Produktion Optimierungspotenziale für die CFK-Bearbeitung

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

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.

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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)

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.

Standweg selbstschärfender Schneiden um 200 % höher

Selbstschärfende Schneiden können hier Abhilfe schaffen: Dazu wurden die Schneiden eines Hartmetallfräsers mit einem vorstehenden Freiflächenbereich versehen, dessen Breite der zulässigen Verschleißmarkenbreite entspricht (Bild 1).

Bild 1: Selbstschärfende Fräser steigern die Werkzeugstandzeit. Dazu werden die Schneiden eines Hartmetallfräsers mit einem vorstehenden Freiflächenbereich versehen.
Bild 1: Selbstschärfende Fräser steigern die Werkzeugstandzeit. Dazu werden die Schneiden eines Hartmetallfräsers mit einem vorstehenden Freiflächenbereich versehen.
(Bild: IPMT TUHH)

Der Schneidenüberstand zur Freifläche, der bei modernen Feinstkornhartmetallen (HW-K10-30F) eine ausreichende Bruchsicherheit gewährleistet, setzt sich gleichmäßig zurück, wodurch ein Anstieg des Schneidkantenradius unterdrückt wird. Infolge des größeren, am Schneidkeil verfügbaren Verschleißvolumens konnte der Standweg beim Schlichten von CFK um 200 % erhöht werden. Das Konzept wurde beim Fräsen von CFK-Bauteilen mit thermoplastischer Matrix erfolgreich industriell umgesetzt.

Das Abrasiv-Wasserstrahlschneiden ist ein weiterer wichtiger Prozess und zeichnet sich durch niedrige wirkende Kräfte und hohe Standzeiten aus. Das Verfahren ist daher prädestiniert für CFK-Bauteile mit größeren Wandstärken und/oder langen Schnittkanten sowie für den Einsatz auf Industrierobotern. Eine wasserstrahlgerechte Erzeugung der Bewegungsbahn von Industrierobotern muss durch Offlineprogrammierung erfolgen, um die geforderte Schnittkantenqualität zu erreichen und eine kollisionsfreie Absorption des Wasserstrahls sicherzustellen (Bildfolge 2). Bei Großserien-CFK-Bauteilen mit räumlichem Schnittkantenverlauf konnten durch Prozesssimulation die Ursachen von Qualitätsmängeln erkannt und behoben sowie die Produktivität des Schneidprozesses wesentlich gesteigert werden.

Bildfolge 2: Schnittergebnisse durch Abrasiv-Wasserstrahlschneiden im Vergleich: hier die Ausgangssituation und unten die technisch verbesserte Bahn.
Bildfolge 2: Schnittergebnisse durch Abrasiv-Wasserstrahlschneiden im Vergleich: hier die Ausgangssituation und unten die technisch verbesserte Bahn.
(Bild: Fraunhofer-IFAM)

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(Bild: Fraunhofer-IFAM)

Oszillierender Vorschub erleichtert die Spanabfuhr beim Bohren

Präzisionsbohrungen sind die Voraussetzung, um CFK-Strukturen miteinander oder mit metallischen Bauteilen durch Niete fügen zu können. Mit Blick auf das Tragverhalten der Fügeelemente müssen sowohl die Bohrungswände engen Maß- und Formtoleranzen genügen als auch die Bohrungskanten beziehungsweise die Senkungsoberflächen makellos sein.

Um in der Montage von CFK-Strukturen zahlreiche Nietbohrungen automatisiert einzubringen, haben sich diamantbeschichtete Hartmetallwerkzeuge bewährt. Hierbei wird die günstige Biegebruchfestigkeit eines Feinstkornhartmetallsubstrats HW-K10F mit der technisch höchstmöglichen Härte von binderfreiem Diamant kombiniert. Dies gestattet, die Toleranz des Bohrungsdurchmessers über sehr viele Bohrungen prozesssicher einzuhalten.

Eine innovative Bohrergeometrie verhindert die bei unidirektionalen CFK-Decklagen besonders kritische Delamination am Bohrungsaustritt (Bild 3). Dadurch kann auf schützende Glaslagen verzichtet werden, womit sowohl Strukturgewicht als auch Produktionskosten sinken.

