultrahoge modulus koolstofvezels (“elasticiteitsmodulus” is een maatstaf of stijfheid).

Naast twee extra schijven biedt het hybride gereedschap meer snij-inzetstukken op elke schijf (16 elk, tegenover slechts 4 op het vorige gereedschap met twee schijven). Met een gewicht van 16,25 kg (ruim binnen de gewichtslimiet), maakte het gereedschap het mogelijk om de snelheden en voedingen met respectievelijk 50 procent en 54 procent te verhogen, zonder dat je je zorgen hoeft te maken over de machine of het onderdeel. De freestijd daalde van 45 naar 10 seconden per onderdeel (wat samen de totale reductie van bijna 80 procent opleverde). De standtijd verbeterde ook. De hybride composietfrees ging meer dan 1.200 onderdelen mee voordat een gereedschapswissel plaatsvond, vergeleken met 250 onderdelen voor het vorige model met twee schijven.

De toepassing van kettingschakels toont het potentieel aan om binnen drie maanden een rendement op de investering te behalen voor het frezen van hybride composietschijven.

De schijvenfrees onderscheidt zich door zijn commerciële succes, maar is niet het enige recente voorbeeld van het potentieel van hybride snijgereedschappen. De onderstaande afbeelding is van Makino's stand op EMO 2019, waar de bouwer van gereedschapsmachines demonstreerde hoe zijn a51nx HMC een veel groter gereedschap kon herbergen dan anders mogelijk zou zijn in een bewerkingstoepassing voor elektrische voertuigen.

Zoals Makino op EMO 2019 demonstreerde, is een belangrijk voordeel van hybride metaal-composietgereedschappen de mogelijkheid om grotere snijgereedschappen te gebruiken dan een machine anders zou kunnen bevatten.

Deze tool, evenals andere die CompoTech en Hofmeister hebben ontwikkeld, vertoont dezelfde algemene voordelen als de schijffrees. Het lichte gewicht vertaalt zich in een lage inertie, wat een gemakkelijkere, agressievere manipulatie van het snijgereedschap mogelijk maakt. Samen met de lage massa verhoogt de stijfheid van het materiaal de natuurlijke trillingsfrequentie van het materiaal, waardoor de demping wordt verbeterd. Ten slotte is de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) van CFRP van het materiaal bijna nul, waardoor de gereedschappen betere hitteweerstanden zijn die zonder koelmiddel kunnen werken. Volgens CompoTech zorgen deze eigenschappen voor een soepelere, snellere en nauwkeurigere bewerking - misschien zelfs in de mate dat afzonderlijke nabewerking overbodig wordt - evenals minder slijtage aan het snijgereedschap en de machine.

Het proces dat deze gereedschap- en spindelontwerpen mogelijk maakt, is de kerncompetentie van CompoTech: een methode voor het leggen van composietfilamenten waarbij een zesassige robot wordt gebruikt om strategisch en chirurgisch secties van inherent stijf, lichtgewicht en trillingsdempend materiaal op een anders stalen constructie te plaatsen. Hierdoor kunnen eigenschappen worden aangepast aan de toepassing. Voorbeelden zijn het versterken van een hoekgeometrie, het wijzigen van de trillingsfrequentie of het regelen van de richting van thermische uitzetting. Kottergereedschappen profiteren vooral van de stijfheid omdat ze lang en smal zijn en daardoor bijzonder gevoelig voor buigkrachten.

Deze illustratie van de Universiteit van Kyoto laat zien hoe drie verschillende lagen en oriëntaties van versterkend composietmateriaal (met koolstofvezel versterkt plastic) de prestaties van een spindel van een CNC-bewerkingsmachine kunnen beïnvloeden. Zo beïnvloedt de laag van nul graden de axiale thermische uitzetting, terwijl de laag van 90 graden de radiale thermische uitzetting beïnvloedt. De kruispatroonlaag in het derde voorbeeld zorgt voor torsiestijfheid.

Bijzondere voordelen voor langere, symmetrisch roterende constructies maken gereedschapshouders en spindels ook natuurlijke doelwitten voor onderzoek. Sommige experimentele spindelconstructies maken gebruik van composieten voor alle materialen behalve lageroppervlakken, schroefdraad en andere kritische contactpunten. Wat de voordelen van deze constructies betreft, wijst Carter op een recent onderzoek van professor Atsushi Matsubara van de afdeling Micro Engineering aan de Universiteit van Kyoto. Tijdens het testen vertoonde een hybride spindelas die 70 procent minder woog dan een vergelijkbare stalen spindel 75 procent minder verplaatsing bij verwarming tot 70˚C. Lagere traagheid maakte het mogelijk om tot het maximale toerental (18.000 tpm) 17 procent sneller te accelereren dan de stalen versie, en de spindel dempte trillingen 16 keer beter. Ook de zaagdiepte nam toe van 5,5 naar 10 mm.

