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Composites schneller fräsen und bohren

Nicht nur in der Automobil- und Flugzeugindustrie nimmt der Einsatz carbonfaserverstärkter Verbundwerkstoffe (CFK) stetig zu, der hohe Reifegrad dieser Werkstoffe wird auch vermehrt in der Sportartikelindustrie, im Maschinenbau oder Consumerbereich genutzt.

Um Bearbeitungsoperationen an CFK-Bauteilen produktiv ausführen zu können, wurden neue Zerspanwerkzeuge für hohe Vorschubgeschwindigkeiten entwickelt.

WILM-HENNER NIEMEYER 

 

 

CFK-Werkstoffe werden in Handwerksbetrieben und in Schreinereien für den Innenausbau immer mehr Anwendungen finden. Schon heute erfreuen Bauteile aus Sichtcarbon – bestehend aus CFK-Gelegen mit einer oberen Gewebelage und glanzpolierter Epoxidauflage – den Betrachter in dekorativen Anwendungen, ohne dass die Leichtbaueigenschaften im Vordergrund stehen. Im Möbelbau sind verstärkt Applikationen als Friese im Kontrast zu natürlichen Holzoberflächen oder lackierten Oberflächen denkbar. Damit die moderne Anmutung dieser Oberflächen nicht beeinträchtigt wird, sind glatte Schmalflächen herzustellen. Ähnlich wie bei den faserbasierten Holzwerkstoffen muss auch bei Carbonfaser-Materialien eine saubere Abrisskante erzeugt werden. Neben der CFK-Faserstruktur bereitet die Abrasivität der Carbonfasern den Schneiden ein großes Problem: Sie müssen scharf sein und bleiben, um die geforderte Bearbeitungsqualität zu erzeugen. Durch die Carbonfasern jedoch werden sie schnell stumpf. Leistungsfähige Fräs- und Bohrwerkzeuge sind notwendig, die eine kurze Bearbeitungszeit benötigen und über eine wirtschaftliche Standzeit verfügen.

 

Große Herausforderung für die Zerspanwerkzeuge


Die Bestandteile duroplastischer Verbundwerkstoffe, insbesondere die Glas- und Carbonfasern, wirken hochgradig schneidkantenverschleißend, sodass zur Bearbeitung bevorzugt Werkzeuge mit Diamantbeschichtung und polykristallinem Diamant (DP) als Schneidstoff verwendet werden. Der Präzisionswerkzeughersteller JSO stattet die Werkzeuge für die verschleißintensive Composite-Bearbeitung mit DP-Sorten und Diamantbeschichtungen aus, die auf Basis spezieller Eignungstests ausgewählt werden. Einen großen Einfluss auf den Verschleiß hat die Beschaffenheit des CFK-Materials, insbesondere dessen Herstellung und die damit verbundene Packungsdichte, Welligkeit der Lagen und Porosität. Je dichter und homogener das CFK-Bauteil verpresst ist, umso besser lassen sich die Vorteile des Schneidstoffs DP wirtschaftlich nutzen. Der Verschleiß findet vorzugsweise an der Freifläche statt, die Schneidkante bleibt dabei relativ scharfkantig.


Eingesetzt werden Fräswerkzeuge in der CFK-Bearbeitung zum Beispiel bei der CFK-Herstellung, um die Randstreifen abzutrennen, oder beim Formatieren von Bauteilen auf die Endkonturmaße. Aber auch Arbeiten wie das Nut- und Falzfräsen, Taschen- und Lichtausschnittfräsen werden diesen Werkzeugen abverlangt. Zur Erhöhung der Einsatzflexibilität und Verringerung der Taktzeiten werden die DP-Besäumschnittfräser mit einer Einbohrfähigkeit ausgestattet. Bei konstanten Z-Einstellmaßen zur Bauteilkante empfiehlt sich der Einsatz eines DP-Dualschnittfräsers. Es obliegt der Frässtrategie im Hause des CFK-Bearbeiters, die beidseitig von den Bauteiloberflächen ziehend zum Materialkern hin schneidenden DP-Schneidkanten für eine delaminations- und faserausrissfreie Schnittqualität zu nutzen. Steht eine hohe Schnittqualität im Vordergrund, liefert sie der optimierte DP-Dualschnittfräser. Nachteilig ist bei dreidimensional geformten Bauteilen das notwendige Nachführen der Z-Achse, sodass der Anwender oft auf alternative Fräser ausweicht.

