CFK, Nassbearbeitung

Deutlich höhere Schnittparameter ermöglicht bei der CFK-Bearbeitung der Einsatz von speziellen Kühlschmierstoffen (KSS). Wichtig ist allerdings die sorgfältige Filtrierung des KSS. Bild: Rhenus Lub

Wer heute Fertigungsleiter ist, der hat einen harten Job: Immer rasanter verläuft die Entwicklung neuer technologischer Innovationen, immer komplexer werden die Bauteile und gleichzeitig muss der Fertigungsprozess absolut stabil sein. Da ist man froh, wenn man einen Prozess nach mühseliger Arbeit endlich fest im Griff hat und die Produktion stabil läuft.

Dann heißt das Motto oft: ‚Never touch a running system.‘ Auch wenn es der Fertigungsleiter nicht gern hört: Von dieser Denkweise gilt es, sich weitgehend zu verabschieden. Denn das Zukunftsmotto in der Welt der Industrie heißt ‚Beständig ist nur der Wandel‘.

Ein typisches Beispiel für eine liebgewordene und selten hinterfragte Gewohnheit ist die Trockenbearbeitung von CFK. Immer wieder wird darauf verwiesen, dass das Material schwer zu zerspanen ist und der Werkzeugverschleiß aufgrund der hohen Abrasivität des Werkstoffs und der hohen Temperaturen sehr hoch ist. Hohe Abrasivität schreit förmlich nach Schmierung und hohe Temperaturen schreien förmlich nach Kühlung. Ein Kühlschmierstoff sollte dann doch eigentlich selbstverständlich sein? Warum also wird CFK in aller Regel trocken bearbeitet?

Weil viele CFK-Zerspaner glauben, dass ein KSS in das Mate­rial eindringen kann und dadurch die Integrität des Bauteils gefährdet. Weitere Gründe nennt Dr. Markus Groppe, Product Manager beim Präzsionswerkzeughersteller Sandvik: „Bei der Trockenbearbeitung lassen sich Staub und Späne leichter absaugen. Zudem werden Thermoschocks am Werkzeug vermieden.“ Und Max Prem, Geschäftsführer bei WEMA Zerspanwerkzeuge, ergänzt: „Durch die Absaugung der Staubpartikel bei der Trockenbearbeitung werden die Führungen der Maschine geschont. Zudem würde der Kühlschmierstoff bei der Nassbearbeitung sehr schnell durch die CFK-Partikel verschmutzt werden. Dadurch wird er abrasiv und kann die Maschine beschädigen.“

Auch die Recherche bei vielen namhaften KSS-Anbietern scheint dieses Bild zu bestätigen: „Wir haben keinen Kühlschmierstoff für CFK, da das Material trocken bearbeitet wird“, hieß es.

Jürgen Schlindwein
"Die Nassbearbeitung von CFK ermöglicht gewaltige Effizienzsteigerungen und ich sehe dafür ein riesiges Potenzial", berichtet Dr. Hans Jürgen Schlindwein, Leiter Forschung und Entwicklung bei Rhenus Lub. Bild: Rhenus Lub

CFK wird also trocken bearbeitet und fast hätte sich der Redakteur schon damit zufrieden gegeben. Doch dann ergab ein Anruf bei dem Schmierstoffhersteller Rhenus Lub der Recherche doch eine überraschende Wendung: „Die Nassbearbeitung von CFK ermöglicht gewaltige Effizienzsteigerungen und ich sehe dafür ein riesiges Potenzial“, berichtet Dr. Hans Jürgen Schlindwein, Leiter F & E und Qualitätskontrolle Kühlschmierstoffe beim Schmierstoffhersteller Rhenus Lub.

Er bestätigt, dass es bei der Trockenbearbeitung zu einem sehr großen Wärmeeintrag in das Werkzeug und Werkstück komme. Dies führe dazu, dass die temperaturempfindliche Kunststoffmatrix angegriffen wird. Zum anderen erzeugen die abrasiven Fasern bei der Trockenzerspanung einen hohen Werkzeugverschleiß. Deshalb muss die Bearbeitungsgeschwindigkeit deutlich reduziert werden.

