Energieeffizienz und Ressourcenschonung erfordern neue Lösungswege

Moderne Leichtbauwerkstoffe wirtschaftlich zerspanen

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Angesichts des Klimawandels sowie der zunehmenden Verknappung und Verteuerung natürlicher Ressourcen, rückt das Verbessern der Energie- und Materialeffizienz in den Mittelpunkt der Entwicklung neuer Produkte. Neue Konstruktionen von Produkten in Leichtbauweise zur Gewichtsreduzierung, insbesondere aus Faserverbundwerkstoffen und Multimaterialsystemen, halten ausgehend von der Luftfahrtindustrie verstärkt Einzug in verschiedene andere Branchen.

Autor: Frank Dreher, Business Unit Aerospace, Mapal Dr. Kress KG

Gewicht und Energieeffizienz prägen schon immer die Entwicklung neuer Flugzeuge. Zunehmend findet man Leichtbauwerkstoffe aber auch im Automotive-Bereich. Auch bei der alternativen Energiegewinnung durch Windkraftanlagen sind sie etabliert, und sie werden verstärkt auch im Maschinenbau, bei Industrierobotern oder im Konsumgüterbereich eingesetzt, um das Gewicht bewegter Massen zu reduzieren.
Voraussetzung für die breitere Anwendung von Leichtbauprodukten aus Faserverbundwerkstoffen sind effiziente und prozesssichere Bearbeitungstechnologien. Dies ist mit den bekannten Fertigungsverfahren und vor allem mit den bekannten Werkzeugen nicht möglich, da das spezifische Zerspanungsverhalten von Leichtbauwerkstoffen berücksichtigt werden muss. Sowohl Faserüberstände als auch aus dem Werkstoffverbund ausgerissene Fasern müssen vermieden werden. Auch die Delamination zwischen den einzelnen Faserlagen ist ein K.-o.-Kriterium für das Werkstück und somit auch für das eingesetzte Werkzeugkonzept.
Darüber hinaus führen zu hohe Bearbeitungstemperaturen dazu, dass das im Werkstück verwendete Kunstharz oder der verwendete Kunststoff eine irreparable Schädigung erfährt. Da meist trocken gearbeitet wird, ist die Schneidgeometrie des Werkzeuges besonders wichtig, und die richtige Auslegung erfordert spezielles Know-how und Prozessverständnis. Eine besondere Herausforderung stellen sicherlich die kohlestofffaserverstärkten Kunststoffe (CFK) dar, die extrem verschleißend auf die Schneide wirken. Die unterschiedlichsten Herstellungsprozesse und verschiedene Faserlagen, variierende Faserquerschnitte und Harzgehalte bringen spezifische Anforderungen mit sich, denen durch angepasste Werkzeugauslegungen begegnet werden muss.
Werkzeuge zum Bohren und Fräsen faserverstärkter Materialien
Mapal hat speziell für den Bereich der faserverstärkten Kunststoffe Werkzeuglösungen für das Bohren und Fräsen entwickelt, die diesen spezifischen Anforderungen gerecht werden. Das Programm umfasst Standardprodukte aus Vollhartmetall, unbeschichtet oder mit Diamantbeschichtung, sowie Werkzeuge mit PKD-Bestückung. Speziell an das Bearbeitungskonzept angepasste Sonderlösungen inklusive der passenden Werkzeughalter runden das Portfolio ab.
Beim Fräsen von Bauteilen in Leichtbauweise kommt es besonders auf saubere Schnittkanten an. Überstehende Fasern können nicht akzeptiert werden. Mapal hat für diese Anwendung Fräswerkzeuge entwickelt, die das Bearbeiten in nur einem Schnitt ermöglichen, was zu deutlichen Zeiteinsparungen führt. Dieser Vorteil kommt bei größeren Serien oder sehr großen Bauteilen besonders zur Geltung. Mit diesem Fräserprogramm lassen sich auch hervorragend GFK-Materialien unterschiedlicher Ausprägung bearbeiten.
Bei der Entwicklung der speziellen Mapal Composite-Bohrer für CFK-Materialien wurde dem unterschiedlichen Aufbau von CFK Rechnung getragen. Man spricht dabei von sogenannten uni- oder multidirektionalen CFK-Werkstoffen. Je nach Aufbau muss die Bohrergeometrie unterschiedlich ausgeführt werden. Unidirektionale Faserlagen am Bohrungsaustritt erschweren das Herstellen von Bohrungen ohne Faserüberstand bzw. Faserausrissen (Delamination) an der Austrittsfläche um die Bohrung. Sehr glatte bzw. glänzend aussehende Bohrungswandungen deuten auf aufgeschmolzenes Harz und zu hohe Prozesstemparaturen hin. Die optimale Kombination der Spitzengeometrie, der Rundschlifffase und der Spanraumgestaltung ergeben einen Bohrer, der diese genannten Fehlermöglichkeiten am Werkstück ausschließt.
