EP4522395A1 - Verfahren zur herstellung eines bohrsegments, bohrsegment und bohrkrone - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines bohrsegments, bohrsegment und bohrkrone

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EP4522395A1
EP4522395A1 EP23724755.6A EP23724755A EP4522395A1 EP 4522395 A1 EP4522395 A1 EP 4522395A1 EP 23724755 A EP23724755 A EP 23724755A EP 4522395 A1 EP4522395 A1 EP 4522395A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
abrasive particles
segment
pattern
drilling
drilling segment
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23724755.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Carsten Peters
Jens Stracke
Chafic Abu Antoun
Thorsten Klein
Franz Mandl
Steven Moseley
Konrad Wegener
Michael Kuffa
Stefan Fabbro
Lucas Marra Araujo
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hilti AG
Original Assignee
Hilti AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hilti AG filed Critical Hilti AG
Publication of EP4522395A1 publication Critical patent/EP4522395A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D1/00—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor
    • B28D1/02—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor by sawing
    • B28D1/04—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor by sawing with circular or cylindrical saw-blades or saw-discs
    • B28D1/041—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor by sawing with circular or cylindrical saw-blades or saw-discs with cylinder saws, e.g. trepanning; saw cylinders, e.g. having their cutting rim equipped with abrasive particles
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/27—Design optimisation, verification or simulation using machine learning, e.g. artificial intelligence, neural networks, support vector machines [SVM] or training a model
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/08—Probabilistic or stochastic CAD
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces

Definitions

  • the invention is based on a method for producing a drilling segment for a drill bit, the drilling segment having at least one layer with a plurality of abrasive particles, the abrasive particles forming a pattern within the layer.
  • Performance characteristics for example service life and drilling performance, of drilling segments containing abrasive particles, such as diamond drilling segments, can be essentially determined by the arrangement of the abrasive particles, in particular diamonds, contained in them.
  • the object of the present invention is therefore to offer a method for the rapid and cost-effective production, in particular development, of a drilling segment and a cost-effective drilling segment for a drill bit, which enables core drilling with particularly favorable performance characteristics.
  • the problem is solved by a method for producing a drilling segment for a drill bit, the drilling segment having at least one layer with a plurality of abrasive particles, the abrasive particles forming a pattern within the layer, at least one performance characteristic of the drilling segment having the pattern being first calculated in advance and/or the sample depending on an advance invoice from the Performance characteristic is determined and a drilling segment which has at least one layer with abrasive particles arranged in accordance with the pattern is produced.
  • the drilling segment having the pattern can be produced when the performance characteristic reaches or exceeds a certain level.
  • At least one drilling segment is selected for production based on the performance characteristic.
  • the layer can also be physically distinguishable and/or separable from neighboring areas of the drilling segment.
  • the layer can also be purely virtual; it can be, for example, a cutting plane.
  • the layer can be flat. Alternatively, however, it can also be non-planar. In particular, in the case of a finished drilling segment, the layer can be non-flat, in particular deformed from a plane.
  • the pattern can have at least two identical or at least substantially identical partial areas that are spaced apart from one another.
  • the pre-calculation can take into account a behavior and/or a change of at least one particle, the pattern and/or the drilling segment. It may be generally based on characteristics of the drilling segment or part thereof. Alternatively or additionally, a change in a workpiece to be machined by the drilling segment, which is made of at least one material, can also be calculated in advance. For example, a cutting depth, a removal depth per revolution, abrasion, a deformation or the like can be calculated in advance.
  • the workpiece on which the preliminary calculation is based and/or to be processed can have at least two materials, in particular a rock, for example a rock made from at least two different basic materials, and a metal. It can, for example, include reinforced, in particular steel-reinforced, concrete. If the workpiece has several materials, especially if separate test series would be necessary for each of the materials, a particularly significant reduction in time and/or costs can result from the advance calculations.
  • the advance calculation can therefore be carried out on the basis of a physical model.
  • the physical model can at least approximately represent physical and/or chemical laws.
  • performance characteristics are calculated in advance for a limited number of desired patterns, for example based on a physical model and/or based on previous measurement results.
  • a customized model can then be trained using the data obtained.
  • the adapted model can, for example, have a machine-learning module.
  • the machine learning module can then be trained using the patterns and the resulting performance metrics.
  • the training can be trained using data obtained experimentally, data obtained using the physical model and/or a combination of such data sources.
  • the machine-learning module can, for example, be and/or have a module for executing probabilistic, in particular linear, regressions.
  • Probabilistic design of the module also allows statistical effects, for example an individual position of the abrasive particles, to be taken into account at least partially.
  • an optimum of the performance parameter and/or an optimum of the is based on an optimization calculation
  • the optimization calculation can be carried out using the physical model. Calculations based on a physical model can be very computationally intensive. Therefore, a significant acceleration and a significant reduction in resource requirements can be achieved if the optimization calculation is carried out using the adapted model.
  • a domain adaptation can take place, for example on the basis of simulation data, in particular obtained on the basis of the advance calculation, and / or on the basis of experimentally obtained data.
  • the drill segment can be produced with the pattern in embodied form.
  • several layers in particular of the same type, can be stacked one on top of the other. It is particularly conceivable that several layers are lined up, in particular stacked, in one step in order to form the drilling segment or a raw body of the drilling segment.
  • a drilling segment can then be produced by stacking layers and/or arranging layers of the identical or at least substantially identical pattern.
  • the drilling segment can then be heat treated, e.g. B. sintered. It can be put under pressure, e.g. B. via hot isotropic pressure.
  • the performance characteristic it is conceivable that it includes at least one wear characteristic.
  • the at least one performance characteristic includes a cutting performance characteristic.
  • Drilling segments and the method for producing one can be of particular interest if the abrasive particles have carbon, in particular diamond, graphene and/or carbon nanotubes, for example in the form of aggregated diamond nanorods and/or graphene, tungsten carbide, tungsten boride and/or a boron nitride .
  • the drilling segments can therefore in particular be diamond drilling segments.
  • the scope of the invention also includes a drilling segment which is produced using the method described above.
  • the drill segment can be designed for use on a drill bit.
  • the abrasive particles can be incorporated into the binder material.
  • the binder material can at least partially surround the abrasive particles.
  • the binder material may have a lower hardness and/or a lower breaking strength than the material of the abrasive particles.
  • the drilling segment in particular the binder material, can be pressure and/or heat treated. In particular, it can be and/or comprise a sintered body.
  • the drilling segment can be cuboid or at least essentially cuboid. Alternatively, it can be designed in the shape of a cylindrical segment or at least essentially in the shape of a cylindrical segment. “Substantially” can in particular also include cases in which less than half of the sides of the drilling segment are covered by the respective basic shape, i.e. cuboid or cylindrical segment-shaped.
  • a side with which the drilling segment is primarily intended to come into contact with a workpiece can have an elevation.
  • the elevation can, for example, form a cutting edge of the drilling segment.
  • the drilling segment can have a layer structure.
  • Abrasive particles can be arranged within a layer.
  • the arrangement of the abrasive particles within the layer can form a pattern.
  • Adjacent layers can have the same pattern. Adjacent layers can be arranged congruently or - alternatively and particularly preferably - offset from one another.
  • the layers can be deformed, in particular not flat.
  • a largely constant cutting performance can be achieved if corresponding abrasive particles have the same orientation or position in at least two layers with the same pattern.
  • a particularly cost-effective production can be achieved if the abrasive particles are arranged arbitrarily, in particular according to a random combination.
  • the drilling segments in particular the layers, can be formed layer by layer using, in particular individually filled, molds.
  • the abrasive particles can be formed in at least one layer according to a pattern of at least two partial areas spaced apart from one another.
  • the at least two partial areas can have identical partial patterns, each formed from the abrasive particles associated with each partial area.
  • At least one of the partial areas can have at least one polygonal, in particular triangular and/or square, arrangement of abrasive particles.
  • a particularly balanced relationship can arise between the longevity and cutting performance of the drilling segment.
  • a drill bit also falls within the scope of the invention.
  • the drill bit comprises a, preferably tubular, shaft, at one end of which a connecting section for connecting the drill bit to a machine tool is arranged and/or formed. At least one of the previously described drilling segments is arranged and/or formed at the other end.
  • a computer program product also falls within the scope of the invention.
  • the computer program product may include a memory.
  • Program code that can be executed on a computer unit can be stored in the memory so that it can be accessed.
  • the computer program product, in particular the program code can be used to implement the method described above and/or below or at least part of the method described above and/or below, in particular to implement one or more of the features of the physical and/or adapted model described above, be set up. In particular, it can be set up to pre-calculate at least one performance characteristic of a drilling segment having a pattern and/or to determine the pattern depending on a pre-calculation of the performance characteristic.