„Bei der Nassbearbeitung wird die Wärme dagegen zuverlässig aus der Schnittzone abtransportiert. Dies ermöglicht entweder deutlich höhere Werkzeugstandzeiten oder entsprechend höhere Schnittparameter. Durch eine angepasste Schmierung im KSS wird der Werkzeugverschleiß zudem effizient reduziert“, erklärt Hans Jürgen Schlindwein. Dadurch werde eine höhere Qualität des Bauteils erreicht, weil aufgrund des saubereren Schnittvorgangs deutlich weniger Ausfransungen entstehen.

Und was ist mit der Gefahr für die Integrität des Bauteils? Auch hier hat Hans Jürgen Schlindwein vielversprechende Nachrichten: „Wir haben CFK-Bauteile nach der Nassbearbeitung auf ihre mechanische Belastbarkeit untersucht. Das Ergebnis war, dass Fasern und Verklebungen nicht geschädigt werden. Man kann also davon ausgehen, dass CFK von dem KSS in seinen Eigenschaften nicht geschädigt wird.“

Allerdings gibt es auch einige wichtige Voraussetzungen für die Nassbearbeitung von CFK: Ohne eine sorgfältige Filtrierung des KSS und ohne die richtige Rezeptur geht es nicht. Dabei können aber schon Standardfiltrationsanlagen ausreichen, um der schnellen Verunreinigung des KSS mit CFK-Partikeln vorzubeugen. Rhenus Lub selbst hat mittlerweile zwei speziell für die CFK-Bearbeitung geeignete KSS im Angebot: Die wassermischbare Emulsion rhenus XT 46 FC und das synthetische KSS rhenus XY 190 FC. Bei Einsatz des wassermischbaren KSS können feine Partikel ab einer Größe von ungefähr 10 µm, je nach Filteranlage, gefiltert werden.

Der synthetische KSS ermöglicht sogar die Filtration feinster Partikel im Mikro- und Ultrabereich. „Durch seine hervorragende Filtrierbarkeit ermöglicht  der Einsatz des vollsynthetischen Kühlschmierstoffs noch höhere Standzeiten des Kühlschmierstoffs. Für viele Anwendungen ist die Emulsion aber die richtige Wahl“, so Hans Jürgen Schlindwein. Bei der Bearbeitung reiner CFK-Bauteile dürften sich die Vorteile der Nassbearbeitung wohl bald herumsprechen.

„Die Umstellung einer speziell für die Trockenbearbeitung ausgerüsteten Maschine auf die Nasszerspanung macht wegen der nicht vorhandenen KSS-Einrichtung wenig Sinn. Wer aber den Invest in eine neue Maschine plant, sollte die Option der Nassbearbeitung sehr sorgfältig prüfen. Im Idealfall kann sich die Produktivität bei der Nassbearbeitung vervielfachen“, bilanziert Hans Jürgen Schlindwein. Wenn CFK in Kombination mit anderen Materialien bearbeitet wird, sei ohnehin in vielen Fällen die Ausrüstung für eine Nassbearbeitung zwingend.

Video: Fiber-Cut for Composites

Diese Einschätzungen bestätigt Andreas Zinke vom Institut für Produktionstechnik (IfP) an der Westsächsischen Hochschule Zwickau: „Im Rahmen eines Forschungsprojekts haben wir zusammen mit Rhenus Lub umfangreiche Zerspanungstests bei der CFK-Nassbearbeitung durchgeführt. Alle Ergebnisse sprechen für den Einsatz von Kühlschmierstoffen.“

So sei die Oberflächengüte deutlich besser, der Werkzeugverschleiß erheblich niedriger und zudem gewährleiste die Spülwirkung einen sicheren Abtransport von Stäuben und Spänen aus dem Arbeitsraum. Dazu komme, dass im Gegensatz zur Trockenbearbeitung keine gesundheitsgefährdenden Stäube entstehen. Der Anwender kann sich somit eine teure Absauganlage sparen. Auch Andreas Zinke berichtet, dass ein herkömmlicher KSS-Kreislauf hinsichtlich Versorgung und Filtrierung ausreichend ist. „Wir haben auch hinsichtlich des KSS-Drucks Untersuchungen angestellt. Ergebnis ist, dass ein Druck von zehn bar ausreichend ist“, berichtet er.

