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Geschwindigkeitsprofil bei der Strömungssimulation der Bearbeitung der Schaufeln (l.) und optimierte Vorrichtungsgeometrie (r.) Neben dem konventionellen Koordinatenschleifen mit Schleifstiften wurde das Potential zur Nachbearbeitung der Schaufeln mittels Strömungsschleifen untersucht. Im Allgemeinen müssen beim Strömungsschleifen individuelle Vorrichtungen zum Einspannen hinsichtlich ihres Einflusses auf die Strömung ausgelegt werden. Der aus Werkstück und Vorrichtung gebildete Strömungskanal beeinflusst das Strömungsbild des abrasiven Mediums und somit maßgeblich das Arbeitsergebnis des Prozesses. Zur Bearbeitung der Keramikschaufeln wurde exemplarisch eine Vorrichtung ausgelegt, die drei Schaufeln gleichzeitig bearbeiten kann. Dabei sind nachfolgende Anforderungen an die Spannvorrichtung maßgeblich: – sichere und feste Fixierung der Schaufelfüße; – die Strömung sollte so geführt werden, dass alle Schaufeln möglichst gleichmäßig jeweils auf Druck- und Saugseite bearbeitet werden; – Vorder- und Hinterkante sollen abgedeckt werden, um Auswaschungseffekte zu vermeiden. Der Werkstoff muss den starken Belastungen während der Bearbeitung standhalten (Pressdrücke bis zu 200 bar) und darüber hinaus eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweisen, um auch nach längerer Bearbeitung noch seine Aufnahmefunktion zu erfüllen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wird eine Spannvorrichtung mithilfe des additiven Verfahrens Selektives Laserstrahlschmelzen (Selective Laser Melting, SLM) hergestellt. Auf diese Weise lassen sich sowohl eine optimale Strömungsgeometrie als auch der Schutz der Kanten durch integrierte Stege realisieren. Die additiv gefertigte Vorrichtung zur Aufspannung wird in zwei äußeren Ringen aus Polyamid fixiert, um die Anströmung der Bauteile sowie die Dichtheit des fließfähigen Abrasivmediums nach außen zu gewährleisten. Eine taktile Erfassung der arithmetischen Mittenrauheit zeigt, dass im unbearbeiteten Zustand durchschnittliche Werte von Ra = 1,6 μm auf der Druckseite und Ra = 2,1 μm auf der Saugseite vorliegen. Diese lassen sich nach einer Bearbeitungsdauer von 30 Minuten um etwa 30 Prozent reduzieren – anschließend verschlechtert sich die Oberflächengüte wieder. Die genaue Auswertung der Ergebnisse zeigt, dass nicht alle Schaufeloberflächen gleichmäßig bearbeitet werden, was auf abweichende Strömungsbedingungen zwischen den einzelnen Bauteilen zurückzuführen ist. Durch diesen Validierungsversuch kann die Prozessauslegung nun jedoch mithilfe einer neuartigen Simulationsmethode korrigiert werden. 50 Prozent schneller dank Simulation Die Prozesssimulation des Strömungsschleifens ist sehr anspruchsvoll und wird daher seit etwa 15 Jahren wissenschaftlich untersucht. Als Special Schleifen  23 Schwierigkeiten gelten insbesondere die viskoelastischen Eigenschaften in Verbindung mit extrem hohen Viskositäten sowie der hohe Schleifkornanteil von bis zu 70 Massenprozent. Am Fraunhofer IPK wurde daher eine Methode entwickelt, die komplexen Eigenschaften des abrasiven Arbeitsmediums mithilfe von Feder- und Dämpferelementen (Maxwell-Modell) mathematisch zu beschreiben. Mithilfe dieser Prozesssimulation sind Zusammenhänge zwischen charakteristischen Strömungsgrößen und den Zerspanungsvorgängen auf der Werkstückoberfläche identifizierbar. Auf diese Weise lassen sich beliebige Anwendungsszenarien des Strömungsschleifens auslegen und optimieren. Durch Simulation der Bearbeitung der Turbinenschaufeln kann somit eine optimierte Vorrichtungsgeometrie ermittelt werden, die anschließend mit dem SLM-Verfahren gefertigt wird. Durch Einsatz der optimierten Spannvorrichtung kann einerseits eine gleichmäßige Bearbeitung aller Strömungsflächen in einer Aufspannung und andererseits eine Erhöhung der Bearbeitungsintensität um 50 Prozent realisiert werden. Infolgedessen verkürzt sich die Bearbeitungsdauer ebenfalls um 50 Prozent auf 15 Minuten. Die Anzahl der Schaufeln, die gleichzeitig bearbeitet werden können, ist nicht auf drei beschränkt und lässt sich je nach Größe der Strömungsschleifanlage erhöhen.  www.ipk.fraunhofer.de www.dima-magazin.com


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