  • Fig. 1 shows a drill bit in a schematic side view
  • Fig. 2 shows a section of a drill bit with several drilling segments in one perspective oblique view
  • FIG. 3 shows a flowchart of a method for producing a drilling segment
  • FIG. 4 shows a partial aspect of a variant of the method according to FIG. 3;
  • Fig. 6 is a schematic representation of a segment model
  • FIG. 8 Overview of abrasive particle geometries taken into account
  • Fig. 11 shows a pattern
  • Fig. 12 is a diagram of a performance characteristic.
  • Fig. 1 shows a drill bit 10, comprising a tubular shaft 12, at one end of which a connecting section 14 for connecting the drill bit 10 to a machine tool (not shown in Fig. 1) is formed. At the other end there is a large number of drilling segments 16, of which only one is provided with a reference number for the sake of simplicity. The drilling segments 16 can be welded or soldered to the shaft 12.
  • Fig. 2 shows a section of a drill bit 10 in a perspective view.
  • the drill bit 10 has several drilling segments 16, one of which is provided with a reference number, for example.
  • the drilling segments 16 are essentially cylindrical segment-shaped. They have cutting edges 20.
  • the drilling segments 16 are welded to the remaining drill bit 10 along weld seams 21.
  • the drilling segments 16 have no or at least a reduced density of abrasive particles 22 in the vicinity of the weld seams 21.
  • the drilling segments 16 have a binder material 18, into which a large number of abrasive particles 22 are incorporated. To simplify matters, only one of the abrasive particles 22 is provided with a reference number.
  • the binder material 18 may comprise a copper and/or an iron-based alloy.
  • the abrasive particles 22 are diamond particles.
  • the drilling segment 16 has a layer structure.
  • the abrasive particles 22 are arranged within layers in the drilling segment 16. Within the respective layers, the respective abrasive particles 22 each form a pattern.
  • the drilling segment 16 is manufactured using the method described below.
  • FIG 3 shows a method 100 for producing the drilling segment 16.
  • the drilling segment 16 should be set up to cut a material consisting of several components, in particular reinforced concrete.
  • the drilling segment 16 should be optimized with regard to the performance characteristics contact pressure F and required mechanical power P.
  • An optimization variable consists in the design and/or selection of the patterns generated by the abrasive particles 22.
  • a pre-calculation phase 120 the performance characteristics F and P of the pattern are now pre-calculated for each of the test candidate patterns M of the drilling segment 16 to be created.
  • test candidate pattern(s) M with the best performance characteristics F, and P, are determined and selected as the result pattern in a selection phase 130.
  • drilling segments 16 are then produced, in which at least one layer, preferably all layers, has at least one of the result patterns selected in the previous phase 130.
  • a green body can first be produced.
  • the green compact can be built up in layers using a mold.
  • the mold can have recesses in an arrangement corresponding to the desired result pattern. Diamonds can be used as abrasive particles 22 in these recesses. If the result pattern specifies an orientation of the abrasive particles 22, this can be done when inserting the diamonds be taken into account.
  • the mold and thus the abrasive particles 22 can then be introduced onto or into the layer with binder material 18 in order to place the abrasive particles 22 in the layer in accordance with the resulting pattern.
  • the green compact After building up a desired number of layers, the green compact can be pressed, heated and/or sintered as required.
  • the pre-calculation according to the pre-calculation phase 120 can be carried out on the basis of a physical model 122.
  • the physical model 122 can take into account one or more individual factors that can influence the performance characteristics F, P to be calculated in advance and combine them appropriately in order to derive the desired performance characteristics F, P from them.
  • the advance calculations for the candidate patterns M can, to simplify, also be carried out with an adapted model 124 instead of the physical model 122.
  • the customized model 124 may be trainable; It can then be trained with the help of the physical model 122.
  • the adapted model 124 can, for example, include a probabilistic regression, so that after calibration of the adapted model 124, advance calculations can be carried out significantly faster and, in particular, with little computational effort.
  • trainable models are also conceivable, for example based on neural networks such as deep learning modules or the like.
  • the trainable models can be linear or non-linear.
  • a stochastic distribution can be achieved certain properties of the layers or patterns M must be taken into account. For example, in the case of a pattern Mi that does not define a specific orientation of the abrasive particles 22, so that the abrasive particles 22 assume orientations in a randomly distributed manner, these orientations of the abrasive particles 22 can be based on a corresponding stochastic distribution.
  • the performance characteristics F, P are first determined for a sample of the candidate patterns M using the physical model 122. With the candidate patterns M as input data and the obtained performance characteristics F, P, regression coefficients and / or other model parameters required for the adapted model 124 can then be calculated and the adapted model 124 can thus be calibrated.
  • Performance values of all other candidate patterns M can then be estimated by the calibrated, adapted model 124 with little computational effort, so that reductions in the computational effort can be achieved by a factor of 10 or more.
  • FIG. 5 shows schematically details of the physical model 122. This includes a drilling segment model 122.1, a workpiece model 122.2, a process force model 122.3 and a kinematic model 122.4. These models 122.1, 122.2, 122.3 and 122.4 interact with each other.
  • Stochastic and/or deterministic variables can be used.
  • the description of the exemplary embodiment is based on reinforced concrete and thus concrete, i.e. cement and agglomerates, in conjunction with steel reinforcement as the material of the workpiece.
  • Force F and input power P are determined as performance characteristics. It is also conceivable to determine other performance characteristics, in particular the amount of material removed, the surface profile, cutting and/or normal forces, wear characteristics and/or the like.
  • the drilling segment model 122.1 provides a detailed geometric description of the abrasive particle-equipped drilling segment 16 and in particular one of its layers.
  • the kinematic model 122.4 adds kinematic data to this, so that interactions of the abrasive particles 22 with the workpiece material and thus changes in the Workpiece surface can be calculated. Building on this, forces can be calculated using the process force model 122.3, so that a calculation loop is completed. The forces can in turn be fed into the kinematic model 122.4 and the calculation process can be started again.
  • a simplification to reduce the computing effort can consist in pre-calculating only a single drilling segment 16 for a drill bit 10. If necessary, the total performance of the drill bit 10 can then be extrapolated based on the actual number of drilling segments 16.
  • the drilling segment model 122.1 models the shape of the drilling segment 16 and in particular its abrasive particles 22.
  • the modeling can also include their sizes, mechanical characteristics such as critical compressive strength, Shapes, degrees of wear, types of wear and / or the like.
  • the size and/or a critical compressive strength distribution of the abrasive particles 22 can also be modeled as a stochastic, for example normally distributed, size.
  • the model can take into account that certain inaccuracies arise even in placement methods for positioning the abrasive particles 22. Therefore, the position and/or a deviation from a target position can also be modeled as a stochastic variable.
  • dW/dt is a wear rate, for example in [mm/s]
  • K is a wear coefficient
  • B is a dimensionless constant from the Arrhenius equation and takes into account the activation energy and the universal gas constant
  • F c is a cutting force
  • v c is a cutting speed
  • Tgnnd a temperature in the cutting area.
  • Micro- and macro-fractures are modeled in similar ways, although the two types of fracture can essentially differ in their penetration depth.
  • a failure-related stress for brittle materials without elastic deformation can be modeled as follows: where cr w is a normal stress, calculated as: with F N as the normal force and A ⁇ a projection surface or cutting surface orthogonal to the cutting direction (see also below in relation to Fig. 9a). at corresponds to a stress in the cutting direction, which can be modeled as: where F c is the cutting force and A cu t is a particle cross section orthogonal to the cutting direction. T yz corresponds to the shear stress in the abrasive particle and is represented by:
  • a ⁇ is the wear coefficient
  • /V is the normal force
  • L is the distance traveled
  • /-/ is the material hardness
  • A is the contact area.
  • the kinematic model 122.4 depicts the movement of the drilling segment 16 as a movement in a three-dimensional space.
  • the drilling segment 16 rotates about an x-axis and shifts along a feed direction, similar to the kinematics of drills.
  • Another important parameter of the kinematic model 122.4 describes the passage time or the period t s with which the drilling segment 16 passes through the workpiece with the material width m w , the core drill outer radius r cö and the core drill rotation frequency f C b.
  • a cutting profile is first determined for each individual abrasive particle 22. As shown in Fig. 9a, the cutting profile is determined from the projection surface of the particle 22 parallel to the direction of the cutting speed v c .
  • the direction of the cutting force can also be determined:
  • Each surface of a particle 22 can be characterized by normal vectors n t *, as results from the respective shape of the particle 22.
  • n corresponds to the total number of surfaces in the relevant abrasive particle 22
  • V corresponds to the volumes extracted from the respective surfaces
  • V t corresponds to the total volume extracted in this journal t s . Total volume.
