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Virtuelles Labor für passgenaue Entwicklung von Hartmetallprodukten

: CERATIZIT


Bevor CERATIZIT seine Hartmetallprototypen für den Verschleißschutz und die Zerspanung fertigt steht eine detaillierte Analyse an. Fertigungsprozesse und die spätere Belastung werden simuliert. Anschließend zeigen Vergleiche mit realen Experimenten, ob die dabei beobachteten mit den vorher berechneten Effekten übereinstimmen. Ihr virtuelles Labor verhilft den Hartmetallexperten zu noch passgenaueren und vor allem schnellen Entwicklungen von Hartmetalllösungen.

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Wie wird Hartmetall nach dem Sintern beansprucht? Links: Hauptspannung im Karbid, rechts: plastische Dehnung im Binder.

Wie wird Hartmetall nach dem Sintern beansprucht? Links: Hauptspannung im Karbid,...

Hartmetallsorten haben hervorragende Eigenschaften – sie sind verschleißbeständig, hart oder auch zäh. Deshalb erweitern sich ihre Anwendungsgebiete im Verschleißschutz und bei Zerspanungswerkzeugen ständig. Hartmetall kann jedoch wegen seiner Materialeigenschaften auch sensibel reagieren, etwa auf Zugbeanspruchungen.

Speziell beim Konzipieren eines neuen Produkts muss daher einkalkuliert werden, wie es während der Fertigung und im Einsatz mechanisch, thermisch und chemisch belastet wird. Nur so können das optimale Hartmetall und die passenden Fertigungsverfahren gewählt werden. Um die komplexen Einzelfaktoren und deren Wirkung besser verstehen zu können, berechnet CERATIZIT alle Variablen mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM). „Mit diesem mathematischen Verfahren können wir komplexe mechanische und thermische Belastungen lösen“, erklärt Dr. Michael Magin, Entwicklungsleiter Verschleißschutz bei CERATIZIT. „Unser virtuelles Labor verkürzt die Entwicklungszeit neuer Produkte enorm.“

Optimal zusammengestelltes Werkstoffgefüge


Wie wichtig die Simulation ist, erkennt man bereits in der ersten Entwicklungsphase. Sie lässt Rückschlüsse zu, wie die
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Wie sich im Fräsprozess der Span bildet, zeigt ob das Werkzeug in der Praxis leistungsfähig ist.

Wie sich im Fräsprozess der Span bildet, zeigt ob das Werkzeug in der Praxis...

Hartmetallsorte chemisch und physikalisch reagiert. „Wir ermitteln, wie der Werkstoff nach dem Sintern beansprucht wird“, so Magin. Während sich das Karbid spannt, dehnt sich der Binder plastisch. Dabei kristallisiert sich bereits heraus, welche Materialzusammensetzung geeignet ist, damit keine Risse im Sinterbauteil entstehen können.


Homogene Pressdichte nach Prozesssimulation


Die Prozesse in der pulvermetallurgischen Fertigungskette sind vielfältig und komplex. Eine Reihe verschiedener Simulationsverfahren bringt Klarheit beim Festlegen der Prozessparameter beim Pressen und Sintern.

Schrumpft oder verformt sich ein Bauteil nach dem Sintern ungleichmäßig, ist eine inhomogene Pressdichte der Grund dafür. Um dies zu vermeiden, müssen alle Abläufe im Pressvorgang optimal ablaufen: das Presswerkzeug muss richtig ausgelegt sein und die Presse muss mit der nötigen Presskraft agieren. Mittels Prozesssimulation prüft CERATIZIT diese Parameter und legt diese dann fest. So sind eine gleichmäßigere Dichteverteilung und ein homogener Sinterschwund garantiert.

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Einlagiges Lot führt zu Verbundspannung im Sägezahn (rechts). Dreilagiges Kupferlot hält Biegebelastungen stand (links).

Einlagiges Lot führt zu Verbundspannung im Sägezahn (rechts). Dreilagiges...

