Bionisches Werkzeug-Design

Für eine neue Werkzeuggeneration beschreitet die INGERSOLL WERKZEUGE GMBH völlig andere Wege. Die Fräser werden generativ konstruiert und per 3D-Druck hergestellt. Dabei entstehen bionische Formen, die bis zu zwei Dritteln des Gewichts einsparen, ohne dass dadurch die Stabilität der Werkzeuge beeinträchtigt wird.

Bereits bekannt ist die Finite-Elemente-Methode (FEM), die als etabliertes numerisches Simulationsverfahren in zahlreichen technischen Bereichen zu Festigkeits- und Verformungsuntersuchungen eingesetzt wird. Sie zeigt Spannungsverläufe in Bauteilen auf und lässt damit erkennen, wo mögliche Schwachstellen und damit Bruchgefährdungen vorhanden sind.

Das generative Design von Werkzeugen geht noch einen Schritt weiter. INGERSOLL geht hier von den zu erwartenden Drehmomenten und Schnittkräften aus und berechnet damit eine Leichtbaugeometrie, die sich rein an den auftretenden Lasten und dem daraus resultierenden Bedarf an Stabilität orientiert. Alles Unnötige wird weggelassen, was zu beträchtlichen Material- und damit Gewichtseinsparungen führt.

Was dabei herauskommt, zeigt ein erstes Demonstrationsobjekt. INGERSOLL hat dafür ein mit 30 mm Durchmesser eher kleines Faswerkzeug für 75-Grad-Schrägen gewählt. Da hierfür bereits eine konventionell konstruierte Referenz existiert, ist ein direkter Vergleich möglich. Die entstandenen fließenden Geometrien des neuen Werkzeugs erinnern an biologische Strukturen wie etwa Bäume oder Knochen. Am Plattensitz ist deutlich zu sehen, wo axiale Kräfte abgestützt und wo die Schnittkräfte abgefangen werden. Die anderen Bereiche kommen mit weniger Material aus. Von oben betrachtet sieht das Werkzeug asymmetrisch aus. Diese Formgebung ergibt sich, um die Belastungen durch die ungleiche Zahnteilung optimal zu verteilen. Die Analogie zu Knochen setzt sich im Inneren des Werkzeugs fort, wo ebenfalls Material eingespart wurde, was ohne 3D-Druck nicht möglich wäre.

Bereits bei diesem kleinen Werkzeug konnte das Gewicht fast halbiert werden. Weitere Einsatzbereiche für INGERSOLL Bionic dürften allerdings größere Sonderwerkzeuge sein, bei denen der Werkzeughersteller je nach Auslegung erheblich größere Einsparungen an Gewicht erwartet, was dem Anwender das Handling dieser Werkzeuge leichter macht. Der geringere Energieaufwand um ein leichteres Werkzeug in der Maschine zu beschleunigen und der verringerte Materialbedarf leisten zudem einen Beitrag zur Nachhaltigkeit.