  • the volume of the workpiece material removed depends on the area of interaction between the network or the workpiece and the cutting profile as well as the distance traveled.
  • the modeled notch of the workpiece therefore corresponds to a negative of the cutting profile.
  • the superimposition of the grooves modeled by the notch thus leads to a respective cutting contour with a corresponding surface roughness.
  • Fig. 10a for a steel reinforcement
  • Fig. 10b for a concrete element
  • FIG. 11 shows a schematic representation of a pattern for the drilling segment 16 designed as a diamond drilling segment.
  • the pattern has alternating triple or double columns of diamond abrasive particles 22.
  • Measurements of performance characteristics such as forces, torques, etc. were carried out on the drilling segment 16 with such a pattern.
  • a pattern with approximately 20% lower forces could be determined.
  • a sample sample can be viewed as identical or at least essentially identical to a comparison sample if distances between abrasive particles 22 of the sample sample deviate from corresponding distances of the sample sample by at most 10%, in particular at most 5%, particularly preferably at most 1%.
  • the two patterns can be viewed as identical to one another or at least essentially identical if their numbers of abrasive particles 22 are at most 20%, in particular at most 10%, particularly preferably at most 5%, very particularly preferably at most 1%, differ from each other.
  • properties of the abrasive particles 22 can also be taken into account alternatively or additionally.
  • the sample sample and the comparison sample can be viewed as identical or essentially identical if the average particle diameters and / or sieve sizes for sieving the abrasive particles 22 differ by at most 20%, in particular at most 10%, preferably at most 5%. It is also conceivable as Property of the abrasive particles 22 to use the occurrence and / or a proportion of abrasive particles 22 of a certain shape.
  • the comparison of patterns of drilling segments 16 can preferably relate to the arrangement of the abrasive particles 22 in the respective green compacts of the respective drilling segments 16.
  • properties of the patterns for example, an average, a most common and/or a maximum particle size, for example a maximum diameter of the abrasive particles, for example in the range from 0.1 to 3 mm, in particular a diameter smaller than 0.5 mm or larger than 1 mm, a number of layers, in particular with reference to FIG. 11, a number of lines, for example between 1 and 20, in particular between 3 and 8, a concentration ratio between a volume occupied by the abrasive particles 22 and / or one occupied by them Area share in relation to the corresponding volume or the corresponding area share of the binder material of the drilling segment 16, for example in the range between 20% and 80% abrasive particles 22 to binder material,
  • Figure 12 shows a graph of a portion of the data obtained from the 192 simulations. In particular, the resulting cutting forces are shown for different cutting depths between 7.5 pm and 60 pm and different grain sizes of the diamond abrasive particles 22.
  • a particle size of the abrasive particles 22 of approximately 0.4 mm is approximately 20%, in particular According to 1669 / 2109, lower required cutting forces can result than a particle size of approx. 0.8 mm.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Herstellung eines Bohrsegments (16) für eine Bohrkrone (10), insbesondere für eine Bohrkrone (10) zur Bearbeitung von Stahlbeton, wobei das Bohrsegment (16) wenigstens eine Schicht (24) mit einer Vielzahl von Abrasivpartikeln (22) aufweist, wobei die Abrasivpartikel (22) ein Muster innerhalb der Schicht (24) bilden. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass zunächst wenigstens ein Leistungskennwert des das Muster aufweisenden Bohrsegments (16) vorausberechnet wird und / oder das Muster in Abhängigkeit von einer Vorausrechnung des Leistungskennwerts bestimmt wird und, insbesondere, falls der Leistungskennwert ein bestimmtes Maß erreicht oder überschreitet, ein Bohrsegment (16), welches wenigstens eine Schicht (24) mit dem Muster entsprechend angeordneten Abrasivpartikeln (22) aufweist, hergestellt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Bohrsegment (16) sowie eine Bohrkrone (10). Die Erfindung ermöglicht eine schnelle, kostengünstige Entwicklung und Herstellung besonders leistungsfähiger Bohrsegmente (16) für Bohrkronen (10).

Description

Verfahren zur Herstellung eines Bohrsegments, Bohrsegment und Bohrkrone
Beschreibung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Bohrsegments für eine Bohrkrone, wobei das Bohrsegment wenigstens eine Schicht mit einer Vielzahl von Abrasivpartikeln aufweist, wobei die Abrasivpartikel ein Muster innerhalb der Schicht bilden.
Leistungskennwerte, beispielsweise Lebensdauer und Bohrleistung, von Abrasivpartikelbestückten Bohrsegmenten wie beispielsweise Diamantbohrsegmenten können wesentlich durch die Anordnung der in ihnen enthaltenen Abrasivpartikel, insbesondere Diamanten, bestimmt sein.
Die Suche nach Bohrsegmenten mit günstigen Leistungskennwerten gestaltet sich jedoch oftmals schwierig, insbesondere wenn in Hinblick auf mehrere Leistungskennwerte zu optimieren ist. Zusammenhänge zwischen verschiedenen Leistungskennwerten und der Gestaltung des Musters sind oftmals sehr komplex, sodass es bei konventioneller Entwicklung einer Vielzahl von Versuchsreihen mit entsprechend ungünstigen zeitlichen Aufwänden und Kosten bedarf und trotzdem eine Unsicherheit darüber verbleibt, ob ein getestetes Bohrsegment tatsächlich überhaupt verbesserte und effizientere Leistungskennwerte zeigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur raschen und kostengünstigen Herstellung, insbesondere Entwicklung, eines Bohrsegments sowie ein kostengünstiges Bohrsegment für eine Bohrkrone anzubieten, das ein Kernbohren mit besonders günstigen Leistungskennwerten ermöglicht.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bohrsegments für eine Bohrkrone, wobei das Bohrsegment wenigstens eine Schicht mit einer Vielzahl von Abrasivpartikeln aufweist, wobei die Abrasivpartikel ein Muster innerhalb der Schicht bilden, wobei zunächst wenigstens ein Leistungskennwert des das Muster aufweisenden Bohrsegments vorausberechnet wird und / oder das Muster in Abhängigkeit von einer Vorausrechnung des Leistungskennwerts bestimmt wird und ein Bohrsegment, welches wenigstens eine Schicht mit dem Muster entsprechend angeordneten Abrasivpartikeln aufweist, hergestellt wird.
Insbesondere kann das das Muster aufweisende Bohrsegment hergestellt werden, wenn der Leistungskennwert ein bestimmtes Maß erreicht oder überschreitet.
Denkbar ist somit, dass unter mehreren möglichen Mustern und / oder Bohrsegmenten mit solchen Mustern wenigstens ein Bohrsegment zur Herstellung anhand des Leistungskennwerts ausgewählt wird.
Dabei kann die Schicht auch physisch von benachbarten Bereichen des Bohrsegments unterscheidbar und / oder trennbar sein. Die Schicht kann alternativ auch lediglich virtuell ausgebildet sein; es kann sich beispielsweise um eine Schnittebene handeln.
Die Schicht kann eben sein. Alternativ kann sie jedoch auch nicht-eben sein. Insbesondere kann die Schicht bei einem fertig hergestellten Bohrsegment nicht-eben, insbesondere aus einer Ebene heraus deformiert verlaufen.
Durch die Vorausrechnung des Leistungskennwerts können aufwändige Testreihen mit individuell hergestellten Bohrsegmenten und anschließender Messung des Leistungskennwerts entfallen. Hierdurch können Kosten und / oder Zeit eingespart werden. Mit der Durchführung der Testreihen verbundene Gefahren können verringert oder gänzlich vermieden werden.
Das Muster kann wenigstens zwei identische oder zumindest im Wesentlichen identische Teilbereiche aufweisen, die voneinander beabstandet sind. Insbesondere kann sich zwischen den beiden Teilbereichen ein, beispielsweise rechteckiger, partikelfreier Bereich befinden. Dies kann den Leistungskennwert, beispielsweise eine Abtragleistung und / oder ein Verschleißverhalten des Bohrsegments, verbessern.
Die Vorausberechnung kann ein Verhalten und / oder eine Veränderung wenigstens eines Partikels, des Musters und / oder des Bohrsegments berücksichtigen. Sie kann allgemein auf Merkmalen des Bohrsegments oder eines Teils hiervon basieren. Alternativ oder ergänzend kann auch eine Veränderung eines durch das Bohrsegment zu bearbeitenden Werkstücks, das aus wenigstens einem Material ausgebildet ist, vorausberechnet werden. Beispielsweise kann eine Schnitttiefe, eine Abtragungstiefe pro Umdrehung, ein Abrieb, eine Verformung oder dergleichen vorausberechnet werden.
