naar top
Menu
Logo Print

3D-PRINTEN SCHEPT OOK
VOOR BOREN NIEUWE MOGELIJKHEDEN

Denk ruimer dan conventioneel boren

Vrijwel iedere dag zorgen gatbewerkingen voor kopzorgen. Soms is dat toe te schrijven aan een gebrekkige kennis, vaker liggen de stijgende eisen en het toenemende gebruik van harde of hybride materialen aan de basis echter. De druk op de werkvloer wordt flink opgeschroefd, zowel wat kwaliteit als productiviteit aangaat. Producenten van boren merken die trends ook op, en slagen er steeds weer in nieuwe oplossingen te bedenken.


GATBEWERKING MOEILIJK VAK

Vandaag wordt de industrie geconfronteerd met een onvoorstelbaar grote vraag naar boringen, van extreem groot tot en met afmetingen in micrometers en alles wat daartussen ligt. Meestal heeft een boring een ondersteunende functie: als koel- of smeerkanaal, om te ontluchten, ter bevestiging van dingen, pasgaten natuurlijk ... Boren mag dan echter nog zo alledaags klinken, het blijft een problematische bewerking, de vorderingen in alle deelgebieden ten spijt. De minpunten zoals braamvorming, gereedschapsslijtage en warmtebeïnvloeding verdwijnen niet, en dat verklaart de interesse van de industrie in alternatieve, contactloze processen. Denk aan laser-, vonk-, ultrasoon-, en elektronenstraalboren naast het elektrochemische boren.

Altijd maar meer

Wat is eigenlijk het probleem? Telkens de technologie een stapje vooruit zet, evolueren de eisen die aan de applicaties worden gesteld gewoon mee. De hang naar meer productiviteit is groot. Bovendien legt men de lat op het vlak van afwerkingsgraad steeds hoger. Dat geldt voor zowel de rondheid als de rechtheid. Men eist een lengte-diameterverhouding die groter is dan ooit tevoren,de inwendige ruwheid moet minimaal zijn, bramen zijn uit den boze en dieptes extreem. Wie de gaten in dwarsdoorsnede bekijkt, merkt dat ze ofwel perfect rond ofwel superscherp zijn. Een vrije vorm komt ook voor, en in langsdoorsnede varieert ook de lengte van de gaten nog eens. De realisatie van dit alles is in de praktijk verre van evident.

Nabewerkingen

Gezien die extreme eisen hoeft het weinig te verbazen dat op zich vrijwel geen enkel boorproces gaten aflevert die onmiddellijk voldoen aan de specificaties. Bijgevolg is het finishen van boringen en daar staat een prijs tegenover een industrietak op zich geworden. Voor het opknappen van geboorde gaten van grotere afmetingen staan intussen processen beschikbaar zoals ruimen, kotteren, honen, extrusiehonen en polijsten, terwijl ook precisiedraadvonken zich ertussen mengt. Vrij onbekend zijn het draadhonen en het 'micro bore-sizing' (MBS), twee technieken die gebruikt worden om kleinere diameters tussen Ø 5 µm en 5 mm af te werken. Ze maken supergladde afwerkingsgraden tot 0,01 µm Ra en maatnauwkeurigheden tot ±1 µm mogelijk.


FYSIEK BOREN

Van alle mogelijke technieken om gaten te maken, komt conventioneel boren veruit het meest in aanmerking, door de intrinsieke eenvoud van het proces en de industriële bekendheid. Dat maakt het des te vreemder dat niet elke operator de verspaningstheorie even goed begrijpt. Hoe dan ook, de technologie achter het mechanisch gaten aan-brengen in normaal verspaanbaar materiaal ontwikkelt zich steeds voort. En wanneer gangbare spiraalboren niet voldoen, leveren fabrikanten van snijgereedschap specifieke oplossingen. Indien gewenst voeren die verschillende bewerkingen in lijn uit, wat de gereedschapslogistiek vereenvoudigt doordat er minder types op voorraad nodig zijn en er zich een geringer aantal wisselingen opdringt.

Gereedschapslijpen

De grootste progressie in traditioneel boren moet op naam worden geschreven van ontwikkelingen in het gereedschapslijpen. Krachtige computers, steeds reëlere simulaties, inline scanning en meetoperaties maken de fabricatie van de meest complexe, strak en glad afgewerkte geometrieën haalbaar, of het nu in HM, keramiek of PCD is. Hiervoor zorgen geavanceerde CNC-slijpmachines, soms al met een ingebouwde, flexibele robotwisselaar, en soms zelfs door EDM- en LBM-opties ondersteund.

