CFK-Bearbeitung

Die Einleitung umreißt die betrachtete Werkstoffgattung der kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe (CFK) sowie der artverwandten, endlos faserverstärkten Kunststoffe (FVK) und ihre Bedeutung für den Leichtbau. Im Fokus des Buches steht die für die Qualität von CFK- und FVK-Bauteilen notwendige Bearbeitung im konsolidierten Zustand mit ihren werkstoffspezifischen Besonderheiten. Das Buch richtet sich an Fachleute der Industrie, Wissenschaftler*innen der Produktions- und Kunststofftechnik sowie an Studierende dieser Fachrichtungen.

Bauteile aus CFK und artverwandten faserverstärkten Kunststoffen müssen im ausgehärteten Zustand bearbeitet werden, um die geforderten Toleranzen zu erreichen. Dies gilt auch für Bauteile aus hybriden Werkstoffen, die anteilig aus faserverstärktem Kunststoff und Metall bestehen, sowie für die gemeinsame Bearbeitung von Faserverbund- und Metallbauteilen, um hochbelastete Fügeverbindungen, speziell um Nietverbindungen herzustellen. Die gebräuchlichen Bearbeitungstechnologien Drehen, Bohren, Fräsen, Sägen, Schleifen, Wasserstrahlschneiden, Laserstrahlschneiden und Scherschneiden gehören zur Hauptgruppe der trennenden Fertigungsverfahren. Nach dem vorherrschenden Wirkprinzip werden spanende und spanlose Verfahren sowie abtragende Verfahren unterschieden.

CFK als endlos faserverstärkter Kunststoff besitzt für Hochleistungsanwendungen des Leichtbaus eine überragende Bedeutung, während artverwandte Faserverbundkunststoffe, insbesondere glasfaserverstärkte Kunststoffe, in den Volumenmärkten vorherrschen. Wesentliche Bestimmungsgrößen faserverstärkter Kunststoffe (FVK) sind die Faserart, die duroplastische oder thermoplastische Matrix, der Faservolumenanteil, die textile Vorverarbeitung der Fasern sowie der Lagenaufbau. Damit lassen sich endlos- bzw. langfaserverstärkte Faserverbundkunststoffe den funktionalen Anforderungen der jeweiligen FVK-Bauteile individuell anpassen. Bei deren Bearbeitung verdient neben den Werkstoffeigenschaften zudem die Steifigkeit der im Allgemeinen dünnwandigen FVK-Bauteile eine besondere Beachtung. Um das Elastizitäts- und Festigkeitsverhalten endlos faserverstärkter Kunststoffe bei der mechanischen Bearbeitung zu beschreiben, wird das räumliche Modell der unidirektionalen Faserverbundschicht herangezogen, die sich durch Orthotropie und transversale Isotropie auszeichnet. Für das Werkstoffversagen einer unidirektionalen Faserverbundschicht im mechanischen Trennprozess sind nach dem Modell von Puck unterschiedliche Beanspruchungsarten, Versagensmodi und Werkstoffparameter maßgeblich, die sich aus dem Zusammenwirken der Normal- und Schubspannungen ergeben. Das äußerst unterschiedliche thermische Verhalten von Fasern und Matrix beeinflusst bei mechanischen und thermischen Trennverfahren den Wirkmechanismus der Werkstofftrennung sowie die erreichbare Bauteilqualität.

Die Zerspanung von CFK und artverwandten Faserverbundkunststoffen erfordert aufgrund von deren Orthotropie eine Erweiterung der für isotrope Werkstoffe bekannten Grundlagen und Modelle. Entsprechend werden der Orthogonalschnitt ergänzt sowie die Eingriffsverhältnisse und Kinematik beim Fräsen, Sägen, Bohren und Schleifen im schrägen Schnitt mit schaft- und scheibenförmigen Werkzeugen beschrieben. Die technologischen Grundlagen der FVK-Zerspanung werden getrennt für die Verfahren mit definierter und mit undefinierter Schneide erläutert. Behandelt werden jeweils der Trennmechanismus, die im Trennprozess erzeugten Spanpartikel und Emissionen, die Kräfte, die Energieumsetzung und Temperaturen, die Werkzeugverschleißmechanismen sowie die mit Zerspan- und Schleifverfahren herstellbare Werkstückqualität. Zur Analyse von FVK-Zerspanprozessen werden spezifische Versuchstechniken und Messmethoden vorgestellt.

