In unserer heutigen Gesellschaft ist Recycling ein gängiges Modell, um Rohstoffe aus unbrauchbaren Gegenständen oder Abfällen wieder nutzbar zu machen und zum einen Kosten zu reduzieren und zum anderen nachhaltig mit den vorhandenen Rohstoffen umzugehen. Aus diesem Denken haben sich bereits ganze Industriezweige herausgebildet, welche beispielsweise die in Deutschland eingeführten Einwegflaschen aufbereiten und das entstehende Granulat wieder in Flaschen umformen oder gar andere Güter, wie zum Beispiel Kleidung, daraus produzieren.
Metallspäne, welche in großen Mengen bei Fräs- und Drehprozessen anfallen, werden wieder versucht, in den Rohstoffkreislauf zurückzuführen. Dies geschieht aktuell meist durch Einschmelzen und einer anschließenden Weiterverarbeitung zu Halbzeugen. Da jedoch Metall eine deutlich höhere Schmelztemperatur besitzt als beispielsweise die angesprochenen Thermoplasten, geschieht dieser Prozess unter einem sehr hohen Energieverbrauch. Somit stellt sich die Frage, wie sich dieser Recyclingschritt umweltfreundlicher gestalten lässt.
Im Rahmen dieser Arbeit wird diese Problemstellung aufgegriffen und versucht, einen möglichen Lösungsansatz zu bieten. Hierfür werden exemplarisch Späne aus Aluminium und Kupfer hergestellt, welches beide gängige Materialien in Zerspannungsprozessen sind und somit auch in der Industrie in großen Mengen anfallen. Die Idee dahinter ist, dass die anfallenden Späne nicht mehr kostenintensiv aufgeschmolzen werden müssen, sondern direkt umgeformt und weiterverarbeitet werden. Dabei stellen verschiedene Spanneigenschaften, wie die Härteverteilung, das restliche Umformpotential oder die Form, die größten Herausforderungen dar. So gibt es beispielsweise keine standardisierte Form-Charakterisierung für die Späne und die spätere Umformung.
Die Arbeit legt also die Grundlage für eine direkte Umformung der durch Zerspannungsprozess anfallenden Späne und bietet somit eine Basis für ein breites Anwendungsfeld und hervorragende Möglichkeiten, um Kosten sparend Halbzeuge für die Fertigung von Mikrobauteilen durch Umformung zu bekommen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Grundlagen der Zerspanung
2.1.1 Schnittvorgang (Bewegungen, Winkel, Vorschub, Schnitttiefe/-breite)
2.1.2 Spanbildung und -arten
2.1.3 Mechanische und thermische Beanspruchung
2.1.4 Besonderheiten bei der Zerspanung von Aluminium und Kupfer
2.2 Zerspanung – Drehen
2.2.1 Drehwerkzeug
2.2.2 Toleranzen von Wendeschneidplatten
2.2.3 Drehprozesse
2.3 Recycling von Spänen
2.4 Vollvorwärtsfließpressen und Mikro- Vollvorwärtsfließpressen
2.4.1 Vollvorwärtsfließpressen
2.4.2 Mikrovollvorwärtsfließpressen
2.4.3 Besonderheiten von Aluminium und Kupfer im Fließpressprozess
2.5 Grundprozess der Gefügeumwandlung
3 Aufgabenstellung und Zielsetzung
4 Charakterisierung der hergestellten Späne
4.1 Werkstoffe und Versuchsplan
4.2 Eigenspannungsmessung
4.2.1 Grundlagen zur Röntgendiffraktometrie
4.2.2 Messungen der Eigenspannungen
4.3 Oberflächencharakterisierung
4.3.1 Messungen oder Oberflächenqualität
4.3.2 Zusammenfassung der Oberflächencharakterisierung
4.4 Kleinlasthärtemessung
4.4.1 Prinzip der Härteprüfung nach Vickers
4.4.2 Probenpräparation
4.4.3 Ergebnisse der Härtemessungen
4.5 Prognose über Umformeigenschaften
4.6 Auswahl einer Spanart
4.7 Möglichkeiten zur Verbesserung der Umformeigenschaften
5 Mikro-Vollvorwärtsfließpressprozess
5.1 Verschiedene Werkzeugkonzepte
5.2 Auswahl eines Konzepts und Dimensionierung
5.3 Neukonstruktion des Werkzeugs
6 Diskussion der Ergebnisse
7 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht die Eignung von Metallspänen, die bei Fräs- und Drehprozessen anfallen, als alternative Halbzeuge für einen Mikro-Vollvorwärtsfließpressprozess. Das primäre Ziel besteht darin, Grundlagenwissen für eine direkte Mikroumformung zu erarbeiten, um den energieintensiven Recycling-Prozess durch Einschmelzen zu vermeiden und Kosten zu senken.
- Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften (Härte, Eigenspannung) von Aluminium- und Kupferspänen
- Analyse der Oberflächengüte in Abhängigkeit von Schnittparametern
- Konstruktive Auslegung eines speziellen Mikro-Vollvorwärtsfließpresswerkzeugs
- Bewertung des Restformänderungsvermögens für die direkte Umformung
- Diskussion von Möglichkeiten zur Verbesserung der Materialeigenschaften durch Glühverfahren
Auszug aus dem Buch
2.1.4 Besonderheiten bei der Zerspanung von Aluminium und Kupfer
Bei der Zerspanung müssen Prozessgrößen, wie Drehzahl oder Vorschub auf das verwendete Material eingestellt werden. Bei Kupfer und Aluminium kommt es dabei speziell auf das Werkzeug und die Kennwerte des Schneidvorgangs an. Speziell sind hier Schnittgeschwindigkeit und Vorschub zu nennen.