Dabei kann das der Vorausberechnung zugrunde gelegte und / oder zu bearbeitende Werkstück wenigstens zwei Materialien, insbesondere ein Gestein, beispielsweise ein Gestein aus wenigstens zwei verschiedenen Grundstoffen, und ein Metall, aufweisen. Es kann beispielsweise armierten, insbesondere Stahl-armierten, Beton umfassen. Weist das Werkstück mehrere Materialien auf, insbesondere, wenn für jedes der Materialien eigene Versuchsreihen notwendig wären, kann sich eine besonders umfangreiche Reduktion des Zeitaufwands und / oder des Kostenaufwandes aufgrund der Vorausberechnungen ergeben.
Allgemein kann somit die Vorausberechnung auf Basis eines physikalischen Modells erfolgen. Das physikalische Modell kann dabei physikalische und / oder chemische Gesetzmäßigkeiten zumindest näherungsweise abbilden.
Insbesondere, wenn Leistungskennwerte für eine Vielzahl von Mustern vorausberechnet werden sollen, bietet sich folgendes Vorgehen an:
Zunächst werden für eine begrenzte Anzahl von gewünschten Mustern Leistungskennwerte, beispielsweise auf Basis eines physikalischen Modells und / oder auf Basis von früheren Messergebnissen, vorausberechnet.
Anschließend kann mit den gewonnenen Daten ein angepasstes Modell trainiert werden. Das angepasste Modell kann beispielsweise ein maschinell-lernendes Modul aufweisen.
Das maschinell-lernende Modul kann dann anhand der Muster und der sich ergebenden Leistungskennwerte trainiert werden. Dabei kann das Training anhand von experimentell gewonnenen Daten, anhand mittels des physikalischen Modells gewonnenen Daten und / oder einer Kombination solcher Datenquellen trainiert werden.
Nachfolgend können dann weitere Leistungskennwerte für weitere Muster mit Hilfe des angepassten Modells bzw. des - nunmehr trainierten - maschinell-lernenden Moduls vorausberechnet werden.
Das maschinell-lernende Modul kann beispielsweise ein Modul zur Ausführung von probabilistischen, insbesondere linearen, Regressionen sein und / oder aufweisen. Durch die probabilistische Ausgestaltung des Moduls können auch statistische Effekte, beispielsweise eine individuelle Lage der Abrasivpartikel, zumindest partiell berücksichtigt werden.
Mit den vorangehend beschriebenen Varianten des Verfahrens kann es somit gelingen, auf Basis bestimmter Muster zu Leistungskennwerten zu gelangen und die Muster anhand der Leistungskennwerte einzustufen.
Bei einer Klasse von Verfahren kann vorgesehen sein, auf Basis einer Optimierungsrechnung ein Optimum des Leistungskennwertes und / oder ein zu dem Optimum des
Leistungskennwertes zugehöriges Muster zu bestimmen. Somit kann ein optimierter Leistungskennwert gesucht und auf ein dazugehöriges Muster zurückgeschlossen werden.
Die Optimierungsrechnung kann anhand des physikalischen Modells erfolgen. Berechnungen auf Basis eines physikalischen Modell können sehr rechenintensiv sein. Daher können eine erhebliche Beschleunigung und eine erhebliche Senkung des Ressourcenbedarfs erreicht werden, wenn die Optimierungsrechnung anhand des angepassten Modells erfolgt.
Die Optimierungsrechnung kann eingerichtet sein, ein globales Optimum zu suchen. Sie kann beispielsweise einen genetischen Algorithmus und / oder einen Partikelschwarm verwenden.
Die Optimierungsrechnung kann Randbedingungen berücksichtigen.
Es kann eine Domänenadaption, beispielsweise auf Basis von Simulationsdaten, insbesondere anhand der Vorausrechnung gewonnen, und / oder auf Basis experimentell gewonnener Daten erfolgen.
Ist durch die vorangehenden Weisen eine im Hinblick auf den Leistungskennwert günstige Bohrkrone identifiziert worden, kann das Bohrsegment mit dem Muster in verkörperter Form produziert werden. Dazu können mehrere, insbesondere gleichartige, Schichten übereinander stapelbar sein. Denkbar ist insbesondere, dass in einem Schritt mehrere Schichten aneinandergereiht, insbesondere gestapelt, werden, um das Bohrsegment oder einen Rohkörper des Bohrsegments zu bilden. Dann kann durch schichtweise gestapelte Ausbildung und / oder Anordnung von Schichten des identischen oder zumindest im Wesentlichen identischen Musters ein Bohrsegment hergestellt werden. Das Bohrsegment kann anschließend wärmebehandelt, z. B. gesintert, werden. Es kann unter Druck gesetzt werden, z. B. per hot isotropic pressing.
Die Stapelung kann deckungsgleich erfolgen; wenigstens eine Schicht kann auch zu einer benachbarten Schicht versetzt angeordnet und / oder ausgebildet sein; eine sich hieraus ergebende Schichtstruktur kann, insbesondere nach einer Pressung, nicht-eben verlaufen.
Im Hinblick auf den Leistungskennwert ist denkbar, dass dieser wenigstens einen Verschleißkennwert umfasst.
Alternativ oder ergänzend ist denkbar, dass der wenigstens eine Leistungskennwert einen Schneidleistungskennwert umfasst.
Von besonderem Interesse können Bohrsegmente sowie das Verfahren zur Herstellung eines solchen sein, wenn die Abrasivpartikel Kohlenstoff, insbesondere Diamant, Graphen und / oder Kohlenstoffnanoröhren, beispielsweise in Form von Aggregierten Diamant-Nanostäbchen und / oder Graphen, Wolframkarbid, Wolframborid und / oder ein Bornitrid aufweisen. Bei den Bohrsegmenten kann es sich somit insbesondere um Diamantbohrsegmente handeln.
In den Rahmen der Erfindung fällt des Weiteren ein Bohrsegment, das nach dem vorangehend beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Das Bohrsegment kann für den Einsatz an einer Bohrkrone ausgebildet sein.
Es kann ein Bindermaterial aufweisen. In das Bindermaterial können die Abrasivpartikel aufgenommen sein. Das Bindermaterial kann die Abrasivpartikel zumindest teilweise umgeben.
Das Bindermaterial kann eine geringere Härte und / oder eine geringere Bruchfestigkeit aufweisen als das Material der Abrasivpartikel.
Das Bohrsegment, insbesondere das Bindermaterial, kann druck- und / oder wärmebehandelt sein. Es kann insbesondere ein Sinterkörper sein und / oder einen solchen umfassen.
Das Bohrsegment kann quaderförmig oder zumindest im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet sein. Es kann alternativ zylindersegmentförmig oder zumindest im Wesentlichen zylindersegmentförmig ausgebildet sein. „Im Wesentlichen“ kann dabei insbesondere auch solche Fälle umfassen, bei denen weniger als die Hälfte der Seiten des Bohrsegments von der jeweiligen Grundform, also quaderförmig oder zylindersegmentförmig, abweichen.
Beispielsweise kann eine Seite, mit der das Bohrsegment vorrangig mit einem Werkstück in Kontakt treten soll, eine Erhebung aufweisen. Die Erhebung kann beispielsweise eine Schneidkante des Bohrsegments bilden.
Das Bohrsegment kann eine Schichtstruktur aufweisen. Innerhalb einer Schicht können Abrasivpartikel angeordnet sein. Die Anordnung der Abrasivpartikel innerhalb der Schicht kann ein Muster bilden. Benachbarte Schichten können das gleiche Muster aufweisen. Benachbarte Schichten können deckungsgleich oder - alternativ und besonders bevorzugt - zueinander versetzt angeordnet sein.
Die Schichten können deformiert, insbesondere nicht-eben, verlaufen.
Eine weitgehend konstante Schneidleistung lässt sich erreichen, wenn entsprechende Abrasivpartikel in wenigstens zwei Schichten mit dem gleichen Muster die gleiche Orientierung oder Lage aufweisen.
Eine besonders kostengünstige Herstellung lässt sich erreichen, wenn die Abrasivpartikel beliebig, insbesondere entsprechend einer zufälligen Zusammenstellung entsprechend, angeordnet sind.
Die Bohrsegmente, insbesondere die Schichten, können schichtweise mit Hilfe von, insbesondere individuell befüllten, Formen ausgebildet werden.
Bei dem Bohrsegment können die Abrasivpartikel in wenigstens einer Schicht entsprechend einem Muster aus wenigstens zwei voneinander beabstandeten Teilbereichen ausgebildet sein. Die wenigstens zwei Teilbereiche können identische Teilmuster, jeweils gebildet aus den jedem Teilbereich zugehörigen Abrasivpartikeln, aufweisen.
Wenigstens einer der Teilbereiche kann wenigstens eine polygone, insbesondere eine dreieckige und / oder eine viereckige, Anordnung von Abrasivpartikeln aufweisen. Bei einem solchen Teilbereich kann sich ein besonders ausgewogenes Verhältnis zwischen Langlebigkeit und Schneidleistung des Bohrsegments ergeben.