Stabile Schneidkante und kontrollierte Spanbildung beim Zerspanen


Neben den Fertigungsprozessen, können auch die Zerspanungsprozesse immer realistischer numerisch berechnet werden. Bevor CERATIZIT den Prototypen seiner Wendeschneidplatten fertigt, simulieren Produktentwickler die komplette Zerspanungsanwendung.

„Wir überprüfen das Design hinsichtlich Stabilität sowie thermischer und mechanischer Schneidkantenbelastung. Zudem analysieren wir, wie sich ein Span bei unterschiedlichen Werkstückmaterialien bildet“, erklärt Dr. Uwe Schleinkofer, Entwicklungsleiter Zerspanung bei CERATIZIT. „Dies ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit des Werkzeugs in der Praxis. Speziell der Temperatur- und Spannungszustand an der Schneidkante geben Aufschluss über den entstehenden Verschleiß und damit über die zu erwartende Standzeit.“

Die Entwickler von CERATIZIT erkannten bei einem Fräsprozess von Titan, wie es zu Mikroausbrüchen an der Schneidkante kommen kann. Schleinkofer weiter: „Die erhaltenen Simulationsergebnisse wurden in die Konzeption des Werkzeugsystems der Spanleitstufe mit der Bezeichnung F40, der Schneidkantenausgestaltung sowie der innovativen Zerspanungssorte CTC5240, die eine Weltneuheit darstellt, eingearbeitet. So konnten wir unseren Kunden eines der leistungsfähigsten Titanfräskonzepte am Markt zur Verfügung stellen.“

Dreilagiges Kupferlot reduziert Biegebelastung an Sägezähnen


Wird Hartmetall mit einem anderen Werkstoff wie beispielsweise Stahl zusammengefügt, treten hohe Spannungen auf. Grund dafür sind unterschiedliche mechanische Eigenschaften der Materialien, etwa die Wärmeausdehnung. Die sogenannte Verbundspannung kann in der Praxis zu gravierenden Ausfällen führen.

Als die Produktentwickler den gesamten Fügeprozess simulierten, gewannen sie neue Einblicke. Sie fanden heraus, dass die Form der Lötnaht das Lötverhalten stark beeinflusst. Eine zu große Lötnaht behindert das gleichförmige Fließen des Lots, eine zu kleine Lötnaht schädigt das Hartmetall. Beim Löten von Sägezähnen stellte CERATIZIT fest, dass einlagige Lötfolien das Hartmetall stark belasten und es bei zu starker Biegebelastung reißt. „Die Simulationen zeigen, dass die Verwendung dreilagiger Lote zu deutlich geringeren Belastungen führt und die Einsatzgrenzen der Bauteile erweitert“, erklärt Entwicklungsleiter Verschleißschutz, Dr. Magin.

Neben der Simulation führt CERATIZIT auch reale, praxisnahe Experimente durch. Dabei stellte sich heraus, dass beispielsweise bei Sägezähnen die beobachteten Rissmuster und die berechneten Effekte sehr genau übereinstimmen. Die F&E-Leiter Magin und Schleinkofer sind sich einig: „Mit den derzeitigen Systemen ist eine Simulation aller Prozesse zuverlässig und aussagekräftig möglich. Sie trägt entscheidend zu einer schnellen und passgenauen Entwicklung von Hartmetalllösungen bei.“

Hartmetallexperte CERATIZIT steht für „hard material matters“


CERATIZIT ist Pionier und Global Player für anspruchsvolle Hartstofflösungen. Das Unternehmen operiert von Mamer in Luxemburg aus. In ausgewählten Industriebereichen ist die in mehr als 50 Ländern international aufgestellte Gruppe Weltmarktführer für einzigartige, konsequent innovative Hartstoffprodukte für Verschleißschutz und Zerspanung. Davon profitieren Kunden u.a. aus der Automobilindustrie, dem Maschinenbau, der Petroindustrie, der Medizintechnik, der Elektronik und dem Werkzeug- und Formenbau. Mit mehr als 600 Patenten und mehr als 5900 Mitarbeitern ist die CERATIZIT-Gruppe Ihr starker Partner überall auf der Welt.

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