Walter Luftfahrt Vibrationsbohren CFK Titex

Vergleich bei einem CFK-Ti-Stack: Bohren ohne Vibration (li.) - Vibrationsbohren. Beim konventionellen Bohren entsteht in der Ti-Schicht deutlich mehr Wärme. Das CFK-Schnittbild (Quelle: IWT Bremen) zeigt außerdem eine durch die Metallspäne ausgewaschene Oberfläche. Das Vibrationsbohren hingegen hinterlässt im CFK eine glatte, tadellose Oberfläche. - Bild: Walter AG, IWT Bremen

In der Flugzeugindustrie werden viele Rumpf- und Flügelteile aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) gefertigt. Eine typische Aufgabe ist das Bohren von Nietlöchern. Die filigranen Kohlenstofffasern mit dem Bohrer zu durchtrennen ist aber nicht einfach, denn die Neigung zu Ausrissen ist in den meisten Fällen groß, so Walter, außerdem wirken die Fasern stark abrasiv, weshalb die Schneiden schnell verrunden.

Die Herausforderung steige bei Werkstoffverbunden, so genannten Stacks kombiniert aus CFK- und Metalllagen. Denn während eines Bohrvorganges trifft das Werkzeug auf unterschiedliche Materialeigenschaften. Die engen Durchmessertoleranzen (meist um 40 µm) für alle Materialschichten einzuhalten, sei schwierig. Als zielführende Technik habe sich das Vibrationsbohren erwiesen. Dabei wird die herkömmliche Vorschubbewegung mit einer oszillierenden Bewegung in Vorschubrichtung des Bohrwerkzeuges überlagert. Der Bauteilhersteller montiert dafür eine Vibrationseinheit an die Spindel seines Bearbeitungszentrums.

Das Ziel der Technik besteht laut Walter darin, mit Hilfe der Längsschwingungen des Werkzeuges kurze Metallspäne zu erzeugen ohne dabei die Prozesszeit zu erhöhen. Durch die Oszillation befindet sich das Werkzeug nicht permanent im Schnitt, wodurch ein Spanbruch erzwungen wird. Das ist notwendig, da lange Späne beim Transport durch die Wendelnuten des Bohrers an der CFK-Bohrungswandung reiben und diese gegebenenfalls auswaschen. Aber es gibt noch einen weiteren Aspekt: „Die Verformungsenergie und damit die Temperatur steckt hauptsächlich im Span. Kurze Späne werden optimal abgeführt, wodurch sich die Prozesstemperatur halbiert“, sagt Stefan Benkóczy, Aerospace Component Manager Walter. Dadurch werde vor allem die Matrix des Verbundwerkstoffes geschont und der Diffusionsverschleiß am Werkzeug minimiert. „Das Vibrationsbohren steigert die Bauteilqualität. Ebenso erhöhen sich die Standwege der Werkzeuge bei gleichbleibender Prozesszeit“, so Benkóczy

Um beste Ergebnisse zu erhalten, seien sämtliche Prozessparameter sorgfältig abzustimmen. Die Zahl der Stellschrauben ist verhältnismäßig groß: Schnittwerte, Vibrationsfrequenz, Amplitude, Kühlung des Werkzeugs und Geometrie. Bei den üblichen mechanischen Vibrationseinheiten hängt die Schwingfrequenz des Bohrers auch noch von seiner Drehzahl ab. Besondere Bearbeitungstechniken erforderten besondere Werkzeuglösungen. In der Regel sind die sehr harten Diamantschneidstoffe für diese Anwendung zu spröde. Die Lösung von Walter für das Vibrationsbohren ist der Titex VFT1A. Zu den Key-Features des Bohrers zählen vier Führungsfasen, die ihn sicher auf Kurs halten, gerade bei unterschiedlichen Werkstoffschichten, heißt es. Eine Aluminium-Chrom-Nitrit-Beschichtung schütze ihn vor schnellem Verschleiß. Seine inneren Kühlkanäle sind für die Minimalmengenschmierung ausgelegt. „Das Vibrationsbohren in Werkstoffverbunden erhöht die Prozesssicherheit. In Kombination mit einer Automatisierung ist das Vibrationsbohren eine sehr wirtschaftliche Alternative zum konventionellen Bohren. so Stefan Benkóczy weiter.