Spaanafvoer cruciaal

Het juiste uitgangsmateriaal kiezen. Een aangepaste puntvorm, de toepassing van steun- of geleidingsfases naast de implementatie van toevoerkanalen voor koelsmeermiddel en spaangroeven voor een voldoende sterkte en stijfheid. Dit soort ingrepen helpen om de gatkwaliteit te optimaliseren, maar uiteindelijk zijn die slechts een eerste stap. Om trillingen te reduceren die ontstaan door torsie en de wisselende krachten uitgeoefend op de boor, moet ook worden geopteerd voor een bredere 'ziel', en dus een stijvere boor, naast een geavanceerde geometrie met behulp van ongelijk verdeelde snijkanten en/of verlopende spiraalhoeken. Immers, dergelijke spontane vibraties onder instabiele condities hebben een negatief effect op de standtijd en kwaliteit. 

Natuurlijk, een eerste voorwaarde om trillingsvrij te kunnen werken is een stabiele opspanning, aan beide kanten van zowel het gereedschap als het werkstuk. Selecteer ook, waar mogelijk, de grootst mogelijke schachtdiameter en span zo kort mogelijk uit. En toch. Ondanks al deze maatregelen en procesinnovaties, geldt nog altijd dat hoe dieper het gat wordt in vergelijking met de boordiameter zeker bij blinde gaten, hoe minder beheerst de verspaning verloopt. Dit komt doordat een grotere L/D-verhouding (lengte ten opzichte van binnenmaat) de afvoer van verspaande materiaaldeeltjes uit de diepte verstoort. In vrijwel alle gevallen en bij alle bekende processen bestaat het risico op een zekere vorm van contaminatie.

Een van de grootste uitdagingen schuilt dan ook in het vinden van een manier om die vervuiling zodanig terug te brengen dat het niet komt tot 
verstoring of blokkering van de gatbewerking. Superglad afgewerkte spaangroeven bijvoorbeeld, zorgen voor een zoveel betere, ongestoorde afvoer, die het verhindert dat losse spanen nogmaals aangepakt worden in de bewerkingszone. Het verjongen van de schacht direct naar het snijdende gedeelte toe helpt ook de spaanafvoer te verbeteren. Tot slot is simpelweg tussentijds lossen een probaat middel om bedrijfszeker dieper te komen.


Innovaties in snijgereedschap

Overal streeft men naar het opvoeren van de prestaties. Verfijnde materiaaleigenschappen spelen een cruciale rol. Daarbij gaat de trend in de richting van hardere en taaiere mate-rialen. Het omgekeerde gebeurt ook, men kiest juist voor meer fragiele technische materialen. Terwijl volhardmetaal (VHM) dankzij zijn grote slijtvastheid toelaat veel dieper te boren (≥ 30D) dan snelstaal zonder aan standtijd in te boeten, is het van snelstaal bekend dat het fouten in snijgeometrie en een minimale slag van de hoofdspil, houder of boor, beter vergeeft dan volhardmetaal.

Dit neemt niet weg dat er selecte fijnkorrelige HM-soorten zijn ontwikkeld met een hogere taaiheid voor het microboren, zoals de Crazy Drill bewijst. Een ander idee bij HM: de toepassing van acht rillen naast een aangepaste vorm van spoelboringen. In combinatie zorgen ze voor een betere geleiding en een meer optimale bedrijfstemperatuur. 
Zelfs herslijpen blijft mogelijk, al moet je wel weten dat na drie slijpbeurten nog slechts drie actieve rillen overblijven. Ook de gebruikte coating draagt bij tot een verhoogde standtijd en stabiliteit van de snijkanten. Aan de kant van de uitgangsmaterialen, breekt CFPR meer en meer door. Dit brengt nieuwe zorgen met zich mee. Met name de kans op delamineren of uittrekken van harde, brosse koolstofvezels uit de taaie kunstofmatrix is zeer reëel. Wereldwijd worden hiervoor specifieke oplossingen gezocht wat passende processen en gereedschappen betreft.

3D-PRINTEN BEWIJST ZIJN NUT
Een absolute vernieuwing is dat additief fabriceren, 3D-printing, SLM of hoe je het ook wil noemen, z'n entree heeft gemaakt. Dit heeft tot gevolg gehad dat de vormvrijheid in het ontwerp sterk is toegenomen. En daar profiteren fabrikanten van boor- en snijgereedschappen van. Nu al biedt de markt additief in serie vervaardigde varianten van houders, boorbaren en uitwisselbare snijkoppen in metaal aan. Met AM is men in staat bij kleinere doorsnedes van 9 tot 12 mm indexeerbare koelkanalen tot de uittrede op de tip een nog meer optimale vorm te geven. Hierbij wordt niet meer door het hart maar contourvolgend aangevoerd om de ziel van de boor minder te verzwakken. Dankzij AM doen nu ook kanaalprofielen hun intrede die afwijken van de klassieke cilindrische vorm.


