CFK-Bearbeitung ist eine riskante Sache

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Dagegen hat sich die Abrasiv-Wasserstrahltechnik de facto zum Standard für viele Randbeschnittanwendungen entwickelt, aber durch ihre im Wesentlichen lineare Operation liegen manche Bearbeitungsaufgaben wie Senken und Oberflächenfräsen außerhalb ihrer Möglichkeiten. Darüber hinaus benötigen Schnitte, die innerhalb eines Begrenzungsrandes eines Bauteils beginnen müssen, eine mechanische Vorbohrung. Aus diesem Grund müssen Wasserstrahlsysteme auch einen Werkzeugkopf für rotierende Werkzeuge beinhalten.

Neben diesen grundsätzlichen Unterschieden gibt es viele Faktoren, die den Entscheidungsprozess für die Bearbeitung beeinflussen. Einer davon ist Wärme. Wasserstrahlsysteme haben hier einen natürlichen Vorteil, denn das Wasser dient sowohl als Antrieb für das Abrasionsmittel wie auch als Kühlmittel. Bei der Bearbeitung mit rotierenden Werkzeugen ist Wärme jedoch ein natürliches Nebenprodukt.

Eine Spindel, die ein metallisches Werkzeug mit 20000 min-1 gegen eine hochabrasive Oberfläche wie Carbonfaser rotieren lässt, entwickelt jede Menge Wärme – manchmal mehr, als selbst für ein ausgehärtetes hochtemperaturbeständiges Duroplast gut ist. Um dem abzuhelfen, haben manche Hersteller Werkzeugmaschinen entwickelt, die integrierte Kühlkanäle aufweisen, durch die Druckluft zur Verminderung der Werkzeugtemperatur strömt. In anderen Fällen, insbesondere für Großserienbohren, ist die direkte Zufuhr von Wasser oder eines anderen Kühlmittels notwendig.

Dagegen zögen es andere Verarbeiter laut Peter Diamantis, Geschäftsführer beim Werkzeuglieferanten AMAMCO Tool (Greer/South Carolina), vor, mit höherer Geschwindigkeit zu bohren in der Vorstellung, dass die Wärmeentwicklung minimiert wird, wenn die Zeit, in der sich das Werkzeug in der Bohrung befindet, so kurz wie möglich ist. Andere entscheiden sich laut Cornwell von Onsrud für eine niedrigere Spindeldrehzahl, um die Reibung zu verringern. Diamantis nennt als allgemeinen Anhaltspunkt für Drehzahlen: 8000 min-1 für Bohrvorgänge und 5000 min-1 bis maximal 25000 min-1 fürs Fräsen.

Pecking reduziert die Fertigungsgeschwindigkeit

Er gibt jedoch zu bedenken, dass genaue Zahlen sehr von der Art des Materials, vom Werkzeugmaterial und von der Anwendung abhängen. Man kann sich laut Cornwell auch für Bohren mit Ausspänen („Pecking“) entscheiden, wo der Bohrer abwechselnd in das Werkstück bohrt und dann zu Kühlzwecken zurückgezogen wird. Dadurch leidet die Fertigungsgeschwindigkeit, aber die Qualität der Bohrung bleibt erhalten.

Ein weiterer Faktor bei der Entscheidung ist die Geschwindigkeit. Die Wasserstrahltechnik hat im Bereich Besäumen Fuß gefasst, da sie üblicherweise schneller und einfacher ist. Ein Grund dafür ist, dass zum Beschneiden mit rotierenden Werkzeugen zwei Durchgänge erforderlich sind: einmal mit dem Schruppwerkzeug, mit dem die Kante fast auf Fertigmaß beschnitten wird, und mit einem Feinbearbeitungswerkzeug, das das verbleibende Restmaterial abnimmt und eine glatte Kantenfläche hinterlässt.

Flow International behauptet, dass ein abrasiver Wasserstrahl bei manchen Anwendungen doppelt so schnell wie ein rotierendes Werkzeug schneiden kann und keine mehrfachen Durchgänge erfordert. „Geht man davon aus, dass mit rotierenden Werkzeugen ein Schrupp- und ein Schlichtgang erforderlich sind“, so Saberton von Flow, „kann die Geschwindigkeit um das Dreifache ansteigen.“ Laut Kurt Burton, technischer Mitarbeiter bei Boeing Integrated Defense Systems (St. Louis/Missouri), sind Wasserstrahlsysteme „fast überall bei Boeing zum Standard für Schneideaufgaben geworden“.

Wasserstrahlschneiden vermindert die Rüstzeiten

Burton erinnert sich an einen der ersten Einsätze des Wasserstrahls bei Boeing an einem Verbundwerkstoff/Titan-Stapelteil für die F-18 vor mehr als 20 Jahren, als für die ursprüngliche Schnittbearbeitung mit rotierenden Werkzeugen zwei Techniker, acht Umrüstungen und acht Stunden benötigt wurden. Mit der Umstellung auf Wasserstrahl reduzierte sich dieser Aufwand auf einen Techniker, eine Maschineneinrichtung und eine Stunde.

