Herausforderung: Zerspanung von Composites und Multimaterialien

Dr.-Ing. Peter Müller-Hummel zur Zerspanung von Composites und Multimaterialien
Autor: Dr.-Ing. Peter Müller-Hummel

Verbundwerkstoffe aus Kohlefasern und Titan zu zerspanen, ist eine kniffelige Aufgabe. Aber wenn man die Prozesstheorie und die Materialeigenschaften verstanden hat, wird diese Problematik lösbar.

 

Aktuelle Luftfahrtprogramme, wie der Airbus A350, MS21, Boeing 787 oder die C-Serie von Bombardier verwenden hauptsächlich Strukturbauteile aus Composite Materialien. Neue Strategien sind allerdings nötig, wenn diese Bauteile mittels Zerspanung bearbeitet werden sollen: Vermeintlich gute Erfahrungen aus der Metallzerspanung können dafür nicht ohne weiteres auf die Compositebearbeitung übertragen werden. Aufgrund der grundsätzlich verschiedenen Materialeigenschaften von Metallen und Verbundwerkstoffen gehen damit neue Anforderungen an Werkzeug und Bearbeitungsmaschine einher.

Unterscheidung: Bearbeitung von Metall und Composite-Materialien

Physikalische Unterschiede bei der Bearbeitung von Metall und Composite-Materialien
Tabelle: Physikalische Unterschiede bei der Bearbeitung von Metall und Composite-Materialien

 

In circa 9% aller Bearbeitungen wurde die Kombination von Bohren und Fräsen in Form von Zirkular- oder Orbitalfräsen eingesetzt. In diesen Fällen konnten die Vorteile des Fräsens hinsichtlich Axialkräften und geringster Gratbildung für das Bohren genutzt werden. Metalle verhalten sich homogen, weisen in der Regel eine hohe Hitzebeständigkeit auf und besitzen keine Faserstrukturen mit unterschiedlicher Festigkeit und Härte. CFK-Materialien sind von gänzlich anderer Beschaffenheit. Metalle versagen elastisch/plastisch. Composites dagegen brechen elastisch spröde. Dieses lässt sich auch physikalisch berechnen. Während Zerspanung der Metalle mit der Formel der Kontinuumsmechanik beschrieben werden kann, versagen Composites durch einen Bruch. Composites verbiegen sich und brechen wie trockene Spaghetti und versagen nach den Regeln der Bruchmechanik.

Fräsen von Composite-Materialien

In einer Versuchsreihe wurden die unterschiedlichen physikalischen Verhalten der Materialien bei der Bearbeitung von CFK, Metall und deren Verbundmaterialien (Stacks) untersucht und verifiziert. Hierzu wurden Aluminium 7050, Titan TiAl6V4 und CFK (IM-M21E) sowohl gefräst als auch gebohrt. Das CFK aus der Versuchsreihe war ausschließlich aus uni-direktional liegenden Fasern (UD-Lagen in einer Richtung) aufgebaut. Der entwickelte theoretische Ansatz für die mechanische Bearbeitung von CFK wurde anhand dieser UD-Platten experimentell verifiziert. Das Ergebnis ist im Schaubild (unten) zusammengefasst und beschreibt die wesentlichen Unterschiede der Metall- bzw. CFK-Bearbeitung.

Bohren von CFK-Materialien

Prozessmodelle eignen sich dazu, einen komplexen Sachverhalt in die wesentlichen Bestandteile aufzuteilen und diese dadurch besser diskutieren zu können. Analoge Erkenntnisse bekannter Technologen unterstützen das Prozessverständnis und beschreiben es mathematisch. Beispielsweise ist der geeignete Spitzenwinkel des CFK-Bohrers noch immer im Fokus ausführlicher Tests. Versuche haben gezeigt, dass generell ein kleiner Spitzenwinkel für das Bohren von Composites zu bevorzugen ist.

Bohren von CFK-Aluminium-Titan-Stacks

Üblicherweise erfolgt der Bohrungseintritt im CFK-Material, danach wird durch Titan gebohrt. Für diesen Fall kann die Bohrergeometrie auf die Span- und Gratbildung hin optimiert werden. Mit Hochdruckkühlung und gerade genuteten Werkzeugen wurden die besten Ergebnisse erzielt. Unter MMS oder gar trockener Bearbeitungen mit niedrigen Geschwindigkeiten und hohen Vorschüben, wie sie auf halbautomatischen Anlagen Standard sind, erzielen dagegen spiralgenutete Werkzeuge bessere Ergebnisse in Sachen Spanbildung und Spanabfuhr. Um eine optimierte Werkzeugstandzeit und Prozessleistung zu erreichen, sollten die Bearbeitungsbedingungen an die Anforderungen des jeweiligen Werkstückmaterials angeglichen werden. Um die Spangröße zu reduzieren, wurde die Stottervorschub-Strategie (Pecking/Hiccup) erfolgreich getestet.

 


Autor: Dr.-Ing. Peter Müller-Hummel

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