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17.03.2020 | Spanen + Trennen | Im Fokus | Onlineartikel

Laserbohren von CFK wird wettbewerbsfähig

Autor:
Thomas Siebel
4 Min. Lesedauer

Die Fräsbearbeitung von CFK ist aufwendig und teuer. Laserbohren hingegen kommt ohne Werkzeugverschleiß oder Delaminationen aus – und es könnte sich bald für die Bearbeitung von Flugzeugkomponenten eignen.

Während die Kosten für CFK-Bauteile dank automatisierter Prozesse sinken, stellt deren Fräsbearbeitung Werkzeughersteller weiterhin vor Herausforderungen, wie etwa die Autoren um Andreas Gebhardt in einem Artikel für die lightweight.design 5/17 schreiben:

  • Die Kohlenstofffasern sind sehr abrasiv und führen zu hohem Werkzeugverschleiß. 
  • Bei der Fräsbearbeitung entstehen feine, gesundheitsschädliche Partikel, die bis in die Lunge vordringen können.
  • Da die Fasern elektrisch leitfähig sind, können bei der Fräsbearbeitung entstehende Partikel elektrische oder elektronische Baugruppen schädigen.
  • Zudem entstehen bei der Fräsbearbeitung oftmals Delaminationen oder überstehende Fasern.

Um dennoch auf akzeptable Standzeiten zu kommen, werden Werkzeuge bisweilen diamantbeschichtet, wie Fritz Glocke im Kapitel Schneidstoffe und Werkzeuge im Buch Fertigungsverfahren 1 erläutert. Die Diamant-Dünnschichten können im sogenannten CVD-Verfahren – also per chemischer Abscheidung aus der Dampfphase – auf Werkzeuge mit komplexer Geometrie wie Bohrer oder Schaftfräser aufgetragen werden. Allerdings sind die Diamantschichten mit 20 Mikrometern relativ dick, sodass scharfe Schneiden durch die Beschichtung abstumpfen.

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Kühlschmierstoffe versus Trockenbearbeitung

Eine Möglichkeit, den bei der Trockenbearbeitung entstehenden gesundheitsgefährdenden Staub zu vermeiden, ist der Einsatz von Kühlschmierstoffen (KSS). Jedoch sind unter Herstellern und Endbearbeitern von CFK-Teilen Vorbehalte gegenüber deren Einsatz verbreitet, da eine Reaktion zwischen KSS und dem Harz der CFK-Matrix nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden kann. Für zwei exemplarische KSS kommen die Autoren um Anna Lena Demmerling in ihrem Fachbeitrag Untersuchung der Wechselwirkung von CFK mit Kühlschmierstoffen allerdings zu dem Ergebnis, dass KSS einen kaum messbaren Einfluss auf das Epoxidharz eines Faser-Matrix-Verbunds haben.

In Bereichen wie der Montage der Außenhaut von Flugzeugen ist jedoch selbst eine Minimalmengenschmierung (MMS) beim CFK-Bohren problematisch. Nach aktuellem Stand der Technik erfolgt hier Voll- und Aufbohren, Reiben und Senken in einem einzigen Bearbeitungsschritt – unter Verwendung von MMS. Nach der Bearbeitung müssen die Teile demontiert, vom Kühlschmierstoff gereinigt und wieder montiert werden, wie Jens Ilg, Thorsten Müller und Sebastian Kuhn im lightweight.design-Beitrag Trockenbearbeitung von Schichtverbundwerkstoffen im Flugzeugbau beschreiben. Um der Forderung nach Trockenbearbeitung seitens der Luftfahrtindustrie nachzukommen, hat das Unternehmen Mapal ein Bohrwerkzeug für CFK-Aluminium-Verbunde entwickelt, dessen spezielle Geometrie die Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstück minimiert. So reduziert es die Reibung und damit die eingebrachte Wärme. Zudem haben die Entwickler die Spanräume für eine bessere Spanabfuhr angepasst.

Zum Absaugen der Späne kommen den Autoren um Andreas Gebhardt zufolge verschiedene Systeme  zum Einsatz, etwa werkzeugnahe, in die Spannvorrichtung integrierte oder Raumabsaugsysteme, die allerdings jeweils spezifische Nachteile aufweisen, weil sie entweder teuer, ineffektiv oder zu energieintensiv sind. Im Beitrag Neuartiges Absaugsystem für die 5-Achs-Zerspanung von Composites stellen das Fraunhofer IPA und Schuko ein System vor, das die genannten Probleme umgehen soll. Über eine Kreislaufführung soll das Spangut dabei mittels Blasluft zur Absaughaube befördert und dann dort abgesaugt werden.

Laserbearbeitung ohne Werkzeugverschleiß

Aufgrund des hohen Aufwands für das Fräsen von CFK kommt deswegen zunehmend ein Bearbeitungsverfahren zur Diskussion, das weder Werkzeuge verschleißt, noch hohe Prozesskräfte erfordert: die Laserbearbeitung. Dabei schmilzt ein Laserstrahl einen Werkstoff auf und sublimiert ihn. Die Energie wird mittels ultrakurzen Laserpulsen im Piko- oder Femtosekundenbereich eingebracht, weswegen der Werkstoffe nur minimal thermisch beeinflusst wird, wie Eckart Uhlmann im Kapitel Werkzeugmaschinen für die Mikroproduktion schreibt. Das Laserbohren wird beispielsweise eingesetzt, um Ventil- oder Kühlbohrungen zu erzeugen.

Laserbohren mit kurzer Bohrdauer

Die Laserbearbeitung von CFK-Strukturen hat sich in der Industrie bislang allerdings noch nicht durchgesetzt, unter anderem weil sie zu zeitaufwendig ist. Ein neues Verfahren soll dies ändern und damit das Laserbohren als Werkzeug für die Fertigung von Flugzeugkomponenten interessant machen.

In dem vom Laser Zentrum Hannover und den Unternehmen Invent, KMS Technology Center, Trumpf und Premium Aerotec im Projekt LaBoKomp entwickelten Verfahren steuert eine Software den automatisierten Laserbohrprozess. Eine Thermographiekamera überwacht den Prozess, während die Software Bohrparameter kontinuierlich anpasst und so die Wärmeabfuhr regelt. Nach Angaben der Wissenschaftler erfüllen die so erzeugten Bohrlöcher Luftfahrtstandards. Die Dauer für eine Bohrung durch 2 mm dickes duroplastisches CFK beträgt mit diesem Ansatz nur noch zehn Sekunden. Damit ist das neue Verfahren nach Angaben der Wissenschaftler gleichauf mit konventionellen Bohrbearbeitungen – jedoch ohne den Nachteil des Werkzeugverschleißes oder der Gefahr von Delamination.

Die Wissenschaftler haben den Laserbohrprozess und die Anlage an sogenannten Cargo Struts getestet. Das sind C-förmige Streben, die zur Stabilisierung des Frachtraumbodens genutzt werden. Die Anlage und der Prozess sollen sich jedoch für alle in der Luftfahrt gebräuchlichen CFK-Typen sowie Laminate mit GFK-Deckschichten und Copper Mesh eignen. Auch das Bohren von übereinander platzierten unterschiedlichen Laminaten halten die Wissenschaftler für möglich.

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