Knallhart simuliert

Hartmetallsorten haben hervorragende Eigenschaften – sie sind verschleißbeständig, hart oder auch zäh. Deshalb gibt es im Verschleißschutz und bei Zerspanungswerkzeugen immer mehr Anwendungsgebiete. 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. Ceratizit berechnet daher alle Variablen mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) im eigenen virtuellen Labor.

„Mit diesem mathematischen Verfahren können wir komplexe mechanische und thermische Belastungen berechnen“, erklärt Michael Magin, Entwicklungsleiter Verschleißschutz bei Ceratizit. „Unser virtuelles Labor verkürzt die Entwicklungszeit neuer Produkte enorm.“

Materialzusammensetzung
Bereits in der ersten Entwicklungsphase ist die Wichtigkeit der Simulation ersichtlich, erläutert der Spezialist. Sie lässt Rückschlüsse zu, wie die Hartmetallsorte chemisch und physikalisch reagiert. So wird ermittelt, wie der Werkstoff nach dem Sintern beansprucht wird. Während sich das Karbid spannt, dehnt sich der Binder plastisch. Dabei kristallisiert sich früh heraus, welche Materialzusammensetzung geeignet ist, damit keine Risse im Sinterbauteil entstehen können.

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

Da die Prozesse in der pulvermetallurgischen Fertigungskette vielfältig und komplex sind, bringt nach Herstellerangaben eine Reihe verschiedener Simulationsverfahren Klarheit beim Festlegen der Prozessparameter beim Pressen und Sintern.

Schrumpft oder verformt sich ein Bauteil nach dem Sintern ungleichmäßig, ist Magin zufolge meist eine inhomogene Pressdichte der Grund dafür. Daher muss das Presswerkzeug richtig ausgelegt sein, und die Presse muss mit der nötigen Presskraft agieren. Mittels Prozesssimulation prüft Ceratizit diese Parameter und legt sie dann fest. So garantiert der Hersteller eine gleichmäßigere Dichteverteilung und einen homogenen Sinterschwund.

Neben den Fertigungsprozessen können auch die Zerspanungsprozesse immer realistischer numerisch berechnet werden. Bevor ein Wendeschneidplatten-Prototyp gefertigt wird, simulieren Produktentwickler die komplette Zerspanungsanwendung. Die Überprüfung umfasst das Design hinsichtlich Stabilität sowie thermischer und mechanischer Schneidkantenbelastung und die Analyse der Spanbildung bei unterschiedlichen Werkstückmaterialien. Uwe Schleinkofer, Entwicklungsleiter Zerspanung bei Ceratizit, erläutert die Vorzüge: „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.“

„Wir überprüfen das Design unserer Werkzeuge hinsichtlich Stabilität sowie thermischer und mechanischer Schneidkanten- belastung.“ Uwe Schleinkofer, Entwicklungsleiter Zerspanung, Ceratizit

Die Entwickler von Ceratizit erkannten so beispielsweise bei einem Fräsprozess von Titan, wie es zu Mikroausbrüchen an der Schneidkante kommen kann. Schleinkofer sagt dazu: „Die erhaltenen Simulationsergebnisse wurden in die Konzeption des Werkzeugsystems der Spanleitstufe mit der Bezeichnung F40, der Schneidkantenausgestaltung sowie der neuen Zer­spa­nungs­sor­te CTC5240 eingearbeitet.“

Fügeprozess simulieren
Wird Hartmetall mit einem anderen Werkstoff wie etwa Stahl zusammengefügt, treten hohe Spannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung auf. Die so genannte Verbundspannung kann in der Praxis zu gravierenden Ausfällen führen.

Bei der Simulation des gesamten Fügeprozesses fanden die Produktentwickler 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 stellten die Zerspanungsspezialisten 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 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.