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Werkzeuge

Bohrer mit optimierten Schneiden verbessern die CFK-Bearbeitung

| Autor / Redakteur: Fabian Rosenberger und Dr. Christoph Gey / Rüdiger Kroh

Bild 1: Kundenspezifischer Wechselkopfbohrer mit hartgelötetem PKD-Einsatz.
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Bild 1: Kundenspezifischer Wechselkopfbohrer mit hartgelötetem PKD-Einsatz. (Bild: Kennametal)

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Mit hartgelöteten PKD-Vollhartmetallbohrern kann die Effizienz beim Bearbeiten von CFK- oder CFK-Titan-Composite-Werkstoffen im Vergleich zu konventionellen Hartmetallwerkzeugen deutlich gesteigert werden. Eine optimierte Schneidengeometrie verbessert dabei die Bohrungsqualität hinsichtlich Toleranz und Grat.

In der Luftfahrtindustrie sind Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK), allein oder als Packet mit Titan und Aluminium, aufgrund ihres guten Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses und ihren positiven Materialeigenschaften stark verbreitet. Der Dreamliner 787 von Boeing zum Beispiel besteht volumenmäßig zu 80 % aus Composite-Werkstoffen, was 50 % des Gesamtgewichts ausmacht. Außerdem konnte durch die Verwendung dieser Werkstoffe auf 1500 Aluminiumbleche und 50.000 Befestigungselemente verzichtet werden, was zu einer sehr großen Gesamtgewichtsreduzierung führt. Der Energieverbrauch im Vergleich zu einer Boeing 767 ist somit um 20 % geringer.

PKD steigert Effizienz beim Bearbeiten von Luftfahrtwerkstoffen

Aktuell sind Verbindungstechniken wie Kleben oder Schweißen noch nicht ausreichend erprobt, so dass zu verbindende Teile meist nach wie vor genietet werden. Aufgrund der deutlich unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften von kohlefaserverstärkten Kunststoffen und Metallen stellt das Bohren der benötigten Befestigungslöcher eine große Herausforderung für die Werkzeuge dar. Es erfordert eine hohe Verschleißfestigkeit sowie optimierte Schneidengeometrien.

Durch den Einsatz von Polykristallinem Diamant (PKD) kann die Effizienz beim Bearbeiten heutiger Luftfahrtwerkstoffe im Vergleich zu konventionellen Hartmetallwerkzeugen deutlich gesteigert werden. Von einigen führenden Werkzeugherstellern werden bereits hartgelötete PKD-Bohrer entwickelt und angeboten. Diese Werkzeuge verbinden eine PKD-Schneide mit einem Bohrer aus Vollhartmetall (VHM). Dieser bringt die nötige Steifigkeit und Maßgenauigkeit für die geforderte Bohrungsqualität mit. Außerdem kann durch Bohrungen im Vollhartmetallstab eine für den Bohrprozess erforderliche verbesserte Kühlung und über spiralisierte Spannuten eine verbesserte Spanabfuhr sichergestellt werden. Die im Eingriff befindlichen Schneidkanten sind aus PKD, wodurch die Verschleißfestigkeit verbessert und damit die Effizienz der Zerspanung erhöht wird.

Viele Faktoren beeinflussen die Werkzeugausführung

Eine optimierte Werkzeugausführung ist entscheidend, um bei der Bearbeitung von Composite-Werkstoffen gute Bohrungsqualitäten zu erreichen. Bei der Werkzeugausführung beeinflussen viele Faktoren die Qualität. So können zum Beispiel durch eine kleinere Schneidkantenverrundung und einen größeren Schneidwinkel die Schnittkräfte verringert werden. Andere Faktoren sind ein kleiner Spitzenwinkel, um Axialkräfte und damit Delamination der Fasern zu reduzieren, und eine optimierte Kantengeometrie, um die Gratbildung besser kontrollieren zu können. Werkzeugmaschine, Spindel und Steifigkeit des Aufbaus, Werkzeughalter, interne oder externe Kühlung und die Werkstoffe des Werkstücks, in die der Bohrer ein- und austritt, sind ebenfalls zentrale Faktoren, die bei der Werkzeugauslegung berücksichtigt werden müssen. In vielen Fällen sind Sonderwerkzeuge nötig, um die Kundenanforderungen erfüllen zu können.

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