 

Composites treffen sich mit 5-Achs-Bearbeitung


Bei der 5-Achs- Bearbeitung auf einem BAZ und der robotergeführten Werkzeugbewegung müssen oft lange Werkzeugauskraglängen zur Verfügung stehen, um die Schnittebenen zu erreichen. Realisiert wird dies mit schlanken Werkzeuggeometrien und Adaptern. Damit Schwingungen an den DP-Schneidkanten nicht zum Ausbrechen und zu unebenen CFK-Schnittflächen führen, werden dämpfende Schaftmaterialien (mehrteilige, fugendämpfende Systeme) zur Erzeugung einer guten Schnittqualität eingesetzt, vor allem aber auch vibrationsreduzierende Spannzeuge wie Hydrodehnspannfutter und das Preziso-Spannzeug. Diese dämpfungstechnisch abgestimmte Gestaltung von Werkzeug und Spannzeug erfolgt bei großen Schnitttiefen ap zur Vermeidung von Rattermarken.


Die Auswahl des richtigen Werkzeugs und das Erreichen der gewünschten Bearbeitungsziele wie Schnittqualität, Schnittverlust, Standzeit und Vorschubgeschwindigkeit erfordert zunächst eine Materialcharakterisierung. Diese sollte unterstützt werden durch Herstellerangaben zur Materialspezifikation und darauf abgestimmte Zerspanungsversuche. Aus mehreren geeigneten Werkzeugen ist das auszuwählen, das die Zielgrößen am besten erfüllt. Die Materialzusammensetzung wie Dichte, Kompaktheit, Porengehalt oder Faserorientierungen, vor allem aber die ausreichende äußere Harzabdeckung der Wirkfäden und Faserbündel entscheiden mit Randbedingungen, wie der festen Bauteilverankerung auf dem Maschinentisch, über den Zerspanerfolg des Werkzeugs. Über die Eindringkraft eines Bohrwerkzeugs in das Werkstück, gemessen auf einem Bohrprüfstand mit Vorschubkraftmessung, lässt sich die Zerspanbarkeit des CFK-Materials schnell beurteilen und quantifizieren. Als materialvergleichende Kenngröße kann die maximale, über mindestens fünf Bohrversuche gemittelte Vorschubkraft dienen. Diese Kenngröße liefert je nach CFK-Beschaffenheit signifikante Unterschiede hinsichtlich der Zerspanbarkeit. Das hochwertige Flugzeug-CFK bewirkte im Vergleichsversuch die höchsten Vorschubkräfte.

 