De standaardproducten van CompoTech, ronde en vierkante composietbalken, zijn al verwerkt in industriële machines. Bijvoorbeeld, lasersnijders in portaalstijl met composietbalken met interne versterking bewegen naar verluidt sneller en dynamischer zonder de snijtolerantie te verminderen. Wat betreft snijgereedschappen, gereedschapshouders en spindels: "We kwamen tot dit vanuit een constructief oogpunt - gewicht verminderen, hogere natuurlijke frequenties hebben en de energie van de bewegende delen verminderen", legt Carter uit. 'Maar wat als het onderdeel dat je verplaatst zwaar is? Je betaalt voor deze dure composietstructuur om dit zware ding te verplaatsen. Je moet globaler denken.”

De lasersnijmachine Eagle Inspire is voorzien van inwendig versterkte composietbalken.

Sterker nog, zonder een systeembrede aanpak kunnen de voordelen van een hybride-composietconstructie volledig verloren gaan. Een CompoTech-experiment was bijvoorbeeld gericht op de spil van een groot CNC-bewerkingscentrum. Testen toonden aan dat het versterken van nodulair gietijzer met composietmateriaal de demping van de ram aanzienlijk verhoogde in vergelijking met de standaardconstructie. De winst werd bereikt zonder het ontwerp van de ram (zoals de buitenafmetingen en verbindingsinterfaces met de machine) significant te veranderen. Toen de ram echter eenmaal in de VMC was geïntegreerd, verdwenen de voordelen, in wezen tenietgedaan door andere aspecten van het ontwerp van de machine.

Een groot deel van de engineering voor de schijffrees omvatte naar verluidt het waarborgen dat de in elkaar grijpende geometrie en stalen bouten die de composietschijf tussen de stalen ringen plaatsen, voldoende stijfheid en overdracht van freeskrachten zouden bieden.  

Experimenten met gereedschapshouderassemblages onthullen een vergelijkbare dynamiek aan het werk aan het uiteinde van de spil. Trillingstests (met een hamer op het hangende samenstel tikken en de respons meten met een versnellingsmeter) werden uitgevoerd op vier verschillende combinaties van standaard- en hybride-composietstructuren: een hybride gereedschap met een hybride gereedschapshouder; een standaard gereedschap met een hybride gereedschapshouder; een hybride gereedschap met een standaard gereedschapshouder; en ter vergelijking een standaard gereedschap met een standaard gereedschapshouder. Hoewel de hybride houder-standaardtool het beste presteerde, is dit misschien niet het geval in een echte toepassing. Zoals uitgelegd in een rapport over de test: "De vraag blijft hoe de verhoogde demping van het gereedschap of de gereedschapshouder het dynamische gedrag van de hele machine beïnvloedt, aangezien de demping van de machine meestal plaatsvindt in de verbindingsinterfaces."

Voor nu: "De technologie is het meest efficiënt wanneer deze is ontworpen om één specifiek probleem aan te pakken, in plaats van te proberen een breed spectrum van de verbeteringen die met composieten kunnen worden bereikt, te verbeteren", zegt Carter. De schijffreestoepassing is een ideaal voorbeeld. Het toont aan dat wanneer de toepassing juist is, commercieel succes voor hybride ontwerpen geenszins buiten bereik is, en in feite waarschijnlijk meer haalbaar zal worden. De resultaten wijzen zelfs op een rendement op de investering van slechts drie maanden voor het frezen van grote volumes. Ondertussen blijft CompoTech zoeken naar andere toepassingen waarbij de terugverdientijd de kosten rechtvaardigt, zelfs terwijl onderzoek en ontwikkeling doorgaan met het uitbreiden van wat mogelijk is.

De meer gebruikelijke spiraalboorpuntgeometrieën zijn vaak niet de beste voor de uit te voeren klus. Door het beste punt voor het te boren materiaal te kiezen, is het mogelijk om een ​​betere standtijd, gatgeometrie, precisie en productiviteit te bereiken.

Het verminderen van het gebruik van snijvloeistof biedt de kans op aanzienlijke kostenbesparingen. De standtijd kan zelfs verbeteren.

Snelle CNC-verwerking en hogedrukkoelvloeistof dragen bij aan het verwijderen van metaal met dramatische snelheden. Maar wat moet een winkel weten over snijgereedschappen bij hogesnelheidsbewerkingen?