Kompressionswerkzeuge für die Fräsbearbeitung von Composites

Getrieben durch die eMobilität werden neue Fahrzeugkonzepte entwickelt und in der Folge immer mehr Bauteile aus FVK gefertigt. Die große Herausforderung der kommenden Jahre wird der Sprung in die Großserienfertigung sein.

Im Bereich der Zerspanungstechnik werden Anwender verstärkt Bearbeitungszentren oder Roboterzellen für die Bearbeitung von Composite-Bauteilen einsetzen. Vor allem bei der Produktion von Karosseriestrukturteilen sind enge Toleranzen und höchste Qualität gefordert. Die Entwicklung von Präzisionswerkzeugen wird dadurch zur Schlüsseltechnologie, denn eine manuelle Nachbearbeitung ist bei einer großvolumigen Serienfertigung nicht mehr effizient möglich. Die Herausforderung: Wie kann in einem taktzeitoptimierten, stabilen Serienprozess eine Schädigung des Bauteils durch Delamination vermieden werden und wie lassen sich prozesssicher Bearbeitungskanten ohne Ausbrüche und Faserüberstände erzeugen?

„Aus Sicht des Zerspanungsprozesses gilt es, eine hohe Bearbeitungsqualität prozesssicher mit konstanten Werkzeugstandzeiten umzusetzen – auch bei hohen Stückzahlen. Nur so können Composite-Bauteile mittelfristig in der Serienfertigung wettbewerbsfähig hergestellt werden“, erklärt Leslie Banduch, Senior Vice President Sales & Marketing bei LMT ONSRUD, Waukegan/USA, die entscheidende Herausforderung durch die neuen Materialien.

Herausforderung Delamination

Die besondere Problematik bei der Zerspanung von Faserverbundwerkstoffen lässt sich unter dem Fachbegriff Delamination zusammenfassen. In Abhängigkeit von Werkstoff und Bearbeitungsart ergeben sich dabei unterschiedliche Schadensbilder. Die Gefahr einer Delamination ergibt sich generell bei unidirektional oder multidirektional gewebeverstärkten CFK (karbonfaserverstärkte Kunststoffe) und GFK (glasfaserverstärkte Kunststoffe).

Nur schwer erkennbar und deshalb besonders problematisch ist die so genannte Schichtdelamination. Sie tritt innerhalb des Laminats auf. Während der Bearbeitung verlieren einzelne Gewebeschichten ihre Bindung zueinander. Dies geschieht entweder rein mechanisch durch eine Schälbeanspruchung – zum Beispiel durch Ziehen oder Schieben eines gedrallten Fräswerkzeugs – oder durch den Druck eines Bohrers orthogonal zur Geweberichtung. Außerdem kann die Schichtdelamination durch eine lokale Überhitzung der Matrix provoziert werden. Sie wird beim Zerspanungsprozess so stark erhitzt, dass sie irreversibel verbrennt. Wie lassen sich diese verschiedenen Formen der Delamination, Ausbrüche oder Gratbildungen vermeiden?

„Die Überhitzung des Werkstücks kann nur mit einer effizienten Spanabfuhr, mit minimaler Reibung an der Schneidkante und im optimalen Fall durch Kühlung mit Luft oder zulässigen Kühlstoffen vermieden werden“, erläutert Banduch. „Je nach Werkstoff kommen unterschiedliche Schneidengeometrien und Schneidstoffe zum Einsatz. Die beste Lösung zur Vermeidung aller mechanisch bedingten Delaminationen stellt aus Sicht der LMT die Kompressionstechnik dar.“

Zug und Druck im Gleichgewicht

Das Prinzip von Kompressionswerkzeugen beruht auf der Kombination von ziehendem und schiebendem Schnitt. Im optimalen Fall drückt das Werkzeug während der Bearbeitung von oben und unten auf das Werkstück und komprimiert es so.

„Kompressionswerkzeuge sind die optimale Lösung für die hochwertige Bearbeitung von Composites“, betont Banduch. Am deutlichsten wird dieses Funktionsprinzip beim High-End-Schlichtwerkzeug der LMT, dem DFC Compression Mill. Das Werkzeug hat einen definierten Kompressionspunkt. Unterhalb dieses Punkts besitzt es einen aufsteigenden Drall, oberhalb drückt es den Span nach unten. Im optimalen Fall sind Zug und Druck im Gleichgewicht, das Werkstück wird dann regelrecht komprimiert. Ein Aufschälen – insbesondere der Randschichten – ist daher mit einem Kompressionswerkzeug nicht möglich. Die Kompression des Werkstücks unterstützt zudem den Schereffekt an der Schneide. Somit werden die Fasern im Werkstoff effizienter und sauberer getrennt, die Schnittkante bleibt frei von Ausfransungen. Ein weiterer Effekt der sich gegenseitig aufhebenden Axialkräfte zeigt sich bei Vakuumgespannten Bauteilen: Kompressionswerkzeuge verhindern, dass das Werkstück aus der Vorrichtung gezogen wird.

Leistungsfähigkeit bewiesen

Die Leistungsfähigkeit dieser Werkzeugtechnologie verdeutlicht ein Beispiel aus der Luftfahrtindustrie. In Amerika nutzt ein Kunde von LMT Onsrud den DFC Compression Mill bei der Produktion eines Tragflächenbauteils. „Zuvor war ein Standard-Schlichtfräser für die Endbearbeitung eingesetzt worden – mit den üblichen Problemen“, so Leslie Banduch, Senior Vice President Sales & Marketing von LMT Onsrud. „Es kam zu Ausbrüchen und zur Delamination durch Schmelzen der Harz-Matrix. Beides kann mit dem DFC Compression Mill verhindert werden.“ Zugleich profitiert der Flugzeugbauer vom deutlich höheren Vorschub des Werkzeugs: Dreimal so schnell vollzieht sich der Bearbeitungsschritt am Flügelbauteil.

Titelbild: LMT Group Academy