CFK-Titan-Verbunde werkstoffgerecht bohren

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Ermittlung geeigneter Spitzenwinkel immer noch im Fokus von Bohrtests

Prozessmodelle eignen sich dazu, einen komplexen Sachverhalt in wesentliche Bestandteile aufzuteilen und diese dadurch besser diskutieren zu können. Analoge Erkenntnisse bekannter Technologen unterstützen das Prozessverständnis und beschreiben dieses mathematisch. Beispielsweise steht der geeignete Spitzenwinkel des CFK-Bohrers noch immer im Fokus ausführlicher Tests. Das folgende Modell zeigt, dass generell ein kleiner Spitzenwinkel für das Bohren von Faserverbundkunststoffen zu bevorzugen ist.

Das Modell beschreibt zwei Bohrer mit unterschiedlichem Spitzenwinkel in der letzten CFK-Schicht, direkt vor dem Bohrungsaustritt. Bei der CFK-Oberfläche handelt es sich idealerweise um eine Schicht aus drei UD-Lagen. Jede Schicht wird durch ein Roving beschrieben, der circa 25.000 Fasern enthält.

Der Faser-Volumen-Anteil (Anteil von Faser- zu Harzvolumen) innerhalb der Rovings ist um ein Mehrfaches höher als zwischen den Rovings. Zwischen den Rovings befindet sich ausschließlich das Harz. Der Matrixwerkstoff hat eine wesentlich geringere Festigkeit. Unter der Belastung durch den Spitzenwinkel des Bohrers wird ein Bruch entlang dieser Matrixschicht mit niedrigem Faseranteil erfolgen [6].

Wärmewelle vor dem Bohrer staut sich am Bohrungsaustritt

Nähert sich der Bohrer der letzten Schicht, entsteht in Abhängigkeit vom Spitzenwinkel eine Biegespannung am Roving. Der größere Spitzenwinkel erzeugt dabei eine größere Flächenlast und damit eine höhere Dehnkraft sowie ein höheres Reaktionsmoment an den Seiten des Rowings. Die erhöhte Dehnkraft im Rowing führt zum Riss und das Reaktionsmoment zur Delamination. Wird ein kleinerer Spitzenwinkel verwendet, verringern sich das Reaktionsmoment und das Risiko der Delamination.

Beim Vollbohren in Metall sind es nicht die Kräfte an der Bohrerspitze, sondern die Temperaturen an den Kanten des Bohrers, die eine Gratbildung verursachen. Die Maximaltemperatur entsteht an der Bohrerspitze [7]. Die Wärmewelle vor dem Bohrer staut sich am Bohrungsaustritt und erweicht das Material. Der axiale Druck reicht deshalb aus, um das erweichte Metall plastisch zum Grat umzuformen.

Universal-Zerspanwerkzeuge für CFK-Metall-Verbunde ungeeignet

Die Modelle zur Beschreibung der Zerspanungsgrundlagen von Metall und Faserverbundkunststoffen und die daraus resultierenden Vorteile wurden wiederholt in praktischen Versuchsreihen bestätigt. Bohrer, bei denen diese Erkenntnisse berücksichtigt wurden, haben keinerlei Probleme mit Delamination und Faserüberständen. Die Gratbildung ist sehr gering [8].

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