CFK-Titan-Verbunde werkstoffgerecht bohren

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MAPAL Fabrik für Präzisionswerkzeuge Dr. Kress KG

Das unterschiedliche physikalische Bearbeitungsverhalten von CFK, Metall und deren Verbunde (Stacks) wurden untersucht und verifiziert. Gefräst und gebohrt wurden Proben und Stacks aus Aluminium 7050, Titan TiAl6V4 und CFK (IM-M21E). Der CFK-Werkstoff enthielt ausschließlich unidirektional liegende Fasern (UD-Lagen in einer Richtung). Der entwickelte theoretische Ansatz für die mechanische Bearbeitung von CFK wurde anhand plattenförmiger Proben aus UD-Lagen experimentell verifiziert. Die Untersuchungen zeigten die wesentlichen Unterschiede der Metall- und CFK-Bearbeitung.

In circa 9% aller Anwendungen wurden dabei die Prozesse Bohren und Fräsen in Form von Zirkular- oder Orbitalfräsen miteinander kombiniert [3]. In diesen Fällen ließen sich die Vorteile des Fräsens hinsichtlich der Axialkräfte und der minimalen Gratbildung auf das Bohren übertragen.

Abhängigkeit der Zerspanung vom Werkstoffverhalten

Charakteristisch für Metalle sind ein homogenes Werkstoffverhalten, und eine allgemein hohe Hitzebeständigkeit. Sie haben keine Faserstrukturen und somit keine von der Faserrichtung abhängige Festigkeit und lokal unterschiedliche Härte. CFK-Werkstoffe verhalten sich dagegen gänzlich anders. Zeigen Metalle typischerweise ein elastisch-plastisches Bruchversagen, brechen Faserverbundkunststoffe wie CFK elastisch spröde. Beides lässt sich physikalisch berechnen. Das Zerspanungsverhalten von Metallen kann mit der Formel der Kontinuumsmechanik beschrieben werden. Im Gegensatz dazu versagen Faserverbundkunststoffe durch Bruch: Sie verbiegen sich und brechen wie trockene Spaghetti. Faserverbundkunststoffe versagen nach den Regeln der Bruchmechanik.

Bei der mechanischen Bearbeitung von Metallen entwickelt sich in der primären Scherzone eine Wärme, deren Temperatur annähernd der Schmelztemperatur entspricht. Beim Bruch eines CFK-Werkstoffs kommt es dagegen nur zu eine sehr geringen Wärmebildung. Die bekannte Hitzeentwicklung bei der CFK-Zerspanung wird hauptsächlich durch Reibung erzeugt. Das „gebrochene“ CFK-Granulat muss auf eine andere Weise aus der Scherzone entfernt werden als die vergleichsweise großen oder langen Metallspäne.

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