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CFK-Bearbeitung mit Mapal-Fräswerkzeugen

Carbonfaser-verstärkte Kunststoffe (CFK)
3D-Fräsen von CFK-Prototypen ab Stückzahl Eins

Bauteile aus Carbonfaser-verstärkten Kunststoffen (CFK) sind im Vergleich mit konventionellen metallischen Ausführungen bei gleicher Belastbarkeit erheblich leichter. Das bietet große Vorteile nicht nur in der Luft- und Raumfahrt. Auch in vielen weiteren Einsatzbereichen kommt es auf niedriges Gewicht, hohe Festigkeit und geringe Massenkräfte an. Bei Rennfahrzeugen, Highend-Fahrrädern oder Sportgeräten, im Maschinenbau sowie für Handlinggeräte oder Roboter wird zunehmend CFK verwendet. Mapal unterstützt als Entwicklungspartner mit hoher Prozesskompetenz und umfangreichem Werkzeugprogramm bei der Erarbeitung und Umsetzung schlüsselfertiger Prozesse.

„Wir sind ein spezialisierter Industriedienstleister mit einer breiten Palette an technischen Produkten sowie Services und Lösungen“, erläutert Wulf Wagner, Produktmanager der Geschäftseinheit Composite-Technologie der Eriks Deutschland GmbH. „Der Bereich Composite umfasst verschiedenste Halbzeuge bis hin zu komplexen dreidimensionalen Bauteilgeometrien aus GFK und CFK.“

Gerade bei diesen Produkten erwarten die Kunden Unterstützung bei der gemeinsamen Entwicklung innovativer Lösungen für neue Produkte. Dank seiner schlagkräftigen Engineeringabteilung konstruiert, berechnet und fertigt das Unternehmen für seine Kunden auch komplette CFK-Komponenten als Prototypen oder in Serie. CFK-Formteile entstehen hierbei aus Prepregs. Dieses Faserhalbzeug ist bereits mit einem geeigneten, aber noch nicht ausgehärteten Harz getränkt. Bei der Serienfertigung presst das Compression Molding-Verfahren übereinandergelegte Prepregs in Formhälften mit entsprechend gestalteten Geometrien zusammen. Das heiße Werkzeug härtet das Harz aus, und es entsteht ein Bauteil mit der Kontur des gewünschten Teils. Für die metallischen Formhälften müssen allerdings fünfstellige Beträge investiert werden. Diese Kostenhürde erweist sich für viele potenzielle Anwender, die möglicherweise nur ein oder ein paar Bauteile benötigen, als Handicap.

Um Kunden gerade in der Startphase einer Entwicklung eine kostengünstige Alternative zu bieten, wurde das Standard-Plattenmaterial Epratex_CFS 100 entwickelt, wie Wulf Wagner erläutert. Dafür werden die gleichen Prepregs verwendet. Die einheitlich 100 mm dicken Platten sind in Abmessungen von bis zu 350 x 500 mm verfügbar. Aufgrund der wahllosen Orientierung der Fasern im Material sind die Eigenschaften weitgehend isotrop.

Der validierte Herstellprozess gewährleiste die sichere Einhaltung der im Datenblatt angegebenen Eigenschaften für die konstruktive Auslegung, so Wagner. Variationen bezüglich Abmessungen, Dicke und Matrixsystem seien auf Anfrage möglich. Durch Zerspanung auf geeigneten Bearbeitungszentren lasse sich jede gewünschte Stückzahl vom Einzel-Bauteil bis zur Kleinserie herstellen.

Gesucht: Ein schlüsselfertiger CFK-Bearbeitungsprozess

„Während sich am Markt zahlreiche Anbieter von CFK-Laminatplatten mit geringer Wanddicke tummeln, sind 100 mm dicke Platten etwas Besonderes“, weiß Sven Frank, Global Head of OEM Management bei Mapal. Da die Bearbeitung von CFK allerdings nicht ganz einfach ist, suchte Ersiks nach einem schlüsselfertig validierten und optimierten Bearbeitungsprozess.

Neben einem umfangreichen Werkzeugprogramm für die Bearbeitung von CFK-Werkstoffen verfügt der Präzisionswerkzeughersteller Mapal über eine hohe Kompetenz in der Prozessauslegung und -umsetzung. „Darüber hinaus steht unser technisch wie personell hervorragend ausgestattetes Forschungs- und Entwicklungszentrum für Testbearbeitungen zur Verfügung“, erläutert Frank und betont: „All diese Ressourcen bringt Mapal gerne in gemeinsam mit Kunden durchgeführte Entwicklungsprojekte ein.“

Dabei stelle man sich jeder Herausforderung. Bei dem von Eriks gewählten Testbauteil handelt es sich um einen Winkel in Standardgeometrie aus dem Euro Greifer Tooling (EGT) System, das in Aluminiumausführung in der deutschen Automobilindustrie in großen Stückzahlen verwendet wird. Der RCG Omega Winkel ist um 30 Prozent leichter und ermöglicht signifikante Vorteile bei der Konstruktion von Euro Greifer Tooling (EGT)- Systemen.