Die Anwendung von Zerspantechnologien mit definierter Schneide für CFK und artverwandte Werkstoffe erfordert Kenntnisse der Zerspanbarkeit des zu bearbeitenden Werkstoffs, die Wahl eines geeigneten Schneidstoffs sowie die verfahrensspezifische Auslegung von Prozess und Werkzeug. Die Zerspanbarkeit umfasst die Zerspankraft und Energieumsetzung, den Verschleiß des Werkzeugs bzw. dessen Schneidhaltigkeit, die im Zerspanprozess erzeugten Abtragspartikel und Emissionen sowie die erreichbare Werkstückqualität. Als Systemeigenschaft bezieht sich die Zerspanbarkeit auf das betrachtete Zerspanverfahren sowie typische Bauteilgeometrien und Prozessparameter. Exemplarisch wird der Einfluss der Werkstoffparameter beim Umfangsfräsen von FVK-Schalenbauteilen beschrieben. Zur Zerspanung von Faserverbundkunststoffen sowie Hybridwerkstoffen aus Faserverbundkunststofffen und Leichtmetallen werden Hartmetalle aus Wolframkarbid und Kobalt, die ggf. beschichtet sind, sowie Diamantschneidstoffe eingesetzt, die in ihren Eigenschaften erläutert werden. Für die in der FVK-Zerspanung bedeutsamsten Verfahren Fräsen und Bohren werden wichtige Wirkzusammenhänge zwischen den jeweiligen Eingangsgrößen Werkzeug, Bearbeitungsparameter, Bauteil und Aufspannsituation sowie den Ausgangsgrößen Produktivität, Werkzeugkosten, Prozesssicherheit, Werkstückqualität und Arbeitsschutz dargestellt. Beim Bohren wird aufgrund seiner Bedeutung für die Herstellung von mechanischen Fügeverbindungen von Faserverbundkunststoffen und Leichtmetallen auch auf die Zerspanbarkeit von Aluminium und Titan sowie auf besondere Verfahrensvarianten für hybride Werkstoffe wie das Orbitalbohren und das Spechtbohren eingegangen.

Kapitel 6 behandelt die Konturbearbeitung von FVK-Bauteilen durch Schleifstifte und Schleifscheiben mit einschichtigem grobkörnigem Diamantbelag, die auf Werkzeugmaschinen oder Industrierobotern durchgeführt wird. Speziell profilierte Scheibenwerkzeuge ermöglichen in Kombination mit einer geeigneten Werkzeugbahn, gekrümmte Bauteilkonturen herzustellen. Im Unterschied zum Trennschleifen erfolgt die Oberflächenbearbeitung von FVK-Bauteilen zumeist mit handgeführten Schleifwerkzeugen.

In der spanenden Bearbeitung von CFK und artverwandten Faserverbundkunststoffen sowie von hybriden Werkstoffen und Werkstoffverbunden sind Zusatzeinrichtungen zur Kühlschmierung der Prozesse und zur Steigerung der Prozesssicherheit sowie Systeme zur Erfassung und Abfuhr der erzeugten Stäube und Spanpartikel bedeutsam. Häufig erfolgt die Kühlschmierung der thermisch empfindlichen FVK-Bauteile mittels gasförmiger oder fester Medien oder Aerosole, selten mittels flüssiger Medien. Für die aus Gründen des Arbeits- und Anlagenschutzes notwendige Stauberfassung werden die physikalischen Grundlagen sowie technische Lösungen dargestellt.

Das Schneiden von Bauteilen aus CFK und anderen langfaserverstärkten Verbundkunststoffen mit Abrasivwasserstrahl nach dem Injektorprinzip nimmt heute industriell eine wichtige Rolle ein. Die technologischen Grundlagen und Modelle des Verfahrens werden beschrieben als Voraussetzung, um Bearbeitungsprozesse mit Abrasivwasserstrahl zielgerichtet auslegen und analysieren zu können.

