Fraunhofer-IPA FVK-Leichtbaukomponenten materialgerecht bearbeiten

Die Bauteile der Zukunft sollen leichter werden. Um das zu erreichen, nutzen viele Branchen faserverstärkte Strukturen, die aber meist noch spanend endbearbeitet werden müssen. Was man dabei stets beachten sollte, erklären Fraunhofer-Forscher aus Stuttgart.

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Jäger Gummi und Kunststoff GmbH

LK Metallwaren GmbH

item Industrietechnik GmbH

Moderne Leichtbauwerkstoffe werden in immer mehr Branchen eingesetzt. Dabei ist die mechanische Bearbeitung hybrider Werkstoffe mit Carbon-, Glas- oder Aramidfasern sowie Schichtverbunden (Stacks) oder Sandwichstrukturen mit Waben oder Schäumen erforderlich, um die Vorteile des Leichtbaus auszunutzen. Schneid-, Bohr- und Fräsbearbeitungsschritte sind deshalb unumgänglich. Dabei dürfen aber keine ungeeigneten Fertigungsschritte und Prüfmethoden zum Einsatz kommen, denn diese können zu teuren Bauteilbeschädigungen und somit zu Ausschuss führen.

Werkstoff- und Prozessverständnis sorgt für Wirtschaftlichkeit

Aufgrund der wachsenden Nachfrage nach leichten Strukturkomponenten steigen viele Unternehmen in die Zerspanung von Faserverbundkunststoffen (FVK) und Leichtbauwerkstoffen ein und verwenden dabei Holzbearbeitungsmaschinen sowie ungeeignete Werkzeuge und Spannsysteme. Aufgrund der Neuartigkeit vieler Leichtbauwerkstoffe fehlen geeignete Werkzeuge, Hilfsmittel und Qualitätskontrollen in der Fertigung. Viel häufiger als bisher angenommen finden optische Qualitätskontrollen durch Mitarbeiter sowie Trial-Error-Lernmethoden in Fertigungsketten statt. Dies wirkt sich negativ auf die Fertigungsabläufe sowie auf die spätere Bauteilfunktion aus. Die Bearbeitung faserverstärkter, hybrider Bauteile sowie von Schichtverbunden (Stacks) oder Sandwichstrukturen mit Waben oder Schäumen benötigt aber ein fundiertes Werkstoff- und Prozessverständnis.

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Bearbeitungsfehler vermeiden

Bearbeitungsfehler können zu Bauteilschädigungen führen und sind als kritisch für die spätere Funktion zu betrachten. Einer der relevantesten und am meisten verbreiteten Bearbeitungsfehler bei der Bohrbearbeitung faserverstärkter Kunststoffe ist die Delamination am Austritt des Bohrwerkzeugs (Push-out). Delamination tritt hierbei verstärkt bei Verbundwerkstoffen mit langen Fasern auf, während bei Verbundwerkstoffen mit kurzen Fasern bevorzugt Abplatzungen hervorgerufen werden. Ursachen für Push-out-Delamination sind vor allem hohe Vorschubgeschwindigkeiten und -kräfte beim Bohrungsaustritt. Sie ist ein sehr häufiger und ausgeprägter Bearbeitungsfehler und verursacht eine Reduktion der gesamten Steifigkeit und Festigkeit einer Struktur.

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