a) Besonderheiten von Aluminium: Aluminium findet vielseitig Anwendung als Konstruktionswerkstoff in diversen Industriebranchen, wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie oder dem Anlagenbau. Auch ist es in der Lebensmittelindustrie nicht wegzudenken. Reinaluminium besitzt eine geringe Dichte von ρal = 2,7 kg/dm³ bei allerdings auch nur einer geringen Festigkeit (Zugfestigkeit ca. 95 MPa) und lässt sich durch diese Eigenschaften gut Umformen. Es bietet einen guten Kompromiss wenn man ein Bauteil mit geringem Gewicht benötigt, welches nicht hoch beansprucht ist. Somit findet Aluminium meistens in Form einer Legierung Anwendung. Vergleicht man nun die Zerspanung von Aluminium mit der von Stahl, ergeben sich hier wesentlich geringere Grenzflächentemperaturen (ca. 350°C). Allerdings darf hier nicht vernachlässigt werden, dass der Schmelzpunkt bei ca. 520–600°C liegt. Das hat zur Folge, dass beim Zerspanen von Reinaluminium die Prozessparameter sehr genau eingestellt werden müssen, da sonst die entstehenden Temperaturen das Material partiell aufschmelzen können und somit zu Gefügeumwandlungen (grobkörniges) führen können.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Vorstellung der Problemstellung und Motivation, Metallspäne direkt als Halbzeug für Umformprozesse statt durch energieintensives Einschmelzen zu recyceln.
2 Stand der Technik: Theoretische Grundlagen zu Zerspanungsprozessen, Drehverfahren, Spanbildung sowie den speziellen Anforderungen an das Vollvorwärtsfließpressen und Mikroumformen.
3 Aufgabenstellung und Zielsetzung: Festlegung des Forschungsziels, ein grundlegendes Verständnis für die direkte Mikroumformung von Spänen zu entwickeln.
4 Charakterisierung der hergestellten Späne: Detaillierte experimentelle Analyse der Späne hinsichtlich Eigenspannungen, Oberflächenrauheit und Härte unter Variation der Schnittparameter.
5 Mikro-Vollvorwärtsfließpressprozess: Erarbeitung und Auswahl eines Werkzeugkonzepts sowie die konstruktive Dimensionierung des Matrizenaufbaus für den Umformprozess.
6 Diskussion der Ergebnisse: Zusammenführende Auswertung der gemessenen Daten und Bewertung der Eignung der untersuchten Späne für nachfolgende Umformschritte.
7 Zusammenfassung und Ausblick: Resümee der gewonnenen Erkenntnisse und Identifikation potenzieller Ansätze für zukünftige Forschungsarbeiten.
Schlüsselwörter
Metallspäne, Zerspanung, Mikro-Vollvorwärtsfließpressen, Kaltmassivumformung, Eigenspannungsmessung, Röntgendiffraktometrie, Oberflächencharakterisierung, Kleinlasthärtemessung, Umformeigenschaften, Aluminium, Kupfer, Rekristallisationsglühen, Spanbildung, Drehprozess, Mikrobauteile.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der direkten stofflichen Verwertung von Metallspänen, die bei Zerspanungsprozessen als Abfallprodukt anfallen, als Halbzeug für die Herstellung von Mikrobauteilen mittels Vollvorwärtsfließpressen.
Welches sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Die zentralen Felder sind die Materialcharakterisierung der Späne, die Prozessanalyse der Zerspanung, die Untersuchung von Materialveränderungen während der Spanbildung sowie die werkzeugtechnische Auslegung für den Mikroumformprozess.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist es, Grundlagenwissen zu generieren, ob eine bei der Zerspanung anfallende Spanart direkt umgeformt werden kann, um somit das energieintensive Einschmelzen beim Recycling zu umgehen.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewendet?
Es kommen metallographische Untersuchungen, Röntgendiffraktometrie zur Eigenspannungsmessung, Laserscanning-Mikroskopie zur Oberflächenanalyse sowie Vickers-Kleinlasthärtemessungen zur Anwendung.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die detaillierte Versuchsplanung und -durchführung, die Auswertung der physikalischen Eigenschaften (Härte, Eigenspannung, Rauheit) der erzeugten Späne sowie die Entwicklung und Dimensionierung eines zweiteiligen Matrizenwerkzeugs.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit am besten?
Die wichtigsten Begriffe sind Metallspäne, Mikroumformung, Fließpressen, Eigenspannungsanalyse, Zerspanung und Werkstoffcharakterisierung.
Warum ist die Wahl des 300 m/min Aluminiumspans für die Umformung besonders?
Dieser Span zeichnet sich durch einen nahezu eigenspannungsfreien Zustand sowie die beste Oberflächengüte aus, was ihn laut den Messdaten als bestgeeignetes Halbzeug für den untersuchten Umformprozess auszeichnet.
Wie gehen die Autoren mit dem Problem der Spanverhärtung um?
Die Arbeit diskutiert als Lösungsansatz verschiedene Glühverfahren, insbesondere das Rekristallisationsglühen, um die durch die Zerspanung induzierte Kaltverfestigung rückgängig zu machen und das Formänderungsvermögen wiederherzustellen.
Welche Rolle spielt die Konstruktion des Werkzeugs bei diesem Prozess?
Das Werkzeugdesign ist entscheidend, da es den direkten Einfluss auf das Auswerfverhalten und die Vermeidung von Stempelkippern hat; hier wurde ein zweiteiliger Matrizenaufbau gewählt, um den prozesstechnischen Anforderungen gerecht zu werden.
- Arbeit zitieren
- Florian Tost (Autor:in), 2015, Eignung von Spänen als Halbzeuge für einen Mikro-Vollvorwärtsfließpressprozess, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/541385