In den Rahmen der Erfindung fällt des Weiteren eine Bohrkrone. Die Bohrkrone umfasst einen, vorzugsweise röhrenförmigen, Schaft, an dessen einem Ende ein Verbindungsabschnitt zur Verbindung der Bohrkrone mit einer Werkzeugmaschine angeordnet und / oder ausgebildet ist. An dessen anderem Ende ist wenigstens eines der vorangehend beschriebenen Bohrsegmente angeordnet und / oder ausgebildet.
In den Rahmen der Erfindung fällt des Weiteren ein Computerprogrammprodukt. Das Computerprogrammprodukt kann einen Speicher umfassen. Im Speicher kann auf einer Rechnereinheit ausführbarer Programmcode abrufbar abgelegt sein. Das Computerprogrammprodukt, insbesondere der Programmcode, kann zur Umsetzung des vorangehend und / oder nachfolgend beschriebenen Verfahrens oder zumindest eines Teils des vorangehend und / oder nachfolgend beschriebenen Verfahrens, insbesondere zur Realisierung einer oder mehrerer der vorangehend beschriebenen Merkmale des physikalischen und / oder des angepassten Modells, eingerichtet sein. Insbesondere kann es eingerichtet sein, wenigstens einen Leistungskennwert eines ein Muster aufweisenden Bohrsegments vorauszuberechnen und / oder das Muster in Abhängigkeit von einer Vorausrechnung des Leistungskennwerts zu bestimmen. Es kann auch eingerichtet sein, insbesondere, falls der Leistungskennwert ein bestimmtes Maß erreicht oder überschreitet, ein Bohrsegment, welches wenigstens eine Schicht mit dem Muster entsprechend angeordneten Abrasivpartikeln aufweist, herzustellen und / oder die Herstellung eines solchen Bohrsegments zu steuern.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.
In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Bohrkrone in einer schematischen Seitenansicht;
Fig. 2 einen Ausschnitt einer Bohrkrone mit mehreren Bohrsegmenten in einer perspektivischen Schrägansicht;
Fig. 3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Bohrsegments;
Fig. 4 einen Teilaspekt einer Variante des Verfahrens gemäß Fig. 3;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines physikalischen Modells;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Segmentmodells;
Fig. 7a-d Abbildungen berücksichtigter Abrasivpartikel-Verschleißarten;
Fig. 8 Übersicht berücksichtigter Abrasivpartikel-Geometrien;
Fig. 9a-b Ermittlung eines Schneidprofils und zugehörige Schneidwirkung;
Fig. 10a-b perspektivische Darstellungen von Werkstücken sowie ermittelte Schnittkonturen;
Fig. 11 ein Muster; und
Fig. 12 ein Diagramm zu einem Leistungskennwert.
In der nachfolgenden Beschreibung der Figuren werden zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung für gleiche oder sich funktional entsprechende Elemente jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1 zeigt eine Bohrkrone 10, umfassend einen röhrenförmigen Schaft 12, an dessen einem Ende ein Verbindungsabschnitt 14 zur Verbindung der Bohrkrone 10 mit einer Werkzeugmaschine (in Fig. 1 nicht dargestellt) ausgebildet ist. An dessen anderem Ende befindet sich eine Vielzahl von Bohrsegmenten 16, von denen vereinfachend lediglich eines mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Bohrsegmente 16 können an den Schaft 12 geschweißt oder gelötet sein.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt einer Bohrkrone 10 in einer perspektivischen Darstellung. Die Bohrkrone 10 weist mehrere Bohrsegmente 16 auf, von denen eines mit beispielhaft mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Bohrsegmente 16 sind im Wesentlichen zylindersegmentförmig. Sie weisen Schneidkanten 20 auf. Die Bohrsegmente 16 sind entlang Schweißnähten 21 an die übrige Bohrkrone 10 angeschweißt. Um die Schweißeigenschaften der Bohrsegmentes 16 zu verbessern, weisen die Bohrsegmente 16 in der Nähe der Schweißnähte 21 keine oder zumindest eine reduzierte Dichte an Abrasivpartikeln 22 auf.
Die Bohrsegmente 16 weisen ein Bindermaterial 18 auf, in das jeweils eine Vielzahl Abrasivpartikel 22 eingebunden ist. Von den Abrasivpartikeln 22 ist vereinfachend lediglich eines mit einem Bezugszeichen versehen. Das Bindermaterial 18 kann eine Kupfer- und / oder eine Eisen-basierte Legierung aufweisen. Die Abrasivpartikel 22 sind Diamantpartikel.
Das Bohrsegment 16 weist eine Schichtstruktur auf. Insbesondere sind die Abrasivpartikel 22 innerhalb von Schichten im Bohrsegment 16 angeordnet. Innerhalb der jeweiligen Schichten bilden die jeweiligen Abrasivpartikel 22 jeweils ein Muster.
Das Bohrsegment 16 ist nach dem nachfolgend beschriebenen Verfahren hergestellt.
Fig. 3 zeigt ein Verfahren 100 zur Herstellung des Bohrsegments 16. Für die Beschreibung des Verfahrens soll hier und im Weiteren angenommen werden, dass das Bohrsegment 16 dazu eingerichtet sein soll, ein aus mehreren Komponenten bestehendes Material, insbesondere Stahlbeton, zu schneiden. Dazu soll das Bohrsegment 16 im Hinblick auf die Leistungskennwerte Anpresskraft F und erforderliche mechanische Leistung P optimiert sein. Eine Optimierungsvariable besteht dabei in der Gestaltung und / oder Auswahl der durch die Abrasivpartikel 22 erzeugten Muster.
Zunächst werden in einer Kandidaten-Phase 110 mehrere als zu prüfende Muster Mj als Prüfkandidaten zusammengestellt.
In einer Vorausberechnungs-Phase 120 werden für jedes der Prüfkandidaten-Muster M, des zu erstellenden Bohrsegments 16 nun die Leistungskennwerte F, und P, des das Muster vorausberechnet.
Das oder die Prüfkandidaten-Muster M, mit den besten Leistungskennwerten F, und P, werden in einer Auswahl-Phase 130 als Ergebnismuster ermittelt und ausgewählt.
In einer Produktions-Phase 140 werden dann Bohrsegment 16 hergestellt, bei denen wenigstens eine Schicht, vorzugsweise alle Schichten, wenigstens eines der in der vorangehenden Phase 130 ausgewählten Ergebnismuster aufweist.
Dazu kann zunächst ein Grünling hergestellt werden. Der Grünling kann schichtweise mithilfe einer Form aufgebaut werden. Dazu kann die Form Ausnehmungen in einer dem jeweils gewünschten Ergebnismuster entsprechenden Anordnung aufweisen. In diese Ausnehmungen können Diamanten als Abrasivpartikel 22 eingesetzt werden. Sofern das Ergebnismuster eine Orientierung der Abrasivpartikel 22 vorgibt, kann diese beim Einsetzen der Diamanten berücksichtigt werden. Anschließend können die Form und damit die Abrasivpartikel 22 auf oder in die Schicht mit Bindermaterial 18 eingebracht werden, um die Abrasivpartikel 22 in der Schicht dem Ergebnismuster entsprechend zu platzieren. Nach Aufbau einer gewünschten Anzahl von Schichten kann der Grünling je nach Bedarf gepresst, erwärmt und / oder gesintert werden.
Wie in Fig. 4 schematisch und mit Hilfe von gestrichelten Pfeilen dargestellt, kann die Vorausberechnung gemäß der Vorausberechnungs-Phase 120 auf Basis eines physikalischen Modells 122 erfolgen.
Das physikalische Modell 122 kann ein oder mehrere Einzelfaktoren, die Einfluss auf die vorauszuberechnenden Leistungskennwerte F, P nehmen können, berücksichtigen und geeignet zusammenführen, um daraus die gewünschten Leistungskennwerte F, P abzuleiten.
Aufgrund der hohen Anzahl an Abrasivpartikeln 22 und vielzähliger Anordnungsmöglichkeiten für die Abrasivpartikel 22 und damit der hohen Anzahl an Freiheitsgraden für die Muster M, kann die Ermittlung der Leistungskennwerte F, P aller Kandidaten-Muster M, jedoch teilweise zu einem erheblichen Rechenaufwand führen.
Um dennoch eine besonders große Anzahl von Kandidaten-Mustern Mi prüfen zu können und um dazu die erforderliche Rechenkapazität zu minimieren, können die Vorausberechnungen für die Kandidaten-Muster M, vereinfachend auch mit einem angepassten Modell 124 anstatt des physikalischen Modells 122 erfolgen.