Bild 3: Eine innovative Geometrie eines diamantbeschichteten Stufenbohrers verhindert die bei unidirektionalen CFK-Decklagen besonders kritische Delamination am Bohrungsaustritt.
Bild 3: Eine innovative Geometrie eines diamantbeschichteten Stufenbohrers verhindert die bei unidirektionalen CFK-Decklagen besonders kritische Delamination am Bohrungsaustritt.
(Bild: IPMT TUHH)

Beim Bohrsenken von CFK-Strukturen können aufgrund der bislang üblichen Oberflächenrauheit diamantbeschichteter Werkzeuge Ratterschwingungen angeregt werden, die zum Werkzeugversagen und zu Ausschuss führen. Durch einen optimierten Beschichtungsprozess wird die Oberflächenrauheit deutlich reduziert und ein schwingungsfreier Bohrsenkprozess erreicht (Bildfolge 4). So konnten die Standzeit im Vergleich zu den herkömmlichen, unbeschichteten Bohrsenkern vervierfacht sowie die Werkzeugkosten um 40 % und die Rüstzeiten um 75 % gesenkt werden.

Bildfolge 4: Senkungsoberflächen im Vergleich: hier bei konventioneller Diamantschicht mit Ratterschwingungen und unten die schwingungsfreie Ausprägung bei glatter Schicht.
Bildfolge 4: Senkungsoberflächen im Vergleich: hier bei konventioneller Diamantschicht mit Ratterschwingungen und unten die schwingungsfreie Ausprägung bei glatter Schicht.
(Bild: IPMT TUHH)

(Bild: TUHH)

Eine von CFK-Staub freie Umgebung ist anzustreben

Häufig müssen Schichtverbunde aus CFK und Aluminium oder Titan gebohrt werden. Die prozesssichere Entfernung langer Metallspäne aus der Bohrung sowie die Einhaltung der Bohrungstoleranz erfordern deshalb oft eine Minimalmengenschmierung (MMS), die eine aufwendige Reinigung nach sich zieht. Eine alternative Methode kann eine der Vorschubbewegung überlagerte Oszillation sein. Bei geeigneter Phasenverschiebung der aufeinander folgenden Schneideneingriffe, kann die Spanbildung periodisch unterbrochen werden, ohne dass die Bohrerschneiden mechanisch überlastet werden (Bild 5).

Jüngste Entwicklungen entsprechender „Peck-Feed“-Bohrsysteme sind ein wesentlicher Schritt hin zu komplett trocken ausgeführten Präzisionsbohrungen in CFK-Leichtmetall-Schichtverbunden.

Bild 5: Verlauf der Spanungsdicke, abhängig vom Zahnvorschub und der „Peck-Feed“-Amplitude. Eine geeignete Axialschwingung lässt kurze Späne entstehen.
Bild 5: Verlauf der Spanungsdicke, abhängig vom Zahnvorschub und der „Peck-Feed“-Amplitude. Eine geeignete Axialschwingung lässt kurze Späne entstehen.
(Bild: IPMT TUHH)

Die Entfernung des bei der Bearbeitung erzeugten CFK-Staubs verdient aus Gründen des Gesundheitsschutzes der Maschinenbediener, des Verschleißschutzes mechanischer Maschinenkomponenten sowie elektronischer Hardware eine hohe Aufmerksamkeit.

Beim Bohren lassen sich CFK-Stäube, abgesehen vom Bohreraustritt, zumeist durch kompakte Absaughauben entfernen. Beim Schaftfräsen von CFK-Bauteilen wird allerdings die wirkstellennahe Stauberfassung mittels Absaugglocken durch wechselnde Vorschubrichtungen und Störkonturen erschwert. Dazu ist die anfallende Staubmenge im Vergleich zum Bohren erheblich höher. Infolgedessen kommen oft größer dimensionierte Absaugglocken oder eine Arbeitsraumabsaugung zum Einsatz. In Verbindung damit müssen hohe Luftvolumenströme bewegt werden. Der Energieverbauch dafür ist aber erheblich und die Staubentfernung bleibt dennoch unbefriedigend. Alternativ wurde ein Erfassungsmundstück entwickelt, das kollisionsfrei in der vom Schaftfräser erzeugten Nut nachgeführt wird. Dadurch wird verhindert, dass sich der Staub räumlich ausbreitet. Das System arbeitet rückstandsfrei und hat gegenüber der Arbeitsraumabsaugung eine um 80 % geringere elektrische Leistungsaufnahme (Bild 6).

