Rattermarken beim Bohren von CFK waren gestern
Präzise zerspanen mit CCDia AeroSpeed
Aufgrund des wachsenden Mobilitätsbedürfnisses gepaart mit Forderungen nach höherer Energieeffizienz setzen die Luft- und Raumfahrt- sowie die Automobilindustrie immer mehr auf Leichtbauwerkstoffe. So ist in den vergangenen Jahren beispielsweise der CFK-Anteil im Flugzeugbau bei einigen Flugzeugtypen auf mehr als 50 Prozent gestiegen. Zudem wird die Entwicklung der Composites-Werkstoffe immer weiter vorangetrieben. Dabei stellt allerdings die inhomogene Materialstruktur Zerspaner vor besondere Herausforderungen, und es gilt, Lösungen zu finden, die auch in der industriellen Massenproduktion bestehen können. Mit dem Diamant-Multilayer CCDia AeroSpeed hat CemeCon eine Beschichtung geschaffen, die beim Bohren von CFK höchste Präzision und Prozesssicherheit liefert.
Composites wie etwa kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) werden für zahlreiche Leichtbauteile verwendet. Denn sie bieten sich überall dort an, wo niedriges Gewicht, geringes Bauteilvolumen und hohe mechanische Leistungsfähigkeit erforderlich sind, so etwa beim Flugzeugbau. Mit diesen Hochleistungsverbundwerkstoffen, bestehend aus der gezielten Kombination verschiedener Faser- und Harz-Materialien unter Verwendung spezieller Verstärkungsstrukturen, können Bauteile mit höchster Festigkeit für die unterschiedlichen Anforderungen maßgeschneidert konstruiert werden. Solche Sandwichkonstruktionen erlauben auch extrem komplizierte Konstruktionen.
Manfred Weigand, Produktmanager Round Tools bei CemeCon: „Die spezielle Struktur, die die Basis für die herausragenden Bauteileigenschaften ist, und die stark abrasiven Fasern machen die Zerspanung von CFK jedoch alles andere als einfach. Hier besteht oftmals immer noch enormes Optimierungspotenzial. Neben hoher Bauteilqualität steht dabei auch immer Prozesssicherheit im Fokus.“
Präzise Bohrungen
Zu den am häufigsten eingesetzten Zerspanaufgaben bei der Bearbeitung von faserverstärkten Kunststoffen gehört das Bohren. Denn die einzelnen Bauteile im Flugzeugbau werden meist mit Nieten verbunden. „Da sind Präzisionsbohrungen mit engen Toleranzen und hohen Oberflächengüten der Bohrungswände und Senkungen unabdingbar. Auch die Bohrungsein- und -austritte dürfen nicht vernachlässigt werden. Sie müssen delaminations- und faserüberstandsfrei sein“, weiß Manfred Weigand. Eine direkte Nachbearbeitung des Werkstücks ist oftmals nur unter hohem Kostenaufwand möglich und damit wirtschaftlich nicht darstellbar.
Gerade beim Bohren von CFK setzen sich diamantbeschichtete Hartmetallwerkzeuge zunehmend durch. Allerdings ist die Oberflächenrauheit aller bisherigen Diamantbeschichtungen in diesem Produktionsumfeld immer wieder kritisch: Sie kann nämlich Werkzeugschwingungen und damit einhergehende Rattermarken in der Senkung verursachen – mit dem Ausschuss der oftmals großen Bauteile als fatale Folge. Zudem können Faserrückstände entstehen, die sich später beim Vernieten mit eindrücken und im schlimmsten Fall zum Lockern der Nietverbindung führen.
Die exakt auf die Anforderungen der CFK-Bearbeitung abgestimmte Multilayerbeschichtung CCDia AeroSpeed schafft Abhilfe. Zum einen besitzt sie eine extrem glatte und feinstkristalline Oberflächentopographie sowie exzellente Haftung. Zum anderen lässt sie die Mikrogeometrie des Werkzeugs unbeeinflusst und hat, verglichen mit allen anderen auf dem Markt verfügbaren Diamantbeschichtungen, deutlich schärfere Schneiden. „Im Einsatz überzeugen die Werkzeuge, lassen sich mit ihnen doch die Fasern des CFK besser trennen. Obendrein glänzen sie mit besten Rauheitswerten in der Bohrungswandung sowie der Senkung. Doch was wirklich essentiell für den Erfolg der Werkzeuge ist: Sie arbeiten schwingungs- und ratterfrei!“, so Manfred Weigand. CCDia AeroSpeed eignet ich neben der Zerspanung von CFK auch zur Bearbeitung von CFK/Al- und CFK/Ti-Stacks.
Verschleißfest und gute Wärmeleitfähigkeit
In vielen Fällen verursachen die harten Kohlenstofffasern bei der zerspanenden Bearbeitung von CFK einen extrem hohen Verschleiß Mit einer Härte von etwa 10.000 HV0,05, die fast identisch mit der von Naturdiamant ist, widersteht CCDia AeroSpeed den hochfesten und stark abrasiven Fasern hervorragend und sorgt so für lange Standzeiten bei den Bohrwerkzeugen.
Die Bindematerialien der Verbundstoffe reagieren zudem meist empfindlich auf hohe Temperaturen. Wird die Reibungswärme während der Bearbeitung zu hoch, kann die thermische Beanspruchung der Harze zur Auflösung einzelner Schichten oder zu Delaminierung an der Bohrung führen. CCDia AeroSpeed sorgt dank seiner extremen Glätte nicht nur für einen guten Spanfluss, sondern leitet auch die Wärme rasch aus der Kontaktzone heraus. Das ist ein Garant für prozesssicheres Zerspanen in Trockenbearbeitung und unter Minimalmengenschmierung.
Wie alle anderen Schichtwerkstoffe der CCDia-Reihe ist CCDia AeroSpeed ein Multilayer. Dazu Manfred Weigand: „Mit unserem patentierten CVD-Diamantbeschichtungsverfahren scheiden wir kristalline und feinstkristalline Schichten abwechselnd übereinander ab und kombinieren damit die Vorteile beider Strukturen, nämlich sehr hohe Adhäsion und extreme Oberflächenglätte. Ein weiterer Vorteil der Multilayer sind ihre rissstoppenden Eigenschaften: Wenn während der Zerspanung ein Riss in der obersten Schicht entstehen sollte, wird er von der darunter liegenden Schicht abgefangen und kann sich somit gar nicht erst bis zum Substrat ausbreiten. Das führt bei Zerspanwerkzeugen, die mit einer Multilayer-Diamantbeschichtung veredelt sind, zu einer deutlich höheren Prozesssicherheit.“
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