Vorzugsweise kann das angepasste Modell 124 trainierbar sein; mit Hilfe des physikalischen Modells 122 kann es dann angelernt werden.
Das angepasste Modell 124 kann dazu beispielsweise eine probabilistische Regression umfassen, sodass nach Eichung des angepassten Modells 124 Vorausberechnungen erheblich schneller und insbesondere mit geringem Rechenaufwand erfolgen können. Denkbar sind alternativ oder ergänzend auch weitere trainierbare Modelle, beispielsweise auf Basis neuronaler Netze wie etwa Deep Learning-Modulen oder dergleichen. Die trainierbaren Modelle können linear oder nicht-linear sein.
Durch eine probabilistische Ausgestaltung der Regression kann eine stochastische Verteilung bestimmter Eigenschaften der Schichten bzw. Muster M, berücksichtigt werden. Beispielsweise kann bei einem Muster Mi, das keine bestimmte Orientierung der Abrasivpartikel 22 definiert, so dass die Abrasivpartikel 22 Orientierungen in zufällig verteilter Weise annehmen, diesen Orientierungen der Abrasivpartikel 22 eine entsprechende stochastische Verteilung zugrunde gelegt werden.
Zur Eichung des angepassten Modells 124 werden die Leistungskennwerte F, P zunächst für eine Stichprobe der Kandidaten-Muster M, mithilfe des physikalischen Modells 122 ermittelt. Mit den Kandidaten-Mustern M, als Eingangsdaten und den erhaltenen Leistungskennwerten F, P können sodann Regressionskoeffizienten und / oder weitere für das angepasste Modell 124 benötigte Modellparameter berechnet und somit das angepasste Modell 124 geeicht werden.
Leistungswerte aller übrigen Kandidaten-Muster M, können sodann durch das geeichte, angepasste Modell 124 mit geringem Rechenaufwand geschätzt werden, sodass sich Verkürzungen des Rechenaufwands um den Faktor 10 oder mehr erzielen lassen.
Fig. 5 zeigt schematisch Details des physikalischen Modells 122. Dieses umfasst ein Bohrsegment-Modell 122.1 , ein Werkstück-Modell 122.2, ein Prozesskraft-Modell 122.3 sowie ein kinematisches Modell 122.4. Diese Modelle 122.1 , 122.2, 122.3 und 122.4 interagieren miteinander.
Dabei können stochastische und / oder deterministischen Variablen verwendet werden.
Die Beschreibung des Ausführungsbeispiels geht von Stahlbeton und somit von Beton, also Zement und Agglomeraten, in Verbindung mit einer Stahlbewehrung als Material des Werkstücks aus.
Als Leistungskennwerte werden Kraft F und Eingangsleistung P ermittelt. Denkbar ist auch, andere Leistungskennwerte, insbesondere Abtragungsmenge, das Oberflächenprofil, Schnitt- und/oder Normalkräfte, Verschleißkennwerte und / oder dergleichen zu ermitteln.
Das Bohrsegment-Modell 122.1 liefert eine detaillierte geometrische Beschreibung des Abrasivpartikel-bestückten Bohrsegments 16 und insbesondere einer seiner Schichten. Das kinematische Modell 122.4 fügt diesem kinematische Daten hinzu, sodass Wechselwirkungen der Abrasivpartikel 22 mit dem Werkstückmaterial und somit Veränderungen der Werkstückoberfläche berechnet werden können. Hierauf aufbauend können mittels des Prozesskraft-Modells 122.3 Kräfte berechnet werden, sodass sich eine Berechnungsschleife jeweils abschließt. Die Kräfte können wiederum in das kinematische Modell 122.4 eingespeist und der Berechnungsprozess von Neuem gestartet werden.
Eine Vereinfachung zur Reduktion des Rechenaufwandes kann darin bestehen, dass für eine Bohrkrone 10 lediglich ein einzelnes Bohrsegment 16 vorausberechnet wird. Bei Bedarf kann dann anhand der tatsächlichen Anzahl von Bohrsegmenten 16 auf die Gesamtleistung der Bohrkrone 10 hochgerechnet werden.
Bohrsegment-Modell 122.1
Das Bohrsegment-Modell 122.1 modelliert die Gestalt des Bohrsegments 16 und insbesondere seiner Abrasivpartikel 22.
Grundsätzlich können im Bohrsegment-Modell 122.1 eine Vielzahl Schichten, wie in Fig. 6, obere Hälfte, dargestellt, abgebildet werden. In der oberen Hälfte von Fig. 6 sind beispielhaft drei Schichten 24 eines Bohrsegments 16 (Fig. 1) dargestellt.
Bei einer bevorzugten Alternative wird zur weiteren Vereinfachung und Minimierung des Rechenaufwandes lediglich eine Schicht 24 (siehe Fig. 6 untere Hälfte) modelliert. Insbesondere wird dazu eine äußerste Schicht 24 modelliert, die mit dem Werkstück in Kontakt tritt und somit insbesondere als Schneid-Schicht fungiert.
Die Modellierung kann neben den Positionen und Orientierungen der Abrasivpartikel 22, von denen in Fig. 6 beispielhaft jeweils eines in der oberen und eines in der unteren Hälfte von Fig. 6 mit einem Bezugszeichen markiert sind, auch ihre Größen, mechanische Kennwerte wie kritische Druckfestigkeit, Formen, Abnutzungsgrade, Abnutzungstypen und / oder dergleichen umfassen.
Innerhalb der Schicht 24 können die Abrasivpartikel 22, hier Diamanten, entsprechend dem Muster M, angeordnet werden. In einer Schicht können beispielsweise zwischen 10 und 100, beispielsweise 25 oder 50, Abrasivpartikel 22 angeordnet sein. Dabei können Variationen, wie weit die einzelnen Abrasivpartikel 22 aus der Schicht 24 bzw. der Oberfläche des Bohrsegments herausragen, beispielsweise im Bereich von bis zu ca. 150 pm, berücksichtigt werden.
Sofern das Muster M, eine zufällige Verteilung der Orientierungen der Abrasivpartikel 22 vorsieht, können die Orientierungen als stochastisch verteilte, z. B. normalverteilte, dreidimensionale Winkel berücksichtigt werden.
In der unteren Hälfte von Fig. 6 ist auch zu erkennen, dass für jeden einzelnen Abrasivpartikel 22 ein Partikelabnutzungsgrad und / oder ein Partikelabnutzungszustand modelliert werden kann. Berücksichtigte Abnutzungsarten können beispielsweise abrasive Abstumpfung (Fig. 7a), Mikrobrüche (Fig. 7b), Makrobrüche (Fig. 7c) sowie Partikelauszug aus dem Bindermaterial (Fig. 7d) umfassen.
Das Bohrsegment-Modell 122.1 kann auch vorsehen, unterschiedliche Ausgangsformen der Abrasivpartikel 22 zu berücksichtigen. Für den Fall diamantener Abrasivpartikel 22 zeigt Fig. 8 hierzu Beispiele solcher Ausgangsformen.
Ferner kann vorgesehen sein, im Bohrsegment-Modell 122.1 die Größen der Abrasivpartikel 22 zu modellieren, um damit abzubilden, dass diese bei den üblichen, durch Siebung, erfolgenden Auswahlverfahren mit gewissen Variationen zu rechnen ist. Vorzugsweise kann auch die Größe und / oder eine kritische Druckfestigkeitsverteilung der Abrasivpartikel 22 als stochastische, beispielsweise normalverteilte, Größe modelliert sein bzw. werden.
Weiterhin kann das Modell berücksichtigen, dass sich selbst bei Platzierungsmethoden zur Positionierung der Abrasivpartikel 22 gewisse Ungenauigkeiten ergeben. Daher können auch die Position und / oder eine Abweichung zu einer Soll-Position als stochastische Variable modelliert sein bzw. werden.
Abnutzung des Bohrsegments 16
Zur Modellierung des Verschleißes des Bohrsegments 16 werden analog zu Fig. 7a bis Fig. 7d die diesbezüglich genannten vier verschiedenen Verschleißarten bzw. -Verschleißgrade modelliert. Abrasive Abstumpfung kann wie folgt modelliert werden:
Dabei ist dW/dt eine Verschleißrate, beispielsweise in [mm/s], K ist ein Verschleißkoeffizient, B ist eine dimensionslose Konstante aus der Arrhenius Gleichung und berücksichtigt die Aktivierungsenergie und die universelle Gaskonstante, Fc ist eine Schnittkraft, vc ist eine Schnittgeschwindigkeit und Tgnnd eine Temperatur im Schnittbereich.
Mikro- und Makrobrüche werden auf zueinander ähnliche Weisen modelliert, wobei sich die beiden Brucharten im Wesentlichen durch eine Eindringtiefe unterscheiden können.
