Optimierte Späneerfassung bei der Bearbeitung von Faserverbundkunststoffen

Hybrides Hydrodehnspannfutter

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Die Bearbeitung von Faserverbundkunststoffen wie CFK und GFK erfordert insbesondere in der Serienbearbeitung Hightech-Werkzeuge. Hierbei gilt es Delaminationen oder Faserüberstände am Bauteil sowie thermische Schäden zu vermeiden. Gühring bietet hierfür schon erprobte Werkzeuge, die aber – limitiert durch Maschinenleistung und Absaugung – in vielen Fällen nicht die volle Leistung ausspielen können. Auch hierfür gibt es eine Lösung. Autoren: Christian Gauggel und Jasmin Herter, Gühring

Für die Bearbeitung von FVK sind immer spezialisierte Werkzeuggeometrien notwendig. Mit diesen können Spanabfuhr und Späneerfassung positiv beeinflusst werden. Essenzielle Faktoren dabei sind Spannutgestaltung, Oberflächenqualität, Beschichtung sowie Schneidenlänge und sich daraus ergebende Spangröße.

Die angepasste Makro- und Mikrogeometrie der Gühring-Werkzeuge ermöglicht damit auch bei komplexen mehrlagigen 3D-Gewebestrukturen das zuverlässige Trennen aller Faser-, Hilfsfaser- und Matrixanteile ohne Überstände – unabhängig der Faserausrichtung. Auch beim Thema Kühlung bietet Gühring Lösungen zur optimalen Versorgung der Werkzeuge mit verschiedenen MQL-Systemen an. Insbesondere in diesem Bereich halten immer mehr additiv gefertigte Bauteile und Produkte Einzug, die gleichzeitig Maschinenprobleme in puncto Absaugung und thermischer Belastung lösen können.

Probleme der FVK-Fräsbearbeitung

Bei der Bearbeitung von Faserverbundkunststoffen stellen vor allem die starke Staubkontamination in der Maschine sowie die thermische Belastung für Fräswerkzeuge und Bauteil ein Problem dar. Eine bekannte Lösung hierfür sind Werkzeuge mit rückwärts gerichteten Kühlkanälen, wodurch durch verbesserte Spanabfuhr die Bearbeitungstemperatur auf die Hälfte reduziert werden kann. Zudem sinkt der Aufwand zur Bauteilreinigung erheblich.

Einige Anwendungsfälle sind hier allerdings ausgeschlossen: Zum Beispiel wenn eine werkzeugnahe Absaugung wegen Störkonturen nicht möglich ist, die Erfassungsrate nicht ausreichend oder die Richtung des Spänestrahls variiert zum Beispiel beim Besäumen von Bauteilen.

Das Entwicklungsziel von Gühring war primär die Erhöhung der Produktivität, ermöglicht durch die Evakuierung von Spänen und Staub aus der Zerspanzone, was eine Mehrfachzerspanung verhindert sowie die Abfuhr der Prozesstemperatur begünstigt und den Reinigungsaufwand reduziert. Durch die Senkung der Bearbeitungstemperatur können folgend die Schnittgeschwindigkeiten und die Vorschüben erhöht werden.

Somit war also klar, dass die Abfuhr der Späne und des Staubes und damit auch die Abfuhr der Wärme aus der Zerspanzone die gesuchte Leistungssteigerung bringen kann. Da alle weiteren Maschinenbedingungen wie Absaugung, Kühlung oder Aufspannung nicht verändert werden sollten, kam nur ein adaptives System zur Unterstützung der Absaugung in der Zerspanzone infrage. Folgende Randbedingungen galt es zu beachten: Die Nutzung der vorhandenen Maschinentechnik, möglichst keine geometrische Einschränkung bei der Bearbeitung, konstante Werkzeugkosten und keine sonstige Einschränkung der Produktivität.

Lösung: Ein additiv gefertigtes Werkzeugspannsystem

Da es für die vorliegenden Anwendungen am Markt keine passenden Systeme gab, entwickelte Gühring ein Hydrodehnspannfutter mit eben diesen Eigenschaften: adaptierbar, richtungsunabhängig, mit aktiver Unterstützung der Spanabfuhr, ohne nennenswerte Störkontur. Für die Entwicklung wurde eine Simulationsumgebung definiert, in der verschiedene Konstruktionen auf die Strömungsgeschwindigkeit hin untersucht wurden.

Die Wahl fiel auf ein additives Fertigungsverfahren, das eine große Gestaltungsfreiheit mit sich brachte. Mittels Computational Fluid Dynamics (CFD)-Berechnungssoftware wurden entsprechende Untersuchungen durchgeführt. Ziel war die Erzeugung eines Luftstromes mit einer Geschwindigkeit von 20 bis 25 m/s vor dem Spannfutter, was der Geschwindigkeit im Ansaugstutzen einer entsprechenden Absaugung entspricht.

Nach der Festlegung der benötigten Geometrie des Spannfutters fiel die Wahl auf ein additives Fertigungsverfahren, das eine große Gestaltungsfreiheit mit sich brachte. Mittels additivem Verfahren wurden Muster erzeugt, die dann auf einem Prüfstand – angepasst an die Randbedingungen der Berechnung – untersucht wurden.

Die Ergebnisse wurden mit der CFD-Simulation abgeglichen, um diese weiter zu detaillieren. Nachdem die Abweichung zwischen Simulation und Messung am Prüfstand im Rahmen der Messtoleranzen lag, also nicht mehr messtechnisch zu erfassen war und die benötigte Luftgeschwindigkeit vor dem Futter erreicht wurde, konnten die ersten Futter für Zerspanversuche hergestellt und im Gühring-eigenen Versuchsfeld getestet werden.

Besonders genau betrachtete Entwicklungsdetails waren hierbei die Optimierung der Einströmöffnung, der Abrisskante am Umfang zur Lärmreduzierung und des Luftstromes zum definierten Auswurf der Späne. Am Ende der Entwicklung stand ein additiv gefertigtes Werkzeugspannsystem mit Sogeffekt, das die bei der Zerspanung entstehenden Späne und Stäube nach oben absaugt und beispielsweise in den Luftsog einer Querstrom-Raumabsaugung einleitet. Das Hydrodehnspannfutter ermöglicht einen Betrieb je nach Spanndurchmesser von 12 000 bis 20 000 Umdrehungen.

Hybrides Fertigungsverfahren

Für die Herstellung kam ein hybrides Verfahren aus konventioneller und additiver Fertigung zum Einsatz. Dies ermöglichte eine wirtschaftliche Fertigung der Komponenten und stellte Maßgenauigkeit sowie geringe Rundlauftoleranzen sicher. Die Entwicklungsaufgabe hierbei war ein Vorrichtungssystem zur genauen Positionierung und Ausrichtung der konventionell gefertigten HSK-Stümpfe im 3D-Drucker.

Mit den so erzielbaren Freiheitsgraden bei der Gestaltung der Geometrie der Absaugeinrichtung wird ein hoher Luftstrom erzeugt, welcher neben einer Abreinigung der Bauteiloberfläche in der Bearbeitungszone auch die Temperaturen erheblich senkt. Hinter der Turbine ist das Bauteil quasi staubfrei. So können entweder die Bearbeitungstemperaturen gesenkt oder bei gleichem Temperaturniveau Bearbeitungsgeschwindigkeiten um 10 bis 30 Prozent gesteigert werden.

Gühring KG
www.guehring.com


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