Herausforderungen beim Schneiden:Composites mit gemischter Matrix und faserverstärkte Verbundwerkstoffe

Neu bei Mischmatrix- und faserverstärkten Materialien in der Luft- und Raumfahrt? Hier ist eine Einführung in die Arbeit mit Verbundwerkstoffen.

Da viele Branchen, einschließlich der Luft- und Raumfahrt, weiterhin immer leichtere Komponenten fordern, stehen Sie vielleicht eines Tages vor einem CNC-Bearbeitungszentrum und fragen sich:„Was ist das für ein Zeug, das ich schneide?“. Werkzeuge verschleißen schnell, Staub verteilt sich überall und bearbeitete Oberflächen sind rau, abgesplittert und oft rissig.

Was sind Verbundwerkstoffe?

„Verbundwerkstoffe sind im Wesentlichen eine Kombination aus zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien, die zusammen verwendet werden, um die besten Eigenschaften zu kombinieren oder eine neue Reihe von Eigenschaften zu verleihen, die keines der Materialien alleine erreichen könnte“, schreibt Dr. Rainer Groh, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter für nichtlineare Strukturen an der University of Bristol in seinem Aerospace Engineering-Blog.

Zunächst ist es eine gute Idee zu verstehen, warum Verbundwerkstoffe verwendet werden:Weil sie gleichzeitig leicht und stark sind. Klingt einfach genug, um es zu verstehen. Allerdings steckt der Teufel beim Schneiden von Verbundwerkstoffen im Detail.

„Die Matrix ist anfällig für Oxidation und Abbau durch übermäßige Hitze, und die Kohlenstofffasern schneiden nicht gut, weil sie brechen, anstatt glatt zu scheren“, bemerkt American Machinist in einem Artikel über kohlefaserverstärktes Polymer. „[D]ie Bearbeitung von Verbundwerkstoffen führt zu einer Reihe von spröden Kohlefaserbrüchen, die staubartige Späne erzeugen, die nur sehr wenig von der durch die Bearbeitung erzeugten Wärme abführen.“

Faserverstärkte Verbundwerkstoffe vs. Matrix-Verbundwerkstoffe

Bodenträger, Stabilisatorplatten, Flugsteuerflächen, Türen und Schotten – dies sind nur einige der vielen Verbund- oder Laminatteile, die heute in Flugzeugen zu finden sind, von denen die meisten aus mehrschichtigen Verbund-Metall-Verbund-Sandwiches oder wabenartigen Materialien bestehen robustes Äußeres und fast papierartige Strukturen im Inneren.

Wie auch immer sie konstruiert sind, mit was auch immer sie in der Luft- und Raumfahrt laminiert werden, es gibt drei Klassen von faserverstärkten Verbundwerkstoffen, darunter Keramik, Metall und Kevlar. In ähnlicher Weise gibt es drei Matrixverbundklassen:Phenol, Polyester und Epoxid. Diese Materialien können ziemlich schwierig zu bearbeiten sein, aber mit einigen Grundkenntnissen und einer kleinen Investition in Ausrüstung und Werkzeuge sind alle recht handhabbar.

Sie haben vielleicht von Verbundwerkstoffen gehört, die als CFK (kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff), Metallmatrixverbundwerkstoff (MMC), Aramid (das Kevlar ist) oder Dutzende anderer ähnlich wissenschaftlich klingender Namen bezeichnet werden. Der Schlüssel liegt darin, die Unterschiede zur Arbeit mit Metall zu verstehen.

„Der Wechsel von der Metall- zur Verbundbauweise hat natürlich zu einer Änderung der Konstruktionsmethodik von Flugzeugkomponenten geführt“, bemerkt Groh. „Es muss beachtet werden, dass sich nicht nur die mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen von denen von Metallen unterscheiden, sondern dass sich eine ganze Reihe physikalischer und chemischer Eigenschaften unterscheidet.“

Schneiden von Verbundwerkstoffen:Staub, Kohlenstoffstaub und Filtersysteme

Beginnen wir mit dem fiesen Staub, der um deinen Kopf wirbelt. Sie wollen das Zeug nicht einatmen. Bei einigen Anwendungen kann das Überfluten von Maschinen mit Schneidflüssigkeit einen abrasiven Schlamm erzeugen, der Ihre teure CNC-Maschine beschädigen könnte. Einige Verbundwerkstoffe saugen Wasser wie ein sprichwörtlicher Schwamm auf, sodass das Auftragen von Kühlmittel das Werkstück tatsächlich beschädigen kann, wenn Sie nicht über die richtige Ausrüstung verfügen. Bei anderen Verbundstoffanwendungen kann Kühlmittel jedoch eine sehr effektive Methode sein, um Staub zu kontrollieren, die Werkzeuglebensdauer zu verlängern und die Oberflächengüte der Komponenten zu verbessern.

