Compositeteile möglichst wirtschaftlich zerspanen

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Welche Werkzeuge liefern die besten Ergebnisse?

Auch bezüglich des Bohrens von Composites gibt es noch viel Diskussionspotenzial, das zum Beispiel den Bohrspitzenwinkel betrifft. Allgemein ist man der Ansicht, dass ein Bohrer umso besser arbeitet, je kleiner der Bohrspitzenwinkel ist. Bild 4 vergleicht zwei verschiedene Spitzenwinkel miteinander, die sich in der letzten Schicht einer CFK-Probe kurz vor ihrem Austritt befinden. Der schichtweise Aufbau der CFK-Probe führt dazu, dass es Bereiche mit relativ hohem und niedrigem Faservolumenanteil gibt. Der hohe Faservolumenanteil liegt innerhalb des Rovings, der geringe Faservolumenanteil zwischen den Rovings. Ein Riss wird sich mit hoher Wahrscheinlichkeit im Bereich geringerer Festigkeit respektive geringen Faservolumenanteils ausbilden. Wird die letzte Roving-Lage durch die Axialkraft des Bohrers zu stark belastet, bildet sich ein Riss zwischen der letzten und vorletzten Lage. Die daraus folgende Ablösung des Rovings aus dem Verbund führt zur Delamination.

Bei einem kleinen Spitzenwinkel wird die Axialkraft auf mehrere Lagen verteilt. Bei einem großen Spitzenwinkel wird der Großteil der Belastung auf die letzten Lagen übertagen. Ein großer Spitzenwinkel führt daher eher zur Delamination als ein kleiner, was oben rechts im Bild an den Ausfransungen am Bohrlochrand zu erkennen ist. Die Untersuchungen haben bestätigt, dass ein kleiner Bohrspitzenwinkel tatsächlich bessere Ergebnisse bringt.

Diamant und Vollhartmetall haben die Nase vorn

Auch beim Endbeschnitt von CFK-Komponenten durch Fräsen gibt es diverse Möglichkeiten, um die Delaminationsgefahr zu minimieren. Eine besteht darin, die Werkzeugschneiden gegeneinander anzuordnen, was als Kompressionsfräser bezeichnet wird. Das erhöht jedoch den Staubdruck auf die Wirkzone des Fräswerkzeugs. Eine intelligente Alternative dazu können Werkzeuge mit Faserfang-Rillen, welche die Fasern vor dem Schnitt quasi fixieren, sein. Ähnlich wie die Zacken einer Schere des Friseurs, welche die Haare am Ausweichen hindern, fixieren die Rillen an der Werkzeugschneide die Faser und vermeiden so die Delamination beziehungsweise überstehende Faserenden.

Vor diesem Hintergrund wurden verschiedene Vortests unter anderem an Komponenten von Airbus und anderen Herstellern auf einer DMU-80-Monoblockmaschine per Trockenbearbeitung im Mapal-Technikum durchgeführt [4]. Abschließende Untersuchungen erfolgten auf einer M-Torres-Werkzeugmaschine in Murcia. Die verwendeten Werkzeuge waren aus Vollhartmetall, Vollhartmetall mit CVD-Diamantbeschichtung sowie Varianten, beschichtet mit eingelöteten, polykristallinen Diamantplatten (PKD). Dabei sollten die Werkzeuge den erzeugten Staub hinreichend gut abschleudern und der Verschleiß des Werkzeugs so gering wie möglich sein. Das Ergebnis war, dass mit der Gegenlauf-Frässtrategie die PKD- und auch die diamantbeschichteten Werkzeuge aus Vollhartmetall die besten Resultate lieferten (Bild 5).

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