Besondere Anforderungen an die Werkzeuge

„Der Kohlenstoff in den Carbonfasern des CFK weist teils diamantähnliche Strukturen auf. Unbeschichtete Vollhartmetallwerkzeuge halten diesem extrem abrasiven Material nicht lange stand“, erklärt Dr.-Ing. Oliver Pecat, Teamleiter Entwicklung Aerospace bei Mapal: „Innerhalb eines Meters Fräsweg im Vollschnitt schnellt der Schneidkantenradius eines frisch geschliffenen Vollhartmetallfräsers von 2 µm auf 15 bis 20 µm hoch, während sich die Zerspankräfte verdreifachen.“

Kostenintensivere Werkzeuge mit PKD-Einsätzen (polykristalliner Diamant) hielten besser, ließen dem Werkzeugkonstrukteur aber wesentlich geringere Freiheitsgrade bei der Geometrie. Für die CFK-Bearbeitung setzt Mapal daher bevorzugt auf diamantbeschichtete Vollhartmetallwerkzeuge. Die hier eingesetzte, hochharte und abrasionsbeständige CVD-Beschichtung stellt Mapal seit Anfang 2021 im eigenen Haus her. „Insgesamt haben wir die Bearbeitung des Winkels von Eriks mit zehn Werkzeugen ausgelegt“, so Pecat. „Neben dem EcoFeed Planfräser mit PKD-Fräseinsätzen kommen verschiedene Ausführungen des OptiMill-Composite-Speed in Schrupp-Schlichtausführung sowie des Mega-Drill-Composite-UDX zum Einsatz, allesamt in der Bearbeitung von Verbundmaterialien bewährte und prozesssichere Werkzeuge.“

Der optimale Bearbeitungsprozess für CFK

Im Rahmen des Projekts konnte die R&D-Abteilung ihre umfassenden Möglichkeiten zur Konzipierung und Validierung eines optimalen Bearbeitungsprozesses voll ausspielen: Die CAD-Geometriedaten wurden mithilfe von zwei der vier im Hause vorhandenen CAD/CAM-Programmen – Siemens NX und Solidcam – übernommen. In umfassenden Einsatzsimulationen führten die Entwickler alle Bearbeitungsabläufe durch. Berücksichtigt wurden auch Maschineneigenschaften und Spannsituationen. Die Entwicklung der Prozessschritte erfolgte iterativ – Idee, Simulation, Versuch und Auswertung. „Mit dem erfolgreichen Projektabschluss eröffnet sich sowohl für Eriks als auch für Mapal ein Markt mit viel Zukunftspotenzial“, schlussfolgert Sven Frank.

Besonderheiten der CFK-Bearbeitung

„CFK-Werkstoffe verhalten sich bei der Bearbeitung gänzlich anders als Metalle, weil die Carbonfasern spröde brechen“, sagt Tizian Gühna, CAD/CAM-Programmierer bei Mapal. Während bei Metallen die Erwärmung des Werkstücks größtenteils auf der Energieaufnahme durch plastische Verformung der Späne vor dem Abbruch beruhe, brechen die Carbonfasern im CFK-Werkstück gänzlich spröde, sobald die Spannung im Material einen kritischen Punkt überschreitet. Dabei entwickelt sich kaum Wärme. Deshalb kann die Schnittgeschwindigkeit problemlos auf hohe Werte gesteigert werden, sobald die übrigen Parameter des Prozesses feststehen. Zu beachten sind hierbei natürlich die Steifigkeit von Maschine und Aufspannung sowie die Vermeidung von Schwingungen.

Bauteile für zahlreiche Hightech-Branchen

„Im Flugzeugbau besteht ein großer Bedarf an CFK-Bauteilen, die mithilfe validierter Verfahren erzeugt wurden“, sagt Dr. Peter Müller-Hummel, Component Manager Aerospace and Composites bei Mapal. Vor allem im Innenraum von Passagierflugzeugen gebe es zahllose Bauteile mit mittleren bis geringen Sicherheitsklassifikationen wie Sitzbefestigungen oder Kabelhalter beziehungsweise Rohrdurchführungen. Diese müssen im Laufe der Entwicklung und Erprobung eines neuen Luftfahrtgeräts häufig angepasst werden, wodurch sich ein großer Bedarf an Bauteilen in kleineren Stückzahlen ergibt. Darüber hinaus sieht Müller-Hummel auch in zahlreichen weiteren Branchen wie der Automobilindustrie, dem Maschinenbau oder der Medizintechnik einen hohen Bedarf an Kleinstserienteilen, für die sich das EPRATEX_CFS 100 Plattenmaterial eignet.

Erfolgreiche Partnerschaft

„Mit Mapal gab es schon seit Jahren Kontakte und erfolgreiche Kooperationen bei der Lösung unterschiedlichster Aufgabenstellungen“, erinnert sich Wulf Wagner. Somit habe es eine solide Vertrauensbasis gegeben. Auch diesmal sei es nach der ersten Kontaktaufnahme schnell gegangen: Innerhalb von nur zwei Wochen habe Mapal entschieden, das Projekt nicht nur anzugehen, sondern ihm auch hohe Priorität einzuräumen. Auf der Arbeitsebene klappte die Kommunikation mit den verschiedenen Fachabteilungen und den dortigen Mitarbeitern auf Anhieb sehr gut. Das angestrebte Ziel ist in der erfreulich kurzen Zeit von nur zweieinhalb Monaten erreicht worden. „Deshalb werden wir bei künftigen Entwicklungsvorhaben sicherlich wieder dort anklopfen“, bilanziert Wulf Wagner.

Mapal Dr. Kress KG
www.mapal.com

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