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Produktion

Optimierungspotenziale für die CFK-Bearbeitung

| Autor / Redakteur: Prof. Dr. Wolfgang Hintze / Peter Königsreuther

Die technisch-wirtschaftlichen Anforderungen von CFK-Bauteilen verlangen nach neuartigen oder angepassten Bearbeitungskonzepten von der Auslegung bis zur Peripherie. Hier das Wasserstrahlschneiden mit Abrasiv.
Die technisch-wirtschaftlichen Anforderungen von CFK-Bauteilen verlangen nach neuartigen oder angepassten Bearbeitungskonzepten von der Auslegung bis zur Peripherie. Hier das Wasserstrahlschneiden mit Abrasiv. (Bild: Fraunhofer-IFAM)

Wie die anwendungsbezogene Produktionsforschung die Präzisions-bearbeitung von carbonfaserverstärkten Bauteilen verbessern kann, untersuchen Forscher an der Technischen Universität Hamburg-Harburg und am Fraunhofer-IFAM in Stade. Hier ein Einblick in die Ergebnisse.

Aufgrund ihrer vorteilhaften mechanischen Eigenschaften, ihrer Korrosionsbeständigkeit und geringen Dichte werden carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) zunehmend im Mobilitätssektor eingesetzt. Allerdings ist die Herstellung und Montage von Faserverbundstrukturen verglichen mit herkömmlichen Metallteilen noch immer eine Herausforderung hinsichtlich Prozesssicherheit, Produktivität und Wirtschaftlichkeit. Meist müssen CFK-Strukturen nach der Konsolidierung bearbeitet werden, um die an Konturen, Bohrungen und Oberflächen gestellten Präzisionsanforderungen zu erfüllen.

Optimiertes Fräsen und Wasserstrahlschneiden von CFK

Die Schwierigkeiten bei der Bearbeitung ergeben sich aus den gegenläufigen mechanischen und thermischen Materialeigenschaften von Carbonfasern und Harzen, verbunden mit dem laminaren Aufbau der oft vergleichsweise dünnwandigen Bauteile. Insbesondere beeinträchtigt die hohe Härte der Fasern sowie die niedrige Wärmeleitfähigkeit und Temperaturbeständigkeit der Harze den Prozess. Bei Laminaten mit unidirektionalen Einzellagen (bekannt auch als multiaxiale Gelege MAG oder non crimp fabrics NCF), welche die Tragfähigkeit der Fasern sehr gut ausnutzen, prägt sich die Diskrepanz besonders stark aus.

Die technisch-wirtschaftlichen Anforderungen von CFK-Bauteilen verlangen daher nach neuartigen oder optimierten Bearbeitungskonzepten. Diese werden im Folgenden beschrieben und sollten die Auswahl sowie die Auslegung des Fertigungsprozesses, der Anlage, der Betriebsmittel und der Peripherie samt vorgelagerter Prozessplanung mit einschließen.

Was die Kantenbearbeitung von CFK-Schalenbauteilen anbelangt, spielen Fräsverfahren sowie das Abrasiv-Wasserstrahlschneiden heute eine herausragende Rolle. Dafür sind etwa selbstschärfende Fräser interessant, die eine erhöhte Standzeit bieten.

Das Schaftfräsen von Umrisskanten und Durchbrüchen erfolgt bei CFK-Teilen meist bei vollem Arbeitseingriff des Werkzeugs (ae=D), häufiger auch durch einen zusätzlichen Schlichtschnitt. Darum und infolge der oft langen Vorschubwege wird das Werkzeug sowohl mechanisch als auch thermisch stark belastet. Dieser Umstand führt unabhängig vom Schneidstoff zu einem erhöhten Verschleiß an den Schneidkanten und Freiflächen, was die Standzeit deutlich verkürzt.

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