Zerspanungstechnik Besonderheiten in der Zerspanung von FVK-Bauteilen

Neue Werkstofftrends im Leichtbau, wie die zunehmende Verwendung von TP-FVK (Endlosfaserverstärkte Kunststoffe mit thermoplastischer Matrix ), stellen Zerspanungstechniker vor neue Herausforderungen. Methoden wie die Kompressionstechnik vermeiden das Problem der Delamination.

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Martin Danielczick, Leiter Segment Composites&Plastics Machining, LMT Tool Systems GmbH, gibt auf der Fachtagung Carbon Composites 2011 einen Überblick über die typischen industriellen Bearbeitungsmethoden für Faserverbundwerkstoffe. Mit dem Schritt zur Serienfertigung wächst der Anteil an FVK-Bauteilen, die auf Werkzeugmaschinen spanend bearbeitet werden.

Wenig Alternativen zur Zerspanung von FVK

Alternative Verfahren wie das Wasserstrahlschneiden stoßen allerdings an ihre Grenzen, wenn es darum geht, komplexe 3D-Geometrien wie die eines Kotflügels oder einer Motorhaube sowie dickwandige Werkstücke zu bearbeiten. Wenn überhaupt, sind diese nur mithilfe manueller Nacharbeit möglich. Damit würde allerdings der gesamte Prozess unwirtschaftlich.

Um auch bei hohen Stückzahlen die Zerspanungsqualität der FVK-Bauteile prozesssicher mit konstanten Werkzeugstandzeiten umzusetzen, sind daher spezifische Maschinen und Anlagen erforderlich. „Neben klassischen Bearbeitungszentren oder Portalmaschinen mit speziellen Absauganlagen kommen zunehmend speziell auf eine Serienfertigung ausgelegte Roboterzellen ins Spiel“, erklärt Danielczick.

Delamination fordert bei der Zerspanung von FVK heraus

Die besondere Herausforderung bei der Zerspanung von Faserverbundwerkstoffen lässt sich unter dem Fachbegriff Delamination zusammenfassen. In Abhängigkeit von Werkstoff und Bearbeitungsart ergeben sich dabei unterschiedliche Schadensbilder.

Die Gefahr einer Delamination ergibt sich generell bei unidirektional oder multidirektional gewebeverstärkten CFK und GFK. Aber auch in kurzfaserverstärkten Kunststoffen oder Sandwichmaterialien können Schadensbilder auftreten, die im weiteren Sinne als Delamination zu bezeichnen sind.

Delamination aufgrund der spröden Matrix der FVK

Eine entscheidende Rolle für die Delamination spielt die Matrix. Derzeit werden noch überwiegend duroplastische Harze verwendet, welche nach ihrem irreversiblen Aushärtevorgang sehr hart und spröde sind. Insbesondere an den Werkstückkanten können während der Zerspanung Glas- oder Carbonfasern aus dem spröden Matrixwerkstoff regelrecht „herausbrechen“. Sie verbleiben als Faserüberstände an der Werkstückkante.

Bei Sandwichmaterialien mit Honeycomb- oder anderen Füllschichten treten wiederum Kräfte quer zur Hauptlastrichtung auf (zum Beispiel beim Bohren oder durch axiale Kräfte bei gedrallten Fräswerkzeugen), die ein „Aufschälen“ und damit Delaminieren von Kern und Deckschicht bewirken. Die meisten Thermoplaste weisen bei der Zerspanung ein Verhalten auf, das dem von Leichtmetallen wie Aluminium nicht unähnlich ist.

Der Matrixwerkstoff bestimmt also in der Regel die Makrogeometrie des Zerspanungswerkzeugs.

Kriterien und Techniken für die optimale Bearbeitungsqualität

Danielczick wird in seinem Vortrag Bearbeitungsmethoden des Fräsens vergleichen und hier unter anderem die Kompressionstechnik zur Vermeidung von Schichtdelamination vorstellen. Auch Kriterien für eine optimale Bohrungsqualität sowie die One-shot-Bearbeitung von CFK, Metall und Stacks werden Themen des Vortrags sein. Bei allen Zerspanungsmethoden wird Danielczick auf Schneidstoffe, Beschichtungen und die Schneidantenpräparierung eingehen.

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