ALTERNATIEVEN

Er bestaan enorm veel boortechnieken met elk eigen typische plus- en minpunten. Sommige varianten lenen zich vooral voor universeel gebruik, andere zijn dan weer ver doorontwikkeld en gericht op specifieke toepassingen. Het maken van de juiste keuze is zonder meer doorslaggevend voor een goed eindresultaat. Contactloos laser-, vonk- en elektrochemisch boren werkt onafhankelijk van de mechanische producteigenschappen en in lijn met de aanzetrichting. Dit zelfs bij extreme gatbewerkingen met grote L/D-verhouding, onder diverse hoeken en bij het boren van radii. Laser Beam Machining (LBM) en Electron Beam Machining (EBM) zijn in staat 'vliegend' zeer snel te boren, waar de andere processen meestal in een semistationaire positie een gat fabriceren. Etsen, ponsen, Electro Chemical Machining (ECM) en Electrical Discharge Machining (EDM) lenen zich dan weer om in een hoofdbeweging andere dan cilindrische boringen te produceren: ellipsvormig, rechthoekig of vrijgevormd (turbulated). De andere varianten hebben daarvoor extra asbewegingen nodig.

Koel boorproces

Zeg precisie, en iedereen denkt meteen aan Zwitserland met zijn hoogwaardige horloge-industrie en machinebouw. Minder geweten is dat daar verschillende boorkampioenen huizen, zoals Sarix (EDM-microboren), Posalux (multilaser- en vonkboren) en Mikron Tools (microboren tussen Ø 0,2 en 6 mm).

Daartussen heeft zich vrij recent Synova gevoegd met het hybride Laser MicroJet procedé, een waterstraalgesteunde, contactloze laserbewerking. In principe is de mogelijk grootste beperking van lasersnijden buiten de bundeldivergentie het thermo-fysische karakter van laseren. In de praktijk kan de hoge smelt- en verdampingstemperatuur in focus net onder en op het werkstukoppervlak leiden tot warmtebeïnvloede zones en zelfs structuurveranderingen die in bepaalde applicaties en materialen ontoelaatbaar zijn. Dat nadeel ondervangt Laser Microjet (LMJ) door drie- en nu ook vijfassig laserbewerken te combineren met een ander contactloos proces, namelijk waterstralen. Er wordt gewerkt met een druk van 250 bar en een haardikke straal (~100 µm). Die geleidt de laser inwendig door nagenoeg 100% reflectie op het grensvlak van omgevingslucht en water en koelt het materiaal. Zodoende zijn zowel ultraharde en brosse (diamant, keramiek) als poreuze en warmtegevoelige media koel en precies te boren, snijden, graveren, enz., zonder thermische beschadiging of hechting van smeltdeeltjes.


Uitzonderlijke machineconfiguraties

In deze sector heeft men globaal te maken met universele standaardmachines voor een gevarieerd werkaanbod, naast speciale op maat gebouwde industriële types waarvan de applicatie tevoren 100% is uitgetest. Zo leveren vrijwel alle EDM-machinefabrikanten normaal gangbare, handbediende of bestuurde vonkboormachines, terwijl andere merken zich gaan specialiseren in de richting van bijvoorbeeld microboren. Meervoudig vonkboren met meerdere vonk-, laser- en LMJ-koppen tegelijk in actie vormt een andere mogelijkheid. Daartegenover ligt de grootste sterkte van de BES-EDM specifiek in multiassige machineuitvoeringen. Vanaf nu kan de gebruiker van deze machines numeriek bestuurd tot maximaal acht assen in positie en in de gewenste stand brengen, en daar gecontroleerd vonkerosief boren. Vanuit de automobiel- en luchtvaartindustrie is daarvoor veel belangstelling. Met een dergelijke zesassige BES SLPB620-1200 vestigde Markus Kunz in het kader van zijn promotie aan de TH-Karlsruhe een wereldrecord door een boring van Ø 1 mm te vonken over een respectabele lengte van meer dan 1.000 mm!

WEGSPOELEN SPANEN
De afvoer van de spanen is dermate belangrijk voor de kwaliteit en de beheersing van de boorbewerking, dat spoeling van binnenuit, dwars door de machinespindel heen, min of meer vanzelfsprekend geworden is tot op de kleinste doorsnedes. Tegenwoordig beschikken ook de gereedschappen over inwendige koelkanalen; soms zijn ze driehoekig zoals in dit voorbeeld voor een optimale spoeling.