Ein weiteres zu beachtendes Problem:Es ist bekannt, dass sich Kohlefaserstaub unter bestimmten Umständen entzündet. Drohende Warnungen beiseite, die Lösung ist einfach genug – jede Werkstatt, die routinemäßig Verbundwerkstoffe schneidet, sollte in ein Filtersystem investieren, das für die Art des bearbeiteten Materials geeignet ist. Ein ziemlich luftdichtes Gehäuse ist auch eine gute Idee, aber solange genügend Vakuum vorhanden ist, um den Staub nach oben und aus dem Arbeitsbereich zu ziehen, sollte es kein Problem geben. Staubreste können mit einem Shop-Vac entfernt werden (stellen Sie nur sicher, dass der Filter in gutem Zustand ist). Hier sind einige der wichtigsten Best Practices zum Filtern von Verbundstaub:

• Erkundigen Sie sich bei Ihrem Maschinenhändler nach der Notwendigkeit einer Überdruckspindel, wie sie in Graphitschneidemaschinen zu finden ist
• Erkundigen Sie sich beim Materiallieferanten, welche Größe und Art der Filterung benötigt wird (es gibt viele Variationen)
• Und erkundigen Sie sich beim Kunden nach den Anforderungen an die Teilesauberkeit – Flugzeughersteller achten in der Regel sehr genau auf das Vorhandensein von Staub und Fremdkörpern (FOD) auf bearbeiteten Teilen

Werkzeuge zum Schneiden von Verbundwerkstoffen:Weg mit dem HSS

Bei Schneidwerkzeugen können Sie Schnellarbeitsstahl vergessen. Verbundwerkstoffe sind im Allgemeinen ziemlich abrasiv, und obwohl HSS hart ist, kann es den Missbrauch von Schneidmaterial wie Sandpapier nicht ertragen. Wenn Sie nur wenige Teile zu bearbeiten haben, wird Vollhartmetall funktionieren, aber Sie brauchen eine sehr scharfe Kante (das bedeutet, dass Beschichtungen wahrscheinlich nicht in Frage kommen, dank der mikroskopischen Kantenverrundung, die mit allen CVD- und sogar den meisten PVD-Beschichtungen einhergeht ).

Auch die Geometrie ist wichtig. Die relativ steilen Schrägungswinkel an metallschneidenden Schaftfräsern und Bohrern neigen dazu, die meisten Verbundwerkstoffe zu delaminieren, wodurch die Schichten auseinandergezogen und die Materialintegrität beschädigt werden, ähnlich wie beim Bohren eines Lochs in ein Stück Glasfaser (auch wenn dies möglicherweise nicht der Fall ist). mit bloßem Auge sehen können). Am besten eignet sich ein neutrales oder gegenläufiges Schneidwerkzeug wie ein Fräser für die Holz- oder Kunststoffbearbeitung oder Fräser, die speziell für Verbundwerkstoffe geschliffen wurden.

Verwenden Sie also für Bohrer Spitzen mit doppeltem Winkel (sie sehen aus wie Batman, mit spitzen Ohren auf beiden Seiten der Bohrerspitze), die die Kräfte während des Durchbruchs reduzieren und Splittern verhindern, um eine Delamination an der Austrittsfläche zu verhindern. Eine weitere Option ist ein Brad-Spitzenbohrer, der Holzarbeitern vertraut ist. Sie können das Loch auch mit einem neutralen Spankopffräser oder Fräser auf die richtige Größe interpolieren.

Schneiden von Verbundwerkstoffen:Diamanten sind die besten Freunde des Maschinisten

Bei höheren Produktionsmengen oder kritischer Kantenqualität (was meistens der Fall ist) sind polykristalline diamantbestückte Werkzeuge und diamantbeschichtete Werkzeuge die beste Wahl. Gelötete oder indexierbare Werkzeuge sind am weitesten verbreitet und leisten hervorragende Arbeit, aber auch hier bieten einige Hersteller von Schneidwerkzeugen Produkte an, die speziell für CFK und andere Verbundwerkstoffe entwickelt wurden. Evaluieren Sie diese spezielle Art von Schneidwerkzeugen überall dort, wo maximale Leistung erforderlich ist.

Welchen Ansatz Sie auch immer mit Schneidwerkzeugen, Vorschüben und Geschwindigkeiten verfolgen, es wird Neuland sein. Um die besten Ergebnisse zu erzielen, wenden Sie sich an Ihren Werkzeuglieferanten und den Materialhersteller, um sich beraten zu lassen, nehmen Sie sich etwas Zeit zum Testen und dokumentieren Sie alles, was Sie tun.

Zusätzliche Tipps zum Arbeiten mit und Schneiden von Verbundwerkstoffen

Das Festhalten an dünnen Verbundwerkstoffteilen kann eine Herausforderung sein, also werfen Sie einen Blick auf Vakuum-Arbeitshaltung oder lichtaktivierte Klebstoffe. Wenn Hitze zu einem Problem wird, versuchen Sie, eine Kaltluftpistole auf den Arbeitsbereich zu richten.

Hier sind ein paar zusätzliche zusammengesetzte Hinweise, die Sie in die richtige Richtung bringen:

• Achten Sie auf die zugrunde liegende Kornrichtung und -struktur des Verbundmaterials, da es möglicherweise auf bestimmte Weise ausgerichtet werden muss, um die gewünschten Bearbeitungsergebnisse zu erzielen
• Sandwich-Material kann die Verwendung von PKD zugunsten von Hartmetall vereiteln
• Honeycombed-Verbundwerkstoffe, die in Flugzeugstrukturen beliebt sind, unterliegen auch einem anderen Spielbuch – hier ist Gleichlauffräsen der bevorzugte Ansatz (etwas, das bei Verbundwerkstoffen oft nicht der Fall ist)

Es ist eine gute Idee, dem Boy Scout-Motto zu folgen und vorbereitet zu sein:Die Composite-Bearbeitung ist auf dem Weg zu dir.

Wie arbeiten Sie in Ihrer Werkstatt mit Verbundwerkstoffen? Erzählen Sie uns Ihre schneidenden Horrorgeschichten.