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Laser assisted micro-milling of titanium alloy
Full text linkThe interest in applying Additive Manufacturing (AM) technology has grown due to its ability to produce complex parts with high flexibility, serving as an alternative to conventional manufacturing processes. However, the poor surface quality and limited dimensional accuracy of AM parts often necessitate post-processing such as machining, grinding, and polishing. Titanium, specifically Ti6Al4V alloy, is frequently used in AM technology. This study compares the machinability of AM Ti6Al4V parts produced by Electron Beam Melting (EBM) with extruded Ti6Al4V parts, focusing on cutting forces, specific cutting energy, burr formation, and surface quality in the micro-milling process. Despite the higher hardness of EBM Ti6Al4V, no significant difference in cutting forces was observed at chip thicknesses between 7.4 μm and 37.3 μm. However, at chip thicknesses below 7.4 μm, EBM parts exhibited lower cutting forces and specific cutting energies, and finer surface roughness. Both materials formed continuous wavy-type burrs of comparable size during micro-milling. The study also underscores the significance of Laser-Assisted Machining (LAM) in reducing machining forces and increasing Material Removal Rate (MRR). Instead of the traditional LAM method, a pico-second laser (USPL) was used to pre-structure the Ti6Al4V parts, impacting uncut chip thicknesses during micro-milling. A kinematic model was developed to understand the influence of workpiece structuring on uncut chip thicknesses, identifying structure density and depth as critical parameters. Experimental tests showed a significant reduction in cutting forces with pre-structured workpieces, without notable changes in surface roughness. The orientation of structure lines relative to the helix angle affected the surface roughness. Pre-structuring led to controlled subsurface damage and less material removal during milling, resulting in better machinability
Precision grinding of Si3N4 via micro-grinding pencil tools, considering touch-dressing, micro-structuring, and bonding technology
No full textDie überragenden Eigenschaften von Siliziumnitrid (Si3N4), darunter hohe Härte, Verschleißfestigkeit, chemische Stabilität, Biokompatibilität, geringe Dichte und hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen (bis zu 1300˚C), machen diesen keramischen Werkstoff zu einem hervorragenden Kandidaten für Mikrokomponenten wie biomedizinische Implantate, Uhrenteile, Komponenten für Analysegeräte, Mikroformwerkzeuge etc. Im Vergleich zu anderen metallischen Werkstoffen und Hochleistungskeramiken ist Siliziumnitrid das Material der Wahl, wenn Mikrobauteile einer intensiven mechanischen Beanspruchung ausgesetzt sind und in aggressiven chemischen Umgebungen oder bei hohen Temperaturen eingesetzt werden müssen. Da die Anwendung der Fertigungstechnologien für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) für das nichtleitende Si3N4 stark begrenzt ist, ist das Mikroschleifen mit Schleifstiften eine rationelle Alternative für die Mikrobearbeitung der 2D-Konturen oder Erzeugung der komplexen 3D-Formen auf der Werkstückoberfläche. Die fortgeschrittenen Materialeigenschaften sind gleichzeitig der Grund für die erschwerte Schleifbarkeit von Siliziumnitrid, die die Anwendung der Hochleistungskeramik für miniaturisierte Bauteile und Komponenten stark behindern.Ziel dieser Arbeit ist es, das Wissen über die mechanische Mikrobearbeitung von Si3N4 zu erweitern und eine Strategie für das Mikroschleifen mit Diamant-Schleifstiften zu entwickeln. Die Bearbeitungsstrategie berücksichtigt die Materialeigenschaften, die duktilen und spröden Abtragsmechanismen sowie die Mikrotopographie und die Bindungstechnologie der Schleifstiftwerkzeuge. Zu diesem Zweck wurde ein Einzelkornritzversuch durchgeführt, um die theoretisch berechnete kritische Spandicke hcu-cr zu validieren und den Materialabtragsmechanismus für Si3N4 bei unterschiedlichen Korneindringtiefen zu charakterisieren. Darüber hinaus wurde die theoretische Analyse des Mikroschleifens von Siliziumnitrid auf der Grundlage eines empirischen Modells des Einzelkorn-Eingriffes durchgeführt, um die Schleifkräfte und das Oberflächenprofil des Werkstücks unter verschiedenen Schnittbedingungen der Schleifstifte abzuschätzen. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit der Einfluss der Werkzeugkonditionierung, verschiedener Schleifprozessparameter und des unterbrochenen Schnittes in der Mikrozerspanung auf die Ausgangsparameter und Prozessergebnisse untersucht. Dazu wurde zum ersten Mal ein Touch-Dressing-Verfahren zur Konditionierung von Diamant-Schleifstiftwerkzeugen mit einem Durchmesser von 2 mm eingesetzt. Zusätzlich wurden die einschichtig belegten Werkzeuge durch Lasermikrostrukturierung mit einem ultrakurz gepulsten Yb-YAG-Pikosekundenlaser strukturiert.Die Anwendung verschiedener Abrichtparameter zeigte eine Diskrepanz zu einem bekannten Verhältnis zwischen dem Abrichtüberdeckungsgrad und Schleifkräften. Das Touch-Dressing-Verfahren mit vfad= 50 mm/min verursachte grobe Abrichtbedingungen, resultierend in stark gebrochenen und grobkörnigen Diamantspitzen. Die erzeugte Werkzeugtopographie führte zu geringeren Schleifkräften und 43 % höheren Oberflächenrauheitswerten Ra im Vergleich zu den Ergebnissen, die nach dem Abrichten mit vfad= 200 mm/min erzielt wurden.Die Mikroschleifversuche bei verschiedenen maximalen unverformten Spanungsdicken hcu-max zeigten einen klaren Übergang von duktilem zu duktil-sprödem und zu sprödem Materialabtrag. Die anschließende SEM-Analyse der bearbeiteten Oberfläche und der Querschnitte unter der Werkstückoberfläche zeigte Rissbildung bei erhöhter hcu-max (duktil-spröder und spröder Materialabtrag). Die durchgeführte Untersuchung ermöglichte es, den Bereich der Schleifprozessparameter für die duktile Bearbeitung von GPSSN Si3N4 zu identifizieren. Weitere Mikroschleifversuche mit laserstrukturierten, galvanisch gebundenen Schleifstiften führten zu einer Reduzierung der Prozesskräfte um bis zu 60 %. Allerdings nahm die Oberflächenrauheit im Vergleich zur Bearbeitung mit unstrukturierten Stiften um bis zu 40 % zu.Die anschließende Langzeitschleifuntersuchung zeigte eine erhöhte Verschleißfestigkeit der strukturierten Werkzeuge, was zu einer verlängerten Standzeit und gleichbleibend niedrigen Prozesskräften bei einem effizienten und präzisen Materialabtrag führte. Die mikroskopische Betrachtung des aktiven Schneidbereichs an laserstrukturierten Schleifstiften ergab eine erhöhte Anzahl scharfer Schneidkanten, was auf Kornbruch als vorherrschenden Verschleißmechanismus deutet.Schließlich zeigte ein Langzeitschleifversuch mit metallisch und hybridgebundenen Schleifstiften, dass diese Werkzeuge keine Prozessgenauigkeit, vergleichbar mit strukturierten galvanisch gebundenen Werkzeugen, erreichen können. Der Selbstschärfungseffekt wurde bei hybridgebundenen Schleifwerkzeugen durch Kornausbrüche aus der Bindungsmatrix hervorgerufen, wodurch die Prozessschleifkräfte im niedrigen Bereich von 2 bis 4 N blieben. Im Gegensatz dazu erfolgte der Materialabtrag bei metallgebundenen Werkzeugen bei einem deutlich höheren Niveau von 12 N. Die hohen Haltekräfte der metallischen Bindungsmatrix führten zur Kornanflachung als dominierende Mikroverschleißerscheinung der Schneiden
FEM Based Modeling of Cylindrical Grinding Process Incorporating Wheel Topography Measurement
No full textAbstractIn this research, the interaction of cBN cutting grains with a 100Cr6 bearing steel workpiece is simulated using Finite Element Method (FEM). Grinding conditions are associated with high temperatures and strain-rates. Therefore, a constitutive material model is used which accounts for the coupled temperature and strain-rate effects on the flow stress. Furthermore, as one of the main challenges in grinding analysis, the topography of the grinding wheel is modelled according to its actual confocal images. The parameters of a probability density function are extracted from the confocal microscopy data and the distribution of the cutting grains are accordingly defined. Through a transient kinematical approach, the single-grain model is extended to the aggregate action of cutting grains on the wheel surface in cylindrical grinding process of a 100Cr6 bearing steel. The simulation results are validated with experimental data
Experimental Investigation and Modeling of Diamond Wire Sawing of Single-Crystal Silicon
No full textWerkzeugmaschine zur Laserkonditionierung von Schleifwerkzeugen unabhängig von deren Spezifikation
No full textModerne Schleiftechnologie und Feinstbearbeitung : Neue Entwicklungen und Trends aus Forschung und Praxis; 14. Seminar, 2023
No full textInnovatives Spannsystem zur vereinfachten Anwendung der ultraschallunterstützten Zerspanung – EasyCut: Abschlussbericht
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Analyse des Trockenschleifens zylindrischer Bauteile mit strukturierten Schleifscheiben
No full textGefördertes Projekt der DFG, Förderung von 2014 bis 2017, Projektnummer 250592267, Projektergebniss
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