Bild 6: Ein staubfreier Arbeitsraum mittels Erfassungsmundstück, das kollisionsfrei in der gefrästen Nut nachgeführt werden kann, um Stäube noch effizienter zu erfassen.
Bild 6: Ein staubfreier Arbeitsraum mittels Erfassungsmundstück, das kollisionsfrei in der gefrästen Nut nachgeführt werden kann, um Stäube noch effizienter zu erfassen.
(Bild: IPMT TUHH)

Die Geometrie von CFK-Bauteilen schnell ermitteln

Angesichts der Halbzeugtoleranzen von CFK-Schalenbauteilen und der speziell bei Großstrukturen oft engen Toleranzfeldbreite lässt sich die geforderte Präzision meist nur durch Messen jedes Bauteils und gegebenenfalls der Vorrichtung auf der Maschine erzielen. Tastende Punktmessverfahren zeichnen sich durch hohe Genauigkeit aus, verursachen jedoch erhebliche Nebenzeiten. Durch optische Messverfahren gelingt es jedoch, den bisweilen dominierenden Messzeitanteil stark zu verkürzen (Bild 7). Bei geeigneter Modellierung und Kalibration der gesamten Messkette, bestehend aus Sensor und Werkzeugmaschine, lassen sich etwa mit Linienscannern oder CCD-Kameras nahezu die Absolutgenauigkeit und die Wiederholgenauigkeit der verwendeten Bearbeitungsmaschine erreichen.

Bild 7: Die optimierte Vermessung flexibler Spannvorrichtungen zur Bearbeitung von CFK-Großstrukturen mittels Linienscanner oder CCD-Kamera kann die Genauigkeit der Bearbeitungsanlage erreichen.
Bild 7: Die optimierte Vermessung flexibler Spannvorrichtungen zur Bearbeitung von CFK-Großstrukturen mittels Linienscanner oder CCD-Kamera kann die Genauigkeit der Bearbeitungsanlage erreichen.
(Bild: IPMT TUHH, Wollnack)

Auch die Bearbeitungsanlagemuss im Fokus bleiben

Neue Maschinenkonzepte können wesentlich dazu beitragen, die Bearbeitung von CFK-Strukturen hinsichtlich Produktivität und Wirtschaftlichkeit zu optimieren. Industrieroboter und mobile Maschinen sind aufgrund ihrer kinematischen Flexibilität sowie der geringen Investitionskosten und Maschinengewichte interessant, um zeitparallel und somit schneller zu fertigen. Bei CFK-Großstrukturen ergibt sich, verglichen mit Sondermaschinen, ein Vorteil durch den Verzicht auf Schwerlastfundamente. Wesentliches Hindernis im Hinblick auf die angestrebte Präzisionsbearbeitung ist heute die eingeschränkte Positionier- und Bahngenauigkeit sowie die mangelnde Steifigkeit gängiger, serieller Roboterkinematiken. Beispielsweise wird durch robotergerechte Prozessgestaltung, neue Methoden der Absolutkalibrierung und bearbeitungsgerechte CNC die Anwendbarkeit von Industrierobotern zur Präzisionsbearbeitung von CFK-Strukturen erweitert. Auf einfache Weise lässt sich die Bearbeitungsgenauigkeit serieller Roboterkinematiken schon durch eine geneigte Aufstellung verbessern, indem etwa die erste Achse durch das Gewicht der Arme vorgespannt wird (Bild 8).

Bild 8: Die Bearbeitungspräzision eines Roboters kann durch Vorspannung der ersten Achse mittels geneigter Aufstellung erhöht werden.
Bild 8: Die Bearbeitungspräzision eines Roboters kann durch Vorspannung der ersten Achse mittels geneigter Aufstellung erhöht werden.
(Bild: Fraunhofer IFAM)

Die vorgestellten Möglichkeiten hier als Fazit

Die wirtschaftliche Fertigung und Montage von CFK-Strukturen in hoher Qualität und großer Stückzahl stellt die Produktionstechnik vor neue Herausforderungen. Durch die ganzheitliche Betrachtung von Bearbeitungstechnologien, Maschinenkonzepten und Anlagenperipherie lassen sich branchen- und aufgabenspezifisch angepasste Bearbeitungssysteme entwickeln. Exemplarisch wurden aktuelle Lösungen aus der Forschung des IPMT der TUHH und des Fraunhofer-IFAM Stade präsentiert. ■

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