Entwicklung und Validierung eines Simulationsansatzes zum Entgraten mikrostrukturierter Formgedächtnisbauteile durch Abrasivwasserstrahlen
Final Report Abstract
Am ISF und am IAM wurde im ersten Projektjahr erfolgreich ein neues Strahlspanverfahren entwickelt, das das Entgraten von schwer zerspanbaren, mikrostrukturierten Bauteilen ermöglicht: das Niederdruck-Abrasivwasserstrahlen (NDAWS). Da sich dieses Verfahren von den bisher üblichen Hochdruck-Abrasivwasserstrahl- und Abrasiv-Druckluftstrahl-Verfahren unterscheidet, waren für die Prozessrealisierung einige essenzielle Entwicklungsschritte erforderlich. Zur Klassifizierung eines geeigneten Abrasivmittels wurden am ISF unterschiedliche Korngrößen von Aluminiumoxid untersucht. Des Weiteren wurde vom ISF und vom IAM eine anwendungsspezifische Niederdruck-Düseneinheit entwickelt und eine Dosiereinheit für die kontinuierliche Förderung der Mikropartikel modifiziert. Für die Entwicklung eines Simulationsmodells zum Materialabtrag durch das IAM, das für die zweite Förderphase vorgesehen war, konnte der beim Fräsen entstandene Mikrograt vom ISF charakterisiert und eine 3D-FEM-Gratsimulation erstellt werden, die die entstehende Gratbildung abbildet. Weiterhin wurde vom ISF eine Abrasiv-Druckluftstrahlmessung durchgeführt und die Partikelgeschwindigkeit mit der numerischen CFD-Simulation am IAM berechnet. Durch den Vergleich der Simulation mit dem Experiment und der Modellgenerierung wurde ein gutes Simulationsergebnis erreicht. Die hier vom IAM durchgeführte CFD-Simulation im Abrasiv-Druckluftstrahl bildet für die erweiterten CFD-Berechnungen im Abrasiv-Wasserstrahl für die IAM einen wichtigen CFD-Ansatz. Basierend auf den simulativ erreichten Ergebnissen ist es nun möglich, auch den Abrasiv-Wasserstrahl zu modellieren und die Geschwindigkeit über die numerische Simulation annähernd berechnen zu lassen. Mit diesem innovativen Verfahren können Mikrograte an schwer zerspanbaren Bauteilen zukünftig prozesssicher und wirtschaftlich bearbeitet werden. Die aus dem Projekt gewonnenen Erkenntnisse unterstützen das Verfahren und bieten die Möglichkeit einer individuellen Auslegung für weitere Anwendungen. Ein wichtiger Hinweis auf die Arbeiten des Projekts ist die Tatsache, dass es sich bei dem benötigten Strahlspanverfahren zum Entgraten von schwer zerspanbaren Mikrobauteilen um einen bisher noch nicht existierenden Prozess handelte. Dies konnte bei der Verfassung des Neuantrags aufgrund der Komplexität nicht im vollen Umfang eingeschätzt werden. Da jedoch im ersten Projektjahr erfolgreich das geeignete NDAWS entwickelt wurde, sind die darauf folgenden Arbeiten ohne größere „Überraschungen“ verlaufen, was auch die erzielten Ergebnisse bestätigen.
Publications
- Gratcharakterisierung und -simulation - Experimentelle und numerische Untersuchung der Gratbildung beim Mikrofräsen, VDI-Z Integrierte Produktion, 154 (2012) 9, S. 70-73
Biermann, D.; Özkaya, E.
- A novel abrasive blasting process: Abrasive medium classification and flow simulations, Journal of Materials Science and Engineering Technology, (2013)
Özkaya, E.; Bayraktar, E.; Turek, S.; Biermann, D.
(See online at https://doi.org/10.1002/mawe.201300124) - Abrasive medium classification and CFD simulations for low-pressure abrasive water-jet blasting, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik und des Instituts für Spanende Fertigung Nummer 469, Fakultät für Mathematik, TU Dortmund, 469, (2013) 3
Özkaya, E.; Bayraktar, E.; Turek, S.; Biermann, D.
- Abrasivstrahlsystem für schwer zerspanbare Bauteile, Mikroproduktion, (2013) 1, S. 38-41
Biermann, D.; Özkaya, E.
- Nozzle design for low-pressure micro abrasive waterjet blasting via CFD-simulations, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik und des Instituts für Spanende Fertigung Nummer 465, Fakultät für Mathematik, TU Dortmund, 465, (2013) 1
Bayraktar, E.; Özkaya, E.; Münster, R.; Biermann, D.; Turek, S.
