Weiterentwicklung faserverstärkter Werkstoffe und deren Bearbeitung Kompression bei Carbon erhöht Prozesssicherheit

Weiterentwicklung faserverstärkter Werkstoffe und deren Bearbeitung

Kompression bei Carbon erhöht Prozesssicherheit

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Der Trend innerhalb der Faserverbundwerkstoffe (FVK) geht weg von kostengünstigen kurzfaserverstärkten Glasfaserwerkstoffen für einfache Verkleidungsteile, hin zu Strukturbauteilen aus hochwertigeren Werkstoffen mit Carbonfasern, die das Leichtbaupotenzial dieser Werkstoffgruppe erst optimal nutzbar machen. Endlosfasern und Formgebung stellen Werkzeughersteller dabei allerdings vor Schwierigkeiten, die es durch gezielte Anpassungen zu kompensieren gilt.

Die spanende Fertigbearbeitung mit dem richtigen Werkzeug ist der entscheidende Faktor für die wirtschaftliche Herstellung von Faserverbund-Bauteilen. Diese lastgerecht konzipierten Bauteile sind meist endlosfaserverstärkt und schalenförmig ausgelegt. Diese Auslegung bedingt, dass die Bauteile nicht besonders steif sind, solange sie nicht im Verbund verbaut sind oder in einer nicht auslegungskonformen Richtung belastet werden.