Ein Bruch tritt auf, wenn die resultierende Spannung, die auf das Abrasivpartikel 22 wirkt, höher ist als seine eigene Druckfestigkeit. Eine versagensbedingte Spannung für spröde Materialien ohne elastische Verformung kann wie folgt modelliert werden: wobei crweine Normalspannung ist, berechnet als: mit FN als Normalkraft und A± einer Projektionsfläche oder Schnittfläche orthogonale zur Schnittrichtung (siehe auch weiter unten in Bezug auf Fig. 9a) ist. at entspricht einer Spannung in Schnittrichtung, modellierbar als: wobei Fc die Schnittkraft und Acut ein orthogonaler Partikelquerschnitt zur Schnittrichtung ist. Tyz entspricht der Schubspannung im Abrasivpartikel und ist dargestellt durch:
-
Tyz A±
Die Richtung, in der sich der Bruch ausbreitet, ist stochastisch abhängig von der Schnitttiefe des Partikels 22 bzw. des Diamanten definiert. Sobald die Punkte der orthogonalen Ebene für die Brucherzeugung definiert wurden, erfolgt die modellierte Brucherzeugung in einer 2D Ebene (orthogonal zur Ebene in Schnittrichtung, Fig. 9a) resultierend in eine neue Abrasivpartikel Geometrie und in weiterer Folge projizierter Fläche.
Zur Modellierung des Partikelauszugs können zwei Fälle unterschieden werden.
Wenn nach einem Bruch des Partikels 22 oder aufgrund des abrasiven Verschleißes das Schneidprofil im Vergleich zu einem intakten Profil auf 30% reduziert wird, kommt es aufgrund der Verringerung der Kontaktfläche zwischen dem Bindermaterial und der Oberfläche des Partikels 22 zu einem Auszug.
Der zweite Fall berücksichtigt Verschleiß des Bindermaterials. Dazu kann eine Verschleißrate des Bindermaterials geschätzt werden. Diese beeinflusst die Schwelle bzw. kritische Kraft, ab der das Abrasivpartikel 22 ausbricht. Diese kann wie folgt modelliert werden:
= _ Kmmcc - ' N ' L
V H ■ A
Dabei ist A^ der Verschleißkoeffizient, /V die Normalkraft, L zurückgelegte Weg, /-/ die Materialhärte und A die Kontaktfläche.
Kinematisches Modell 122.4
Das kinematische Modell 122.4 bildet die Bewegung des Bohrsegments 16 als Bewegung in einem dreidimensionalen Raum ab. Bei Rotation der Bohrkrone 10 dreht sich das Bohrsegment 16 um eine x-Achse und verschiebt sich entlang einer Vorschubrichtung, ähnlich der Kinematik von Bohrern.
Somit lassen sich eine Schnittgeschwindigkeit vc und eine Vorschubgeschwindigkeit vf wie folgt berechnen: und vf = n ■ ae (2.2) [cm/min] wobei n die Anzahl der Umdrehungen der Bohrkrone 10 pro Minute ist, d ihr Durchmesser und ae eine Eindringtiefe pro Umdrehung.
Ein weiterer wichtiger Parameter des kinematischen Modells 122.4 beschreibt die Durchtrittsdauer bzw. den Zeitschrift ts, mit der das Bohrsegment 16 das Werkstück mit der Materialbreite mw, dem Kernbohrer-Außenradius rcö und der Kernbohrer-Rotationsfrequenz fCb durchtritt.
Dabei kann folgender Zusammenhang zugrunde gelegt werden: t _ mw 2Tt-f cb'rcb
Prozesskraft-Modell 122.3
Das Prozesskraft-Modell 122.3 modelliert während des Schneidens auftretende Kräfte zwischen dem Bohrsegment 16 und dem jeweiligen Werkstück. Anhand einer angepassten Kienzle- Gleichung können die Kräfte, die während des Schneidprozesses wirken, modelliert werden:
Fei = kcl.! ■ A™c wobei kd.i eine spezifische Schnittkraft, A eine orthogonale Schnittfläche und mc ein Werkstückmaterialkoeffizient der Schnittkraftzunahme ist. Diese Kennwerte werden auf der Grundlage der einzelnen Abrasivpartikel 22 und ihrer Wechselwirkung mit dem jeweiligen Werkstück berechnet. Die insgesamt wirkende Kraft kann durch Summation aller einzelnen Kräfte Fd erfolgen:
Die zur Schnittrichtung senkrechte Normalkraftkomponente ergibt sich aus dem Schnittkraftverhältnis p wie folgt:
Die spezifische Schnittkraft kci.i, der Werkstückmaterialkoeffizient mc und das Schnittkraftverhältnis können experimentell, beispielsweise mittels Kratz- und Kernbohrversuchen, sowie beispielsweise durch lineare Regression ermittelt werden.
Hiermit können somit die Beträge der Kräfte ermittelt werden; die zugehörigen Kraftrichtungen können dann, wie nachfolgend erläutert, separat ermittelt werden.
Werkstück-Modell 122.2
Das Werkstück-Modell 122.2 modelliert die Gestalt des Werkstücks sowie seine Veränderungen durch den Schneidprozess.
Um die durch die abrasiv Abrasivpartikel 22 erzeugte Wirkung auf das Werkstück modellieren, wird zunächst für jedes einzelne Abrasivpartikel 22 ein Schneidprofil ermittelt. Wie in Fig. 9a abgebildet, wird das Schneidprofil aus der Projektionsfläche des Partikels 22 parallel zur Richtung der Schnittgeschwindigkeit vc ermittelt.
Die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks, im Beispielfall also eine Beton- oder Stahl- Oberfläche, wird durch Netzpunkte modelliert.
Innerhalb des Zeitschritts ts wird das ermittelte Schneidprofil mit der definierten Kinematik über das Netz, beispielsweise entlang dem in Fig. 9a abgebildeten Pfeil, geführt. Entlang der überfahrenen Netzpunkte wird die Oberfläche entsprechend dem Schneidprofil verändert, sodass sich ein aktualisierter Oberflächenverlauf des bearbeiteten Werkstücks ergibt. Dieser Ansatz wandelt ein dreidimensionales Korn in ein zweidimensionales Korn um, was eine signifikante Reduzierung der Simulationszeit für das Modell mit sich bringt.
Durch den Vergleich des Netzes vor und nach dem Zeitschrift ts ist es zudem möglich, das entnommene Werkstückmaterialvolumen zu ermitteln.
Mit den ermittelten Informationen zum Schneidprofil und dem abgetragenen Volumen lässt sich auch die Richtung der Schnittkraft ermitteln:
Jede Fläche eines Partikels 22 ist durch Normalenvektoren nt* charakterisierbar, wie sich aus der jeweiligen Gestalt des Partikels 22 ergeben.
Aus diesen Normalenvektoren lassen sich dann die Richtung der effektiven Gesamtkraft und damit der Gesamtkraftvektor durch Summation ableiten:
Dabei entspricht n der Gesamtzahl der Flächen in dem betreffenden Abrasivpartikel 22, V, entsprechen den von den jeweiligen Flächen extrahierte Volumen; Vt entspricht dem gesamten in diesem Zeitschrift ts entnommenen Volumen. Gesamtvolumen.
Denkbar ist, noch weitere Effekte zu berücksichtigen. Denkbar ist beispielsweise, durch Integration von thermischen und mechanischen Einflüssen, wie Schnitttemperatur, Reibung, elastisches Materialverhalten, Rissausbreitung oder dergleichen, weiter zu verbessern.
Mit den hier dargestellten Vereinfachungen hängt das Volumen des entfernten Werkstückmaterials vom Bereich der Wechselwirkung zwischen dem Netz bzw. dem Werkstück und dem Schneidprofil sowie der zurückgelegten Wegstrecke ab. Somit entspricht die modellierte Kerbung des Werkstücks einem Negativ des Schneidprofils. Die Überlagerung der durch die Kerbung modellierten Rillen führt somit zu einer jeweiligen Schnittkontur mit entsprechender Oberflächenrauheit.
Fig. 10a, für eine Stahlarmierung, und Fig. 10b, für ein Betonelement, zeigen jeweils Werkstücke mit modellierten, sich aus dem Schneidprozess ergebenden Schnittkonturen. Fig. 11 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Muster für das als Diamantbohrsegment ausgebildete Bohrsegment 16.
Das Muster weist abwechselnd 3- bzw. 2-fach besetzte Spalten von Diamant-Abrasivpartikeln 22 auf.
Zu dem Bohrsegment 16 mit einem solchen Muster wurden Messungen von Leistungskennwerten wie Kräften, Drehmomenten usw. durchgeführt.