Werkzeugmaterialien zum Bearbeiten von Verbundwerkstoffen variieren erheblich, abhängig von der Anwendung und davon, ob es sich um ein Schrupp- oder Schlichtwerkzeug handelt. Das Ausgangsmaterial für Werkzeuge ist Karbid (Hartmetall), gefolgt von beschichtetem Hartmetall. Für hochabrasive Hochleistungsanwendungen bieten viele Lieferanten diamantbeschichtete Werkzeuge (CVD), Werkzeuge mit polykristalliner Diamantschicht (PCD), diamantähnlicher Beschichtung (DLC), Diamant-Film-Beschichtung (DFC), Zirkoniumnitrid-Beschichtung (ZNC) und kristalliner Diamantbeschichtung (CDC). Die Wahl der Werkzeugbeschichtung hängt von der Anwendung ab.

Beim Zerspanungswerkzeug muss die Beschichtung stimmen

Eine Beschichtung mit hoher Härte bedeutet höhere Kosten – ein einfach beschichtetes Werkzeug kann 600 Dollar oder mehr kosten. Wenn ein PCD-Werkzeug dreimal mehr kostet als ein CVD-Werkzeug, es aber eine Verbundwerkstoffkante viermal länger beschneidet, ist vom wirtschaftlichen Gesichtspunkt PCD der Vorzug zu geben. Andererseits lässt sich ein Bauteil, das beispielsweise einen geringen Faseranteil aufweist, möglicherweise leicht bearbeiten und würde den Einsatz eines weniger aggressiven und preisgünstigeren Werkzeugmaterials ermöglichen.

Laut Alex Harding, Operations Manager beim Werkzeughersteller Cajero Ltd. (Isle of Sheppey/UK), ist die Auswahl der Beschichtungsart anspruchsvoll und muss mit großer Sorgfalt geschehen. „Auch wenn CVD-Bohrer ihre Verdienste haben, stellt diese Technik und ihre Anwendung kein Allheilmittel dar“, meint er. „Andere Werkzeugmaterialien könnten bei Berücksichtigung der Kosten über die gesamte Lebensdauer entscheidende Vorteile bieten. Beispielsweise kann die Instandsetzung von PCD-Bohrern zu größerer Langlebigkeit führen und somit die Werkzeugkosten über die Dauer eines Projekts hinweg erheblich senken.“

Laut Cornwell sind Werkzeugkosten ohnehin relativ. Wenn ein wertvolles Bauteil aus Verbundmaterial im Wert von vielen Hunderttausend Dollar bearbeitet wird, spielt es keine Rolle, ob für ein Werkzeug 200 oder 600 Dollar aufgewendet werden. „Die meisten Werkzeuge machen nur einen Bruchteil der Teilekosten aus, deshalb ist es manchmal besser, auf Nummer sicher zu gehen.“

Verbundwerkstoffe erfordern spezielle Werkzeuggeometrien

Bei der Werkzeuggeometrie sind die Möglichkeiten sogar noch größer als bei den Beschichtungen. „Verbundwerkstoffe sind extrem abrasiv. Ob zum Bohren oder zur sonstigen Bearbeitung: Sie benötigen vollkommen andere Geometrien im Werkzeugbestand, um erfolgreich zu arbeiten“, meint Diamantis von AMAMCO.

Cooper empfiehlt eine sorgfältige Untersuchung der Geometrie des Eingriffswinkels eines Werkzeugs. Die Anzahl der Spannuten und der Drallwinkel kann und wird oft an die Anwendung angepasst. Ein Ergebnis einer solchen Studie bei Kantenbearbeitungsaufgaben ist der Dualschnittfräser (compression router). Dieser von AMAMCO, Onsrud und anderen angebotene Werkzeugtyp weist gegenläufige Spannuten auf, die Verbundstoffe auf Art einer Schere oben und unten aus dem Laminat „ziehen“. Dadurch wird die Gefahr der Delamination minimiert und sowohl auf der Ober- als auch der Unterseite ein sauberer Rand mit nur wenigen einzelnen Fasern entlang der Kante produziert.

Die Geometrie spielt insbesondere beim Bohren eine wichtige Rolle. Zu üblichen Lösungen gehören kontinuierlich und/oder stufenweise veränderte Durchmesser. Erstere bezieht sich auf ein Bohrwerkzeug mit einem Schaft, dessen Durchmesser vom Eintrittspunkt bis zur Mitte ansteigt. Das Werkzeug stellt somit eine kleine Führungsbohrung her und räumt diese Bohrung dann auf die vorgegebene Größe.

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