Die fehlende Steifigkeit erschwert die Aufspannung der Bauteile und begünstigt Schwingungen und Geometrieabweichungen. Die zur Verstärkung eingebrachten Carbonfasern wirken zudem, wie auch Glas- oder andere Naturfasern, stark abrasiv auf die Schneide des Werkzeugs. Hightech-Zerspanwerkzeuge müssen hierbei durch eine Anpassung der Makro- und Mikrogeometrie auch bei komplexen mehrlagigen 3D-Gewebestrukturen das zuverlässige Trennen aller Faser- und Matrixanteile ohne Überstände unabhängig der Faserausrichtung gewährleisten.
Stellschrauben in der Werkzeugentwicklung
Verschiedene Anpassungen können bei der Bearbeitung von GFK/CFK zielführend sein: zum einen die optimale Auslegung des Werkzeugs in Abhängigkeit zum Material des Bauteils und dessen Eigenschaften, zum anderen die Bearbeitungsstrategie in Abhängigkeit der Bauteilform, Aufspannung und Maschinentechnik. Nur die Analyse und Berücksichtigung dieser Parameter ermöglicht eine wirtschaftliche Bearbeitung der Leichtbauwerkstoffe, ohne die für diese Materialien typischen Fehlerbilder wie Delaminationen, Faserausrisse oder temperaturbedingte Schäden zu verursachen. Diese Schadensformen sind unter allen Umständen zu vermeiden, da sie gegebenenfalls die Integrität des Bauteils an den wichtigen Fügestellen negativ beeinflussen.
Mit konventionellen Fräsergeometrien gelingt es nicht, die Fasern zu trennen, da diese – ihrer Flexibilität geschuldet – bei der Bearbeitung kaum Widerstand bieten und somit kein Schneiddruck aufgebaut wird. Für Besäumoperationen an den Bauteilkanten, zum Erzeugen von Ausschnitten und bei der Herstellung von Bohrungen größeren Durchmessers durch zirkulare Fräsoperationen kommen aus diesem Grund Fräser wie der Gühring FR 100 mit sogenannten Kompressionsgeometrien zum Einsatz. Der Fräser drückt durch die Schneidenanordnung bei der Bearbeitung in axialer Richtung gegen das zu bearbeitende Material. Dieser axiale Druck ermöglicht es auch, bei sehr flexiblen Fasern den notwendigen Schneiddruck aufzubauen, um diese zu trennen, ohne einzelne Fasern auszureißen oder Delaminationen an der Bauteilkante zu verursachen.
Richtige Frässtrategie wählen: Gegenlauf
Darüber hinaus werden die Prozessgrenzen maßgeblich durch die Temperaturentwicklung und die maximal erreichbaren Vorschubgeschwindigkeiten definiert. Der Temperatursensitivität der Matrixwerkstoffe wird durch die Bearbeitung im Gegenlauf Rechnung getragen. Der Werkstoff wird im Gegenlauf entlang der Fasern getrennt, was zu geringeren Temperaturen am Bauteil führt und die Schneiden des Werkzeuges schont. Als Schneidstoff eignet sich sowohl blankes und diamantbeschichtetes Hartmetall als auch PKD (polykristalliner Diamant). Die komplexen Werkzeuggeometrien in Kombination mit den üblichen Werkzeugdurchmessern im Bereich von 8,0 mm und darunter begrenzen dabei jedoch den Einsatz von PKD-bestückten Werkzeugen stark. So liegt der Fokus in diesem Bereich auf komplexen Vollhartmetallwerkzeugen.
Spannut und Schneidenform wichtigste Faktoren für Temperaturbelastung
Hinsichtlich der Temperaturbelastung ist die Gestalt der Spannut einer der entscheidenden Faktoren. Hier kann durch die Form aber auch durch die Oberflächeneigenschaften der Spannut auf die Spanbildung und den Spantransport Einfluss genommen werden, um den Spänestaub zusammen mit den Fasersegmenten schnellstmöglich aus der Zerspanzone abzuführen, bevor diese die enthaltene Temperatur an das Bauteil oder Werkzeug abgeben können.
Bei der Entwicklung des FR 100, eines auf die FVK-Zerspanung spezialisierten Fräswerkzeugs, wurde dies mit Aufnahmen der Highspeed- und Thermographie-Kamera deutlich. Nur durch das Zusammenspiel der angepassten Nut- und Schneidengeometrie mit entsprechenden Oberflächen wird der Spänestaub abgeführt, ein Aufkleben des zerspanten Materials und eine Mehrfachzerspanung verhindert. Die maximal erreichbare Vorschubgeschwindigkeit hängt neben der Spanabfuhr auch von der effektiven Schneidenlänge des Werkzeugs ab. Diese zeigt sich in erster Linie durch eine deutliche Reduzierung der Vibrationen, wirkt sich aber auch entscheidend auf den Standweg des Werkzeugs aus. Folglich kann ein Werkzeug, das eine optimale Spanabfuhr mit ruhigem Lauf und einer möglichst langen Schneide kombiniert, auch die höchsten Vorschubgeschwindigkeiten erreichen. So werden z. B. Fräser mit 8,0 mm Durchmesser bei geringen Materialstärken mit einer Schnittgeschwindigkeit vc zwischen 350 und 700 m/min und mit Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 5 m/min eingesetzt.
Nanokristalline Diamantbeschichtung mit „sp3-Struktur“
Für eine wirtschaftliche Bearbeitung von Faserverbundbauteilen in der Serienfertigung mit derart hohen Schnittgeschwindigkeiten und Vorschüben haben sich nanokristalline Diamantschichten bewährt. Dieser Beschichtungstyp ist bestens geeignet, um der abrasiven Belastung an den Schneiden entgegenzuwirken. Maximale Leistung erreicht die Diamantbeschichtung nur durch eine genaue Abstimmung der Beschichtung auf das verwendete Hartmetallsubstrat und auf das zu bearbeitende Material. Dies wird bei Gühring durch eine enge Kooperation zwischen der Beschichtungstechnologie und der Gühring-eigenen Hartmetallfertigung gewährleistet. So können alle Parameter optimal aufeinander abgestimmt werden.
Die Diamantbeschichtung Cristall verfügt über eine sehr hohe Härte von mehr als 8000 HV. Dank der durch die sp3-Hybridisierung bestimmten Struktur qualifiziert sich die Cristall-Beschichtung für hochabrasive Anwendungen wie die GFK- und CFK-Bearbeitung, ist aber auch sehr gut geeignet zur Bearbeitung von Aluminiumlegierungen, Keramik und Graphit. Durch das Aufbringen unterschiedlicher Schichtdicken wird sie auf den jeweiligen Anwendungsfall optimal angepasst.
Mit dem FR 100 Fräser wurde ein Werkzeug speziell für die Serienfertigung von FVK-Bauteilen entwickelt. Eine angepasste Schneiden- und Spannutgestaltung senkt die Bearbeitungstemperatur und gewährleistet eine gute Spanabfuhr. Die Schneidenanordnung und die daraus resultierende effektive Schneidenlänge ermöglichen zudem hohe Standzeiten. Der Kompressionsschnitt ermöglicht die prozesssichere Faserabtrennung an der Schnittkante mittels des schälenden Schnittes. ■
Gühring KGwww.guehring.de

Zukunftsideen in Serie

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Wie die Zukunft der Zerspanung aussehen kann, präsentieren die Mitglieder des Vereins für Zukunftsorientierte Zerspanung e.V. in einer exklusiven Serie in der mav.
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