Die experimentell gewonnenen Messergebnissen wurden mit durch ein physikalisches Modell entsprechend dem vorangehend beschriebenen physikalischen Modell gewonnenen Leistungskennwerten verglichen. Insgesamt zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung.
Unter Variation verschiedener Parameter des Musters, beispielsweise der Größen der Diamant- Abrasivpartikel 22, wurden insgesamt beispielhaft 192 abgewandelte Muster simuliert.
Es konnte ein Muster mit um ca. 20% niedrigeren Kräften ermittelt werden.
Ein Probemuster kann dabei als identisch oder zumindest im Wesentlichen identisch zu einem Vergleichsmuster angesehen werden, wenn Abstände zwischen Abrasivpartikeln 22 des Probemusters höchstens um 10%, insbesondere höchstens um 5%, besonders bevorzugt höchstens um 1 %, von entsprechenden Abständen des Probemusters abweichen. Alternativ oder ergänzend können die beiden Muster als zueinander identisch oder zumindest im Wesentlichen identisch angesehen werden, wenn ihre Anzahlen an Abrasivpartikeln 22 höchstens um 20%, insbesondere höchstens um 10 %, besonders bevorzugt um höchstens 5%, ganz besonders bevorzugt um höchstens 1 %, voneinander abweichen. Entsprechend einer weiteren denkbaren Definition einer Mustergleichheit können alternativ oder ergänzend auch Eigenschaften der Abrasivpartikel 22 mit in Betracht gezogen werden. Beispielsweise können das Probemuster und das Vergleichsmuster als identisch oder im Wesentlichen identisch angesehen werden, wenn die durchschnittlichen Partikeldurchmesser und / oder Siebgrößen zur größenmäßigen Siebung der Abrasivpartikel 22 sich höchstens um 20%, insbesondere höchstens um 10 %, bevorzugt höchstens um 5 %, unterscheiden. Ebenso ist denkbar, als Eigenschaft der Abrasivpartikel 22 das Auftreten und / oder ein Mengenanteil von Abrasivpartikeln 22 einer bestimmten Form heranzuziehen.
Der Vergleich von Mustern von Bohrsegmenten 16 kann sich vorzugsweise auf die Anordnung der Abrasivpartikel 22 in den jeweiligen Grünlingen der jeweiligen Bohrsegmente 16 beziehen.
Allgemein ist denkbar, als Eigenschaften der Muster beispielsweise eine durchschnittliche, eine häufigste und / oder eine maximale Partikelgröße, beispielsweise einen maximalen Durchmesser der Abrasivpartikel, beispielsweise im Bereich von 0,1 bis 3 mm, insbesondere Durchmesser kleiner als 0,5 mm oder größer als 1 mm, eine Anzahl von Lagen, insbesondere in Bezug auf Fig. 11 eine Anzahl von Zeilen, beispielsweise im zwischen 1 und 20, insbesondere zwischen 3 und 8, ein Konzentrationsverhältnis zwischen einem von den Abrasivpartikeln 22 besetzten Volumen und / oder einem von diesen besetzten Flächenanteil im Verhältnis zum entsprechenden Volumen bzw. dem entsprechenden Flächenanteil des Bindermaterials des Bohrsegments 16, beispielsweise im Bereich zwischen 20 % und 80 % Abrasivpartikel 22 zu Bindermaterial,
- wenigstens eine Geometrie der Abrasivpartikel 22, bspw. die am häufigsten auftretende Geometrie, insbesondere vor erstmaliger Verwendung des Bohrsegments 16 und / oder
- wenigstens eine Ausrichtung der Abrasivpartikel 22, bspw. die am häufigsten auftretende Ausrichtung, insbesondere vor erstmaliger Verwendung des Bohrsegments 16, zu betrachten.
Fig. 12 zeigt ein Diagramm eines Teils der aus den 192 Simulationen gewonnenen Daten. Insbesondere sind für unterschiedliche Schnitttiefen zwischen 7,5 pm und 60 pm und unterschiedliche Korngrößen der Diamant-Abrasivpartikel 22 jeweils resultierende Schnittkräfte abgebildet.
Zu erkennen ist, dass sich komplexe Abhängigkeitsverhältnisse ergeben haben, die sich insbesondere bei tiefen Schnitttiefen besonders stark auswirkten.
In dem in Fig. 12 dargestellten Beispiel ergab sich beispielsweise, dass für Schnitttiefen von ca. 60 pm eine Partikelgröße der Abrasivpartikel 22 von ca. 0,4 mm zu ca. 20 %, insbesondere entsprechend 1669 / 2109, niedrigeren erforderlichen Schnittkräften führen kann als eine Partikelgröße von ca. 0,8 mm.
Allgemein ergaben sich somit besonders geringe erforderliche Kräfte bei Bohrsegmenten 16 mit 5 Zeilen (siehe Fig. 11) und mit Diamantpartikeln mit einem maximalen Durchmesser im Bereich von 0,3 mm bis 0,6 mm, insbesondere 0,4 mm.
Bezugszeichenliste
10 Bohrkrone
12 Schaft
14 Verbindungsabschnitt
16 Bohrsegment
18 Bindermaterial
20 Schneidkante
21 Schweißnaht
22 Abrasivpartikel
24 Schicht
100 Verfahren
110 Kandidaten-Phase
120 Vorausberechnungs-Phase
122 Physikalisches Modell
122.1 Bohrsegment-Modell
122.2 Werkstück-Modell
122.3 Prozesskraft-Modell
122.4 Kinematisches Modell
124 Angepasstes Modell
130 Auswahl-Phase
140 Produktions-Phase

Claims

Patentansprüche Verfahren (100) zur Herstellung eines Bohrsegments (16) für eine Bohrkrone (10), insbesondere für eine Bohrkrone (10) zur Bearbeitung von Stahlbeton, wobei das Bohrsegment (16) wenigstens eine Schicht (24) mit einer Vielzahl von Abrasivpartikeln (22) aufweist, wobei die Abrasivpartikel (22) ein Muster innerhalb der Schicht (24) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst wenigstens ein Leistungskennwert des das Muster aufweisenden Bohrsegments (16) vorausberechnet wird und / oder das Muster in Abhängigkeit von einer Vorausrechnung des Leistungskennwerts bestimmt wird und, insbesondere, falls der Leistungskennwert ein bestimmtes Maß erreicht oder überschreitet, ein Bohrsegment (16), welches wenigstens eine Schicht (24) mit dem Muster entsprechend angeordneten Abrasivpartikeln (22) aufweist, hergestellt wird. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster wenigstens zwei identische oder zumindest im Wesentlichen identische Teilbereiche aufweist, die voneinander beabstandet sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung eines durch das Bohrsegment (16) zu bearbeitenden Werkstücks, das aus wenigstens einem Material ausgebildet ist, vorausberechnet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu bearbeitende Werkstück wenigstens zwei Materialien, insbesondere ein Gestein und ein Metall, aufweist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorausrechnung zunächst ein maschinell-lernendes Modul trainiert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine probabilistische Regression durchgeführt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis einer Optimierungsrechnung ein Optimum des Leistungskennwertes und / oder ein zu dem Optimum des Leistungskennwertes zugehöriges Muster bestimmt werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mehrere Schichten (24) aneinandergereiht, insbesondere gestapelt, werden, um das Bohrsegment (16) oder einen Rohkörper des Bohrsegments (10) zu bilden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Leistungskennwert einen Verschleißkennwert umfasst.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Leistungskennwert einen Schneidleistungskennwert umfasst.
11 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrasivpartikel (22) Kohlenstoff, insbesondere Diamant, Graphen und / oder Kohlenstoffnanoröhren wie beispielsweise in Form von Aggregierten Diamant- Nanostäbchen und / oder Graphen, Wolframkarbid, Wolframborid und / oder ein Bornitrid aufweisen.
12. Bohrsegment (16) für eine Bohrkrone (10), umfassend in ein Bindermaterial (18) aufgenommene Abrasivpartikel (22), hergestellt nach einem Verfahren (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
13. Bohrsegment nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrasivpartikel (22) in wenigstens einer Schicht (24) entsprechend einem Muster aus wenigstens zwei identischen, voneinander beabstandeten Teilbereichen ausgebildet ist.
14. Bohrsegment nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich wenigstens eine polygone, insbesondere eine dreieckige und / oder eine viereckige, Anordnung von Abrasivpartikeln (22) aufweist.
15. Bohrkrone (10), umfassend einen, vorzugsweise röhrenförmigen, Schaft (12), an dessen einem Ende ein Verbindungsabschnitt (14) zur Verbindung der Bohrkrone (10) mit einer Werkzeugmaschine angeordnet und / oder ausgebildet ist, und an dessen anderem Ende wenigstens ein Bohrsegment (16) nach einem der Ansprüche 10 bis 12 angeordnet und / oder ausgebildet ist.
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