Beim Bohren von Verbundwerkstoffen, die zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften enthalten, wird der Faseranteil des Materials durchtrennt oder gebrochen. Dabei können sich Schichten des Verbundwerkstoffs ablösen. Dieser als Delamination bekannte Fehler ist nach Aussage von Sandvik-Coromant-Kunden eine der schwierigsten Herausforderungen in der Produktion. Delamination wirkt sich auf die Präzision und Wiederholbarkeit der Bohrungen, die Qualität und Intaktheit des Endprodukts und damit auf den Gewinn aus. Vor allem die Intaktheit des Bauteils wird stark von Bearbeitungs- oder Nachbearbeitungsprozessen bestimmt, weshalb eine hohe Qualität der Bohrungen entscheidend dazu beiträgt, Bauteildefekte zu vermeiden. Ebenfalls ein wichtiger Faktor ist die Wärme bei der Bearbeitung: Die schlechte Wärmeleitung des Materials und das Fehlen von Spänen bedeuten ein Risiko für das Harz, das die Fasern des Materials zusammenhält.
Vorhersagbarer Verschleiß
Ein Drittel der Befragten der „Voice of the Industry 2020“-Studie will seine Investitionen in Automatisierungstools beschleunigen. Das bedeutet: Bohrungen müssen künftig auch in unbemannten Produktionsszenarien korrekt gefertigt werden. Daher müssen Hersteller ihre Vorgehensweise beim Bohren von Verbundwerkstoffen oftmals überdenken. Wie können Werkzeuge dazu beitragen, diese Herausforderungen zu meistern? Könnte ein leistungsfähigerer Bohrer die Automatisierungsstrategie unterstützen?
Die Erwartungen der Hersteller sind klar: Bohrungen sollen hochwertig und wiederholbar sein. Natürlich nutzt sich jedes Werkzeug irgendwann ab, aber dieser Verschleiß muss gleichmäßig und vorhersagbar sein. Dies ist deshalb entscheidend, weil CNC-Maschinen normalerweise so programmiert sind, dass das Werkzeug zum Ausfallzeitpunkt herausgezogen wird. Ist der Lebenszyklus des Bohrers nicht konsistent, kann dies dazu führen, dass die Werkzeugstandzeit um bis zu 50 Prozent reduziert wird. Bei jedem einzelnen Werkzeug muss also garantiert sein, dass es unter allen Umständen eine vorhersagbare Zeit lang hält.
Optimiertes Design
Der von Sandvik Coromant entwickelte Hochleistungsbohrer Coro-Drill 863 eignet sich für Verbundwerkstoffe einschließlich kohlenstofffaserverstärkter (CFK) und glasfaserverstärkter (GFK) Materialien.
Bei der Entwicklung des spezialisierten Coro-Drill 863-O-Werkzeugs – das O steht für „composite only“-Anwendungen – hat Sandvik Coromant vor allem die Materialien berücksichtigt, die am anfälligsten für Delamination sind. Dieses sind etwa unidirektionales Laminat ohne Abreißgewebe oder gewebte Rückseite, das in der Luft- und Raumfahrt am häufigsten in Tragflächen und Flugzeugrümpfen verwendet wird. Um genau zu bestimmen, wie viel Delamination über die Standzeit hinweg auftritt, wurde das Ablösen der Schichten simuliert. Hierbei sind die Entwickler von sehr geringen Toleranzen ausgegangen, also von einem akzeptablen Maß an Delamination bei einer Bohrung.
Anhand der ermittelten Daten konnten sie das Werkzeugdesign optimieren: etwa den Steigungswinkel oder die Spiralnut des Bohrers. Eine etwas höhere Helix begünstigt die Spanabfuhr und kann so dazu beitragen, die Delamination an der Austrittsseite zu reduzieren. Eine zu hohe Helix kann allerdings Schichten des Verbundwerkstoffs auf der Eingangsseite voneinander trennen. In beiden Fällen kann dies dazu führen, dass Schichten oder Fasern über die Bohrung hinausragen.
Weitere wichtige Merkmale des Bohrers sind sein Profil und seine Sorte. Verbundwerkstoffe sind nicht homogen und jedes neue Material bringt – unter anderem aufgrund seiner Schichtdicke und seiner Zusammensetzung – neue Herausforderungen mit sich. Die Eigenschaften des Coro-Drill 863-O sind darauf ausgelegt, jedes Material zu bearbeiten.
Hartmetallbohrer eignen sich hierfür gut. Aufgrund der abrasiven Eigenschaft von Verbundwerkstoffen verschleißt jedoch auch Hartmetall schnell. Um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen, hat der Coro-Drill 863-O eine CVD-Beschichtung. Aufgrund des niedrigen Reibungskoeffizienten von CVD und der hohen Wärmeleitfähigkeit ist das Werkzeug weniger anfällig für Aufbauschneidenbildung. Da CVD scharf bleibt, führt es Wärme ab und hat eine geringe Reibung. Auch das minimiert Probleme.
Die erweiterte CoroDrill 863-Serie bietet Fertigungsunternehmen mit automatisierten Produktionseinrichtungen klare Vorteile – und das sowohl beim Einsatz in CNC-Maschinen als auch in Robotern am Fließband. Da die Bohrer in Hartmetall, in polykristallinem Diamant (PKD) und mit CVD-Beschichtung erhältlich sind, können sie für die unbemannte Bearbeitung aller Arten von schwer zerspanbaren Materialien eingesetzt werden: von Verbundwerkstoffen über Aluminium, Titan und hitzebeständigen Superlegierungen bis hin zu rostfreien Stählen.
Eignung in der Praxis
Die Leistungsfähigkeit des Coro-Drill 863-O wurde bei Bohrungen in einem Kohlefaserwerkstück getestet. Dabei wurden die Bohrungen in einem Bauteil mit einer durchschnittlichen Schichtdicke von 6,35 mm vorgenommen. In zwei unterschiedlichen Bohrdurchgängen wurde jeweils mit einem Coro-Drill 863-O und der Sandvik Coromant-eigenen CVD-Variante namens O1AD für verbesserte Verschleißfestigkeit in Verbundwerkstoffen zerspant. Zunächst wurde das Werkstück mit einem Bohrer mit einem Durchmesser von 6,37 mm bearbeitet. Zum Vergleich kam ein Werkzeug mit einem Durchmesser von 4,85 mm zum Einsatz. In beiden Durchgängen zeigte der Bohrer sehr gute Ergebnisse: Mit dem größeren Durchmesser (6,37 mm) konnten 400 Bohrungen, mit dem kleineren Durchmesser (4,85 mm) sogar 560 Bohrungen hergestellt werden.
Sandvik Tooling Deutschland GmbH
www.sandvik.coromant.com
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