Mit Schwung und Kälte durch CFK

Kyrogen im Kommen: Trockenbear-beitung mit Stickstoffkühlung bei der CFK-Zerspanung steigert Produktivität und Werkzeugstandzeiten dank kühlerer Schneiden.

Die Bearbeitung von faserverstärkten Kunststoffen ist schwierig, besonders bei CFK-Metall-Verbünden. Kompromisse sind selten optimal, jeder Anwendungsfall sollte gesondert betrachtet werden.

von Michael Pyper

MÜHLTAL (sm). Wichtigstes Einsatzgebiet für Verbundwerkstoffe und Materialverbünde ist derzeit der Flugzeugbau. Im Wesentlichen drei verschiedene Verbundwerkstoffe kämen zum Einsatz, wie Dr.-Ing. Hilmar Apmann, Leiter Konzepte und Technologie-Entwicklung bei Premium Aerotec in Varel, beschreibt: „Neben Verbundwerkstoffen mit Kohle- oder Glasfasern (CFK/GFK) ist es Glare, ein hybrider Werkstoff aus Aluminium und Glasfaser.“ Für CFK spreche die sehr hohe Festigkeit bei extremer Beanspruchung, dagegen hohe Materialkosten und aufwändige Verarbeitung. Das bestätigt Prof. Dr.-Ing. Frank Barthelmä, Geschäftsführer und Institutsleiter der GFE – Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e.V.: „CFK ist überall dort gefragt, wo Leichtbau im Vordergrund steht, wo es um Varianten- und Formenvielfalt der Bauteile und Produkte geht.“ Die zugegeben schwierige Bearbeitbarkeit spreche nicht gegen den Einsatz.

Bei Mapal Präzisionswerkzeuge Dr. Kress KG in Aalen wollte man es genau wissen: Wie sieht die ideale Bearbeitung von CFK und CFK-Metall-Verbünden aus? „Metalle verhalten sich homogen, sind in der Regel hitzebeständig und versagen elastisch/plastisch. CFK-Materialien weisen hingegen Faserstrukturen mit unterschiedlicher Festigkeit und Härte auf, Composites brechen elastisch spröde“, fasst Dr. Peter Hummel, Leiter der Geschäftseinheit ‚Aerospace & Composites‘, zusammen.

„Außerdem lässt sich die Temperaturentwicklung in einem CFK-Bauteil nicht unbedingt vorhersagen, hier bin ich zumeist auf Versuche angewiesen“, ergänzt Prof. Barthelmä. Weshalb der Kühlung besonderes Augenmerk geschenkt werden müsse, zumal nicht mit Überflutungskühlung gearbeitet werden könne. Da kommt eine neue Werkzeugkühlung gerade recht, die der Werkzeugmaschinenhersteller MAG, Göppingen, zusammen mit der Walter AG, Tübingen, entwickelt hat. Das System basiert auf Flüssigstickstoff, der direkt durch Spindel und Werkzeug zur Schneide transportiert wird. Deutliche Produktivitätssteigerungen und längere Werkzeugstandzeiten würden dadurch erzielt.

Fräsen: Metalle im Gleich‑, CFK im Gegenlauf

Während bei Metallen standardmäßig das Gleichlauffräsen eingesetzt werde, eigne sich für CFK mit unidirektional liegenden Fasern das Gegenlauffräsen besser, erklärte Mapal-Experte Peter Hummel kürzlich auf einem ‚Internationalen Metav-Presseforum“ in Mühltal bei Darmstadt. Grund: „Beim Gleichlauffräsen verläuft der erzeugte Riss senkrecht in die Oberfläche, beim Gegenlauffräsen jedoch in der Richtung des Vorschubs, was den Materialabtrag unterstützt.“ Beim Gleichlauf könnte zudem Staub in die Oberflächenrandzone gepresst werden. „Beim beim Gegenlauffräsen kann der Staub auf der gegenüberliegenden Seite entfernt werden“, so Dr. Hummel. Ein weiterer Aspekt pro Gegenlauf sei die Temperatur, da „beim Gegenlauffräsen die Schneidkante gekühlt werden kann.“

Schwierig sind die Verhältnisse auch beim Bohren von Schichtverbünden – meist CFK‑Titan ‑, wie sie heute in der Luftfahrtindustrie zunehmend für stark beanspruchte Strukturkomponenten eingesetzt werden. Aus Kostengründen würde bei dreidimensional belasteten Strukturen weiterhin Aluminium verwendet. Dr. Hummel: „Beim Verbinden dieser Materialien ist das Nietverfahren dominierend. Folglich ist das präzise, gleichzeitig produktive und wirtschaftliche Bohren aller Materialien mit ihrer sehr heterogenen Bearbeitbarkeit von sehr hoher Bedeutung.“ Aufgrund der teilweise schwierigen Zugangsverhältnisse müssten zudem unterschiedlichste Verfahren eingesetzt werden, von stabilen Werkzeugmaschinen bis labilen Handbohrern – bei Toleranzvorgaben zwischen H10 und H7.

Mapal setze Prozessmodelle ein, um den komplexen Sachverhalt in die wesentlichen Bestandteile aufzuteilen. Die Modelle zeigten, dass für das Bohren von Composites „generell ein kleiner Spitzenwinkel zu bevorzugen ist“. Zwischen den Rovings befinde sich ausschließlich Matrixwerkstoff mit wesentlich geringerer Festigkeit. „Unter der Belastung durch den Spitzenwinkel des Bohrers kann beim Durchbohren der letzten Randschichten ein Bruch entlang dieser Matrixschicht mit niedrigem Faseranteil erfolgen. Wird jedoch ein kleinerer Spitzenwinkel verwendet, verringert sich das Reaktionsmoment und damit das Risiko der Delamination. Noch komplizierter wird die Sache bei CFK-Metall -Verbünden, da das Bohren in CFK und Metallen eigentlich komplett unterschiedlich ausgestaltete Werkzeuggeometrien erfordere. Kompromisse führten nicht zum Optimum. Hummel empfiehlt vielmehr, „sich auf die kritischen Qualitätsstandards zu konzentrieren, die je nach Bearbeitungsprozess variieren“.