Mehr Vorschub für mehr Produktivität


Für nicht konstante Werkzeugschnittebenen stehen die neuen, breiter einsetzbaren Diatec-4-Quatto-Fräser mit Durchmesser 8 mm zur Verfügung, die einbohrfähig sind und mit Vorschubgeschwindigkeiten von vf= 6 bis 8 m/min für kurze Taktzeiten sorgen. Bei größeren Durchmessern sind die Vorschübe entsprechend höher. Jedoch sind größere Werkzeugdurchmesser, wie sie in der Holzwerkstoffzerspanung Einsatz finden, bei der CFK-Bearbeitung nicht erwünscht – unter anderem wegen Vorrichtungen mit ihren Spannsystemen und Niederhaltern. Je nach Härte und Beschaffenheit des CFK-Bauteils und den geforderten Schnittqualitäten liegen die Werkzeugstandwege zwischen 50 und 1 000 m. Das gute Spannen der Bauteile nutzt der DP-Schneidkante ebenso wie die schneidstoffgerechte Programmierung, denn größere Bauteilschwingungen und Querschnittsprünge verkraftet die DP-Schneide nicht. Wird dies berücksichtigt, können die DP-Werkzeuge Zahnvorschübe und Vorschubgeschwindigkeiten leisten, wie es kein anderer Schneidstoff mit langen Standwegen schafft. So arbeiten die teuren Bearbeitungszentren produktiver. Der Durchsatz in der Fertigung wird erhöht. Der Zerspanprozess ist wegen der Schnittigkeit der DP-Schneiden lärmreduziert. Und der Feinstaubanteil sinkt, da die Zahnvorschübe zum Beispiel gegenüber Raspelfräsern mit Pyramidalverzahnung erhöht werden können. Dass die DP-Werkzeuge nachschärfbar sind und der Tragkörper mit DP-Schneidplatten neu bestückt werden kann, trägt zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des hochwertigen Fräs- und Bohrwerkzeugs bei. Außerdem kann der Anwender die Effizienz des Zerspanprozesses so beeinflussen, dass die Schneidkante nicht zerstört wird. Zu den Maßnahmen gehören die einsatzoptimale Auswahl des Spannzeugs und das vollständige Einspannen des Werkzeugschafts im Spannzeug über die Mindesteinspannlänge hinaus.

 

Profilfräsen als High-End-Bearbeitung


Die Gestaltungsfreiheit von Hartmetallwerkzeugen mit der Stabilität von Diamantschneiden in einer feinzerspanenden Anwendung für die CFK-Bearbeitung zu kombinieren, ist der im Forschungsprojekt CarAdT entwickelte Ansatz der DP-HW-Hybridfräser. Bei diesen Fräswerkzeugen wurde die Integration verschiedener Schneidstoffe sowie von Vor- und Nachfräsvorgängen für verschiedene Bearbeitungsoperationen in einem Fräswerkzeug verwirklicht. An dem Hybridwerkzeug übernehmen zahlreiche kleintrennend wirkende diamantbeschichtete Hartmetallschneiden die Vorfräsarbeit, die DP-Profilschneiden sind für die Finish-Bearbeitung der Schnittfläche verantwortlich. Durch die Profilierung der DP-Schneiden wird eine weiche, das heißt flache Anfasung an den Schnittkanten ermöglicht.


In der Holzverarbeitung wird dieses Profilfräsverfahren als Abplatten bezeichnet. Da diese Form der Profilgestaltung zu einer hervorragenden Schnittqualität an faserbasierten Werkstoffen führt, wurde die Geometrie des abplattenden Werkzeugs auf die CFK-Fräswerkzeuge mit kleinem Durchmesser übertragen. Durch das Abplatten werden sowohl die Wirkfäden im CFK-Material als auch die nicht kompakt verpressten Kohlenstofffasern im oberflächennahen Bereich wirksam getrennt. Auch die Verletzungsgefahr bei der Berührung der Schnittkanten mit den Händen wird durch diese Profilierung erheblich verringert. Nicht zuletzt besitzt die Variationsvielfalt bei den Profilgeometrien, die mit dieser Gattung Hybrid- Kombiwerkzeuge abgedeckt wird, ein großes Potenzial zur Lösung bauteilspezifischer Zerspanungsaufgaben. Durch eine anwendungsbezogene Werkzeuggestaltung lassen sich die Zielgrößen Schnittqualität, Bearbeitungszeit und gefräste Bauteilmenge erreichen.


Diesem Beitrag liegenden Arbeiten zugrunde, die gefördert wurden über den Projektträger Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Produktion und Fertigungstechnologien (PTKA-PFT) im BMBF-Forschungsprojekt CarAdT ‚Übertragung und Anwendung der HSC-Werkzeugtechnologie auf die Fräsbearbeitung von CfK-Laminaten‘, Förderkennzeichen: 02PK2259.

www.jso.de

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