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Kennametal treibt Innovation im Metallzerspanungsbereich mit 3D-gedrucktem Werkzeug für Automobilzulieferer Voith voran

Aufbauend auf dem Erfolg ihres preisgekrönten, 3D-gedruckten Statorbohrungswerkzeugs für die Bearbeitung von Elektrofahrzeugen hat Kennametal für Voith ein innovatives 3D-gedrucktes Getriebegehäusewerkzeug entwickelt, das um ca. 45% leichter ist und die Bearbeitungszeit um ca. 50% reduziert.

Da Komponenten im Transportwesen immer anspruchsvoller und die Anforderungen immer strenger werden, benötigen Hersteller komplexe Werkzeuglösungen, um diese Komponenten zu bearbeiten. Das stellt jedoch eine Herausforderung dar, denn das Gewicht solcher Werkzeuge kann für einen effizienten Betrieb an Bearbeitungszentren, Werkzeugwechslern und Werkzeugmagazinen zu schwer werden. Hinzu kommt, dass Maschinenbediener Schwierigkeiten beim Handling dieser Werkzeuge haben können. 

Kennametal, ein führendes Unternehmen im Bereich Industrietechnologie, und Voith, ein führender Anbieter von Antriebstechnologien, haben eng zusammengearbeitet und mittels 3D-Druck beziehungsweise additiver Fertigung einen Weg zu neuartigen, leichteren Werkzeuglösungen gefunden, die derartige Herausforderungen meistern und gleichzeitig die Produktivität und Effizienz verbessern. 

Die Herausforderung: Bearbeitung von multiplen Bohrungen mit großen Durchmessern und engen Toleranzen auf vorhandenen Bearbeitungszentren

Voith suchte nach einer innovativen Lösung, um Bearbeitungsprozesse für Getriebegehäuse weiter zu optimieren. Das Unternehmen benötigte ein mehrstufiges Werkzeug, das mehrere Bohrungen in einem Arbeitsgang bearbeiten kann, um die erforderlichen Toleranzen zu erreichen. Das Werkzeug musste auch zwei effektive Schneidkanten an den Hauptdurchmessern haben, um die angegebene Zykluszeit zu erreichen. Schließlich musste das Werkzeug weniger als 12 kg wiegen, um  die Anforderungen an Werkzeugwechsel und Kippmoment an der Werkzeugkette zu erfüllen.

"Die Endbearbeitung eines großen Aluminiumgehäuses mit mehreren Bohrungen bis zu 350 mm und der Toleranzklasse IT7 ist eine anspruchsvolle Anwendung", sagt Werner Penkert, Manager Product Engineering. "Um diese großen Bohrungen mit so engen Toleranzen zu bearbeiten, benötigen wir sehr steife Werkzeuge, was typischerweise ein hohes Gewicht bedeutet. Bei der Herstellung mit herkömmlichen Methoden könnte eine typische Werkzeuglösung für diese Art von Anwendung bis zu 25 kg wiegen, zu schwer für die vorhandenen Maschinen oder für einen Bediener, der mit dem Werkzeug arbeitet."

Fasziniert davon, wie Kennametal den 3D-Druck nutzte, um ein leichteres Statorbohrungswerkzeug für die Bearbeitung von Statorgehäusen für Elektrofahrzeuge herzustellen, wandte sich das Voith-Team an Kennametal, um gemeinsam an einer Lösung zu arbeiten.

"Kennametals innovativer Ansatz beim 3D-Druck hat uns begeistert und inspiriert, diesen Weg gemeinsam zu gehen", sagt Friedrich Oberländer, Director Production Technology bei Voith.

Die Lösung: Kennametal-Expertise in generativem Design und 3D-Druck

Wie beim Statorbohrungswerkzeug nutzte Kennametal sein Know-how in der additiven Metallfertigung sowie das Konzept des generativen Designs, um die anspruchsvollen Anforderungen des Getriebewerkzeugs von Voith zu erfüllen.