Unter den Technologien zur Wasserstrahlbearbeitung besitzt für CFK-Bauteile das Abrasivwasserstrahlschneiden mit Abrasivmedienzufuhr nach dem Injektorprinzip höchste Bedeutung. Diese und weitere Verfahrensvarianten werden in ihrer Anwendbarkeit bei unterschiedlichen Faserverbundkunststoffen dargestellt. Die für die Schneidbarkeit eines Faserverbundkunststoffs mittels Wasserstrahl maßgeblichen Werkstoffparameter und Modelle werden beschrieben. Die Schneidbarkeit wird anhand der erreichbaren Flächenrate, der Schnittflächen- und der Schnittkantenqualität bewertet. Im Hinblick darauf, einen produktiven und wirtschaftlichen Abrasivwasserstrahlschneidprozess bei Einhaltung der Qualitätsanforderungen zu erzielen, wird die Auswahl bzw. Auslegung geeigneter Bearbeitungsparameter erläutert. Hierzu zählen Hochdruckdüse, Abrasivmedium, Mischrohr und Einstellbedingungen. Dabei wird auch auf den Medienverbrauch sowie auf den Verschleiß der Anlagenkomponenten eingegangen. Die bei der Wasserstrahlbearbeitung bedeutsamen Zusatzeinrichtungen zur Reststrahlabsorption sowie zum Emissionsschutz werden diskutiert.

Die Bearbeitung konsolidierter FVK-Bauteile mittels Laserstrahl ist in Einzelfällen wettbewerbsfähig, wenn verschiedene Voraussetzungen seitens des Werkstoffs, der Bauteilgeometrie und der Qualitätsanforderungen erfüllt sind. Industriell bedeutsam ist die Laserstrahlbearbeitung für den Zuschnitt von Faser-Halbzeugen im trockenen, d. h. harzfreien Zustand. Die kraftfreie Werkstofftrennung stellt hierbei einen erheblichen Vorteil dar und gestattet das Trennen trockener Faser-Halbzeuge mit stark gekrümmten Konturen. Um für eine vorliegende Bearbeitungsaufgabe die Eignung der Lasertechnologie unter Qualitäts- und Produktivitätsgesichtspunkten beurteilen zu können, werden wesentliche Grundlagen der Lasertechnik beschrieben. Sie umfassen die physikalischen Grundbegriffe, die Formung, Fokussierung und Führung des Laserstrahls, die zur Energieeinkopplung und Wärmeleitung bei Faserverbundkunststoffen relevanten Mechanismen, die zeitlichen und energetischen Kenngrößen der Laserstrahlbearbeitung, die Abtragsmechanismen sowie die Wirkzusammenhänge zwischen Laserstrahl und Qualitätskenngrößen. Anwendungsbezogen werden die Bearbeitbarkeit von Faserverbundkunststoffen mittels Laserstrahl, Verfahrensvarianten der Laserstrahlbearbeitung sowie Arbeitsschutzaspekte behandelt.

Unter hybriden Bearbeitungsverfahren werden Verfahrenskombinationen verstanden, die auf der Integration unterschiedlicher Wirkprinzipien beruhen, um ein hinsichtlich Qualität, Produktivität und Wirtschaftlichkeit besseres Bearbeitungsergebnis zu erzielen. Beispielhaft wird die hybride Bearbeitung mit Laser- und Hochdruckwasserstrahl sowie mit Laserstrahl und Zerspanverfahren dargestellt.

Scherschneiden zählt zu den spanlosen mechanischen Trennverfahren und wird vereinzelt bei sehr dünnwandigen Schalenbauteilen eingesetzt. Es ist zwischen dem Scherschneiden offener und geschlossener Schnittlinien zu unterscheiden. Der produktive Vorteil des Stanzens liegt in der von der Länge der Schnittlinie unabhängigen Hauptzeit, die stattdessen von der Hubfrequenz des Stanzprozesses abhängt. Demgegenüber beruht das Nibbeln auf einem wiederholten inkrementellen Scherschneiden, weshalb die Hauptzeit beim Nibbeln proportional zur Länge der Schnittlinie steigt. Wegen der zum Stanzen erforderlichen bauteilindividuellen Werkzeuge kommt Stanzen nur bei großen Serien in Betracht, während sich Nibbeln wegen des bauteilunabhängigen Werkzeugs für die flexible Bearbeitung eignet. Ein technologischer Vorteil des Scherschneidens ist der geringe Anfall von Feinstaub, nachteilig sind die bislang ungesicherten Kenntnisse über die werkstoffgerechte Werkzeugauslegung und die erreichbare Standzeit.