Bearbeitung von CFK/Titan/Aluminium-Schichtverbunden (Stacks)
In neuen Flugzeuggenerationen wird durch den Einsatz von CFK in der modernen Struktur- und Beplankungsmontage vermehrt Titan zur Einleitung und Verteilung der Kräfte genutzt. Im Rumpf sind das die Bereiche der Türen und Tore und im Flügel die Aufnahmen für die Lasten aus dem Triebwerk, dem Fahrwerk und der Landeklappen. Die geometrischen Vorgaben an die Bohrungen dieser hochbelasteten Strukturkomponenten aus CFK/Titan/Aluminium sind sehr eng und müssen oft in nur einem Arbeitsgang mit hoher Prozesssicherheit erreicht werden.
Im Forschungs- und Entwicklungszentrum von Mapal wurden spezielle Bohrwerkzeuge unter Berücksichtigung der Bearbeitungsprozesse entwickelt und getestet. Das Ergebnis sind Werkzeuge, die auf unterschiedlichen Maschinen wie Bohrvorschubeinheiten, Roboter und Bearbeitungszentren in sogenannten Stacks Bohrungen in nur einem Arbeitsgang („Oneshot“) in H8-Qualität fertigen können. Die Werkzeuge arbeiten bei geringer Prozesswärme in Titan, erzeugen kurze Späne und verhindern so die Beschädigung der angrenzenden Faserwerkstoffe.
Bei der Wahl der richtigen Bohrergeometrie ist die Zusammensetzung des Stacks sowie die Bearbeitungsrichtung von entscheidender Bedeutung. Je nach Aufbau der Materialschichten und Durchmesser der zu erzeugenden Bohrung bzw. Bohrungstoleranzen sind optimal ausgelegte Bohrer als VHM-Werkzeuge oder mit Wechselkopfsystem geeignet. Generell ist das TTD-Wechselkopfsystem ab einem Durchmesser von 12 mm verfügbar.
Auch für zweistufige Prozesse zum Bohren und anschließenden Reiben einer Bohrung sind Werkzeuglösungen entwickelt worden. Bei extrem teuren Bauteilen steht die Bearbeitungssicherheit im Vordergrund und es gilt hier die „fail save Strategie“. Mapal Mehrschneidenreibahlen (HPR) mit PKD-Schneiden arbeiten in allen Werkstoffen absolut prozesssicher mit hohen Standzeiten. Mühelos werden hier IT7-Toleranzen in allen unterschiedlichen Materialien, egal ob CFK, Alu oder Titan, erreicht.
Komplettbearbeitung des GFK-Blattanschlusses an Windanlagen-Rotorblättern
Die konstruktive Gestaltung der Verbindungsstelle zwischen Rotorblatt und Rotornabe gehört zu den anspruchsvollsten Aufgaben bei der Rotorblatt-Entwicklung von Windkraftanlagen. Die Schraubenverbindung, die das Rotorblatt über das Blattlager mit der Rotornabe verbindet, ist extremen dynamischen Belastungen ausgesetzt. Zur Verringerung des Rotorblattgewichtes und zur Senkung der Fertigungskosten setzen die Hersteller meist auf den sogenannten Querbolzenanschluss. Um die für diese Verbindungsverfahren benötigten Bohr-, Fräs- und Trennoperationen am Blattanschluss aus GFK wirtschaftlich zu bearbeiten, hat Mapal innovative Werkzeugsysteme entwickelt, die zudem im Hinblick auf reduzierte Staub- und Spanbildung optimiert wurden.
Zunächst wird der Harzüberstand an der Randzone der Rotorblattwurzel abgetrennt. Der eingesetzte Scheibenfräser ø = 400 mm mit 20 diamantbeschichteten Hartmetallschneiden sorgt für kurze Bearbeitungszeiten. Der polierte Grundkörper reduziert die Hitzeentwicklung während der Bearbeitung. Dabei kommt es zu keinem Verlaufen des Sägeschnitts wie beim herkömmlichen Bearbeiten mit Diamantsägeblättern oder Trennscheiben, was eine Nachbearbeitung überflüssig macht. Nach dem Trennschnitt wird aber meistens die Verbindungsfläche zur Rotornabe mit einem PKD-bestückten Planfräser der Mapal Eco-Mill-Baureihe fertig bearbeitet, um erhöhte Maß- bzw. Oberflächenqualitäten zu erreichen.
Die Bearbeitung der Längs- und Querbohrung für die Haltebolzen erfolgt durch einen Kernbohrer mit ebenfalls diamantbeschichteten Schneiden. Diese erreichen hohe Standzeiten und verhindern zudem Delamination am Bohrungsaustritt. Durch das geringe Spanvolumen, auch bei großen Bearbeitungsdurchmessern, wird im Vergleich zu einem Vollbohrer die Staub- bzw. Spanbildung erheblich reduziert. Für die Arretierbohrungen zur Flügelausrichtung in der Bearbeitungsmaschine kommt ein TTD-Wechselkopfbohrer, dessen Geometrie für die Anforderungen der GFK-Bearbeitung optimiert wurde. Die Ausführung als Wechselkopfsystem macht die Bearbeitung des Durchmessers 32 mm besonders wirtschaftlich.
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