Bei der konventionellen subtraktiven Fertigung wird das Gewicht reduziert, indem überschüssiges Material entfernt wird. Aber mit dem 3D-Druck können Hersteller mit nichts anfangen und Material nur dort platzieren, wo es benötigt wird, was zu leichteren, komplexeren Geometrien führt, die mit herkömmlichen Fertigungsprozessen nicht möglich sind.

Um die Designfreiheit im additiven Bereich voll auszuschöpfen, verwendete Kennametal generatives Design – einen iterativen Prozess, der das Design von 3D-gedruckten Teilen optimiert, um anwendungsspezifischen Einschränkungen Rechnung zu tragen. Der generative Designprozess führt oft zu komplexen, organischen Formen, die an Strukturen aus der Natur erinnern.

Im Falle des Voith-Werkzeugs ging die generative Konstruktion direkt auf die Bearbeitungskräfte auf das Werkzeug ein, so dass Kennametal eine Lösung entwickeln konnte, die für Stabilität, Steifigkeit, Auswuchtung/Ausbalanciertheit und Kühlmittelzufuhr optimiert war – mit einem Gewicht von nur 11,5 kg.

Kennametal setzte nicht nur sein Know-how in der additiven Fertigung ein, sondern auch seine Expertise im Fertigungsbereich, um das Werkzeug herzustellen. Die Werkzeugtaschen sind präzisionsgefertigt und für den Einsatz in Kombination mit der bewährten RIQ-Schneidkörpertechnologie von Kennametal konzipiert.

"Additiv ist ein Werkzeug in unserem Werkzeugkasten, aber wir haben auch unser tiefes Know-how in der Präzisionsbearbeitung eingesetzt, um eine neuartige Lösung zu entwickeln, die die Herausforderungen beim Bohren tiefer Löcher in Verbindung mit mehreren großen Durchmessern effizient angeht", Penkert. Das Design des 3D-gedruckten Getriebegehäuses von Kennametal ahmt die organischen Formen der Natur nach und bietet dem Kunden Voith ein geringeres Gewicht und eine Reduzierung der Bearbeitungszeit um 50%.  Bildnachweis: Kennametal

Das Ergebnis: 50% kürzere Bearbeitungszeit

In enger Zusammenarbeit mit Voith fertigte Kennametal ein Prototypwerkzeug und testete es in seinem Demonstrationszentrum in Fürth, Deutschland, welches Teil eines globalen Netzwerks von Test- und Demonstrationszentren ist, in denen das Unternehmen mit Kunden zusammenarbeitet, um Bearbeitungslösungen zu entwerfen, zu iterieren und zu validieren.

Diese spezifische Lösung war eine besondere Herausforderung, um sowohl die Anforderungen an die Fertigung als auch an die Teilequalität zu erfüllen. Konstruktionssimulation, additive Fertigung und praktische Tests im Demonstrationszentrum ermöglichten es dem Team, die Bearbeitungsergebnisse zu validieren. Voith führte dann erste Tests vor Ort durch, gefolgt von längerfristigen Tests in der Serienproduktion. Weitere Kundenwünsche wurden umgesetzt  und  das Werkzeug gemeinsam perfektioniert und finalisiert.

"Das Kennametal-Werkzeug lieferte vom ersten Einsatz an hervorragende Qualität und Leistung und erzielte eine Reduzierung der Bearbeitungszeit um 50 % bei gleichzeitiger Erfüllung der Anforderungen an Genauigkeit und Oberflächengüte. Darüber hinaus begrenzt das reduzierte Gewicht die Belastung von Magazin, Werkzeugwechsler und Spindel – was die Wartungskosten effektiv senkt", so Oberländer. "Unsere Zusammenarbeit mit Kennametal zeigt deutlich das enorme Innovationspotenzial der additiven Fertigung in einer solchen kooperativen Partnerschaft."

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