CFK, Nassbearbeitung
"Sofern noch keine Maschine angeschafft wurde, kann grundsätzlich die Nassbearbeitung empfohlen werden", berichtet Georg Reissich, Projektmanager bei Blaser Swisslube. Bild: Blaser Swisslube

Sein Fazit: „Wer in die CFK-Bearbeitung einsteigt, sollte dabei von vorneherein auf die Nassbearbeitung setzen. Auch eine Umstellung von Trocken- auf Nassbearbeitung macht Sinn, wenn eine KSS-Anlage vorhanden ist.“ Wer allerdings CFK für die Luftfahrtindustrie zerspant, der muss wohl auch weiterhin trocken bearbeiten. Es dürfte wohl noch etwas dauern, bis die Erkenntnis, dass spezielle KSS das Material nicht schädigen, anerkannt ist und entsprechende Freigaben vorliegen. „Wir haben in Zusammenarbeit mit dem DLR Proben getestet und konnten keine Beeinflussungen feststellen“, so Andreas Zinke.

Und noch ein zweiter namhafter Anbieter hat KSS für die CFK-Bearbeitung im Angebot: Die Firma Blaser Swisslube. Dazu Projektmanager Georg Reissich: „Sofern noch keine Maschine für die CFK-Bearbeitung angeschafft wurde, kann grundsätzlich eine Nassbearbeitung empfohlen werden.“

Im Unterschied zu Rhenus Lub setzt das Unternehmen aber auf individuelle anwenderspezifische Lösungen: „Die Prozesse unserer Kunden lassen sich nur selten direkt miteinander vergleichen. Dementsprechend unterscheiden sich unsere Lösungen für die jeweiligen Kunden auch“, so Georg Reissich. Vielmehr werde jeder Prozess vor einer Empfehlung genau analysiert. Jedoch hätten einige der Kunden gute Erfahrungen mit dem Synergy 915 bei Anwendungen auf kohlefaserverstärkten Kunststoffen gemacht.

KSS CFK
Bei der Nassbearbeitung von CFK entstehen keine Stäube, die lungengängig und damit gesundheitsgefährdend sind. Daher entfällt eine aufwändige Anlage zur Absaugung der Stäube aus dem Arbeitsraum der Maschine. Trotz der Vorteile haben nur wenige KSS-Anbieter spezielle KSS für die CFK-Bearbeitung im Angebot. Bild: Blaser Swisslube

Georg Reissich bestätigt, dass viele potenzielle Anwender aus Angst vor einer Schädigung des Matrixmaterials auf die Nassbearbeitung verzichten. „Es gibt auf dem Markt Unmengen von verschiedenen Kombinationen von Fasern und Matrizen. Wir bieten unseren Kunden jeweils an, ihr Material im Vorfeld auf die Verträglichkeit zu prüfen“, so Georg Reissich. Zudem hat sein Unternehmen in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung eine Reihe von Forschungsarbeiten durchgeführt, in denen unter anderem auf diesen Sachverhalt eine Antwort gesucht wurde.

Robert Beckenlechner vom Fraunhofer IPA bestätigt, dass die Untersuchungen zur Wirkung von KSS auf die mechanischen Eigenschaften des CFK keine signifikanten Unterschiede zwischen den nass und trocken gefrästen Proben gezeigt hat.

Als Vergleichsgröße wurde die interlaminare Scherfestigkeit betrachtet. „Da die Tests jedoch nur einen Bruchteil der möglichen KSS/CFK-Kombinationen abgedeckt haben, werden anwendungsspezifische Verträglichkeitstests empfohlen“, so Robert Beckenlechner.