Einzigartige Messtechnik für Werkzeugmaschinen gefördert
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Ob Bauteile für ein Flugzeugtriebwerk oder hochpräzise Komponenten für die Medizintechnik: Damit Metallstücke ihre endgültige Form bekommen, werden sie oftmals zerspant – also mit einem harten Werkzeug bearbeitet, das Späne abträgt, etwa beim Fräsen, Drehen oder Bohren. Dabei herrschen an der Kontaktstelle zwischen Werkzeug und Werkstück extreme Bedingungen: hohe Temperaturen, die bis an den Schmelzpunkt des Metalls heranreichen, ein starker Druck, wie ihn sonst nur tiefe Gesteinsschichten hervorrufen, und chemische Reaktionen, die in weniger als einer millionstel Sekunde ablaufen.
Das Zusammenspiel dieser Effekte beeinflusst, wie schnell ein Werkzeug verschleißt und welche Qualität die bearbeitete Oberfläche erreicht – und damit auch die Kosten und die Umweltbilanz zahlreicher technischer Produkte. Das Problem: ausgerechnet bei den hohen Geschwindigkeiten, mit denen die Industrie längst arbeitet, kann der Prozess bislang nicht genau analysiert werden. Die moderne Fertigung erreicht Schnittgeschwindigkeiten von bis zu 800 Metern pro Minute; am Werkzeug rast das Metall also mit fast 50 Kilometern pro Stunde vorbei. Wissenschaftliche Untersuchungen zu den Mechanismen beim Zerspanen enden jedoch bisher meist bei einem Viertel dieses Tempos, sodass die Optimierung bei höheren Geschwindigkeiten weitgehend durch Ausprobieren erfolgt ist.
Vier Blickwinkel in einer Maschine
Hier setzt das Vorhaben von Physiker Dr. Jörg Debus sowie Prof. Dirk Biermann und Dr.-Ing. Jannis Saelzer von der Fakultät Maschinenbau an. Gemeinsam entwickeln sie eine Spezialmaschine, die schnellen Durchsatz und multidimensionale Messtechnik kombiniert. Um möglichst hohe Geschwindigkeiten zu erzielen, sitzen Werkzeug und Werkstück hier auf zwei Schlitten, die sich gegeneinander bewegen und dadurch ihr Tempo addieren. So lassen sich zugleich auch Erschütterungen für die empfindliche Messtechnik reduzieren. Mithilfe von gleich vier spektroskopischen Verfahren werden mehrere Eigenschaften vermessen: chemische Beschaffenheit, 3D-Struktur, Tiefentemperatur und Oberflächenspannung. So lässt sich in Echtzeit erkennen, wie Reaktionen ablaufen und sich schützende Schichten bilden. Die Form von Werkzeug, Werkstück und Spänen kann nanometergenau bestimmt werden. Zudem lässt sich damit erstmals auch die Innentemperatur des Werkzeugs messen. Das Zusammenführen dieser optischen und spektroskopischen Messverfahren in einer einzigen Maschine, die bei Höchstgeschwindigkeit arbeitet, ist interdisziplinäre Pionierarbeit und verschafft dem Standort Dortmund national wie international ein Alleinstellungsmerkmal.
Der Nutzen dieses Unikats reicht über die Grundlagenforschung hinaus, denn die damit gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine nachhaltigere Produktion: Höhere Geschwindigkeiten bedeuten kürzere Bearbeitungszeiten und damit einen geringeren Energieaufwand und CO2-Ausstoß je Bauteil. Wenn die bisher verborgenen Vorgänge erstmals verstanden werden, lassen sich Werkzeuge dafür besser auslegen, Verschleiß früher erkennen und Prozesse zuverlässiger steuern.
Eingebettet in Dortmunder Stärken
Das Projekt knüpft an Schwerpunkte der TU Dortmund an: So bündelt das Forschungszentrum DAEDALUS unter der Geschäftsführung von Dr. Jörg Debus die optische Spektroskopie und verfeinert verschiedene Messtechniken, die mittels Licht Informationen über Materialien liefern. Damit ist DAEDALUS auch eine wichtige Säule für den materialwissenschaftlichen Forschungsschwerpunkt, den die TU Dortmund und die Ruhr-Universität Bochum in ihrem Verbund Ruhr Innovation Lab ausbauen. Hier soll vor allem das Potenzial von KI genutzt werden, um neuartige Materialien zu identifizieren, die in schneller Iteration hergestellt, charakterisiert und verbessert werden sollen. Die neue Maschine, die in den nächsten zwei Jahren gebaut und erprobt werden soll, zahlt auf diese Kompetenzen ein.
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