Bohren & Fräsen von CFRP-Verbundwerkstoffen in der Luftfahrt optimieren

In der Luftfahrt ist die Arbeit mit leichten Verbundwerkstoffen Standard. Wir sprachen kürzlich mit Sandvik Coromant über gängige Zerspanungsprobleme bei Kohlefaser-Verbunden und Lösungswege.

Verbundwerkstoffe wie kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK/CFRP) sind extrem abrasiv und erfordern andere Fräs- und Bohransätze, um Delamination der Lagen und Faserausriss zu vermeiden. Standardwerkzeuge und -methoden für Metallbearbeitung funktionieren nicht für Luftfahrtbauteile aus diesen Materialien.

„Kohlefaser gibt überlegene Festigkeit bei viel weniger Gewicht, so ermöglicht das in der kommerziellen Luftfahrt wirklich positive Dinge“, sagt David Den Boer, Luftfahrtindustrie-Spezialist und Ingenieur bei Sandvik Coromant. „Je leichter das Flugzeug, desto effizienter die Triebwerke.“

Beispiel: Die Boeing 787 besteht zu ca. 50 % aus CFRP und verbraucht 20–25 % weniger Kerosin als ein vergleichbares Aluminiumflugzeug. Der Verbundrumpf wird in kompletten runden Barrel-Sektionen gefertigt, nicht in Segmenten. Doch der Bau eines solchen Flugzeugs bringt Herausforderungen in der Zerspanungsentwicklung.

„Normalerweise würden wir bei einem Triebwerksteil mit Schneidwerkzeug und Prozess am Bauteil selbst experimentieren, aber wir können nicht Löcher in die Seite eines 30-Millionen-$ Rumpfs bohren“, sagt Jeffrey Washburn, Produktmanager bei Sandvik Coromant. „Deshalb findet die gesamte Prozessentwicklung auf ‚Coupons‘ statt, die das finale Bauteil eng repräsentieren.“

Tiefer einsteigen? Erfahren Sie mehr über leichte, starke Materialien in der Luftfahrt. Lesen Sie: „Schneideherausforderungen: Mixed-Matrix- und Faserverbundwerkstoffe“.

Werkzeuge für Fräsen und Bohren von Verbundwerkstoffen

„Kohlefasermaterial ist sehr abrasiv“, sagt Den Boer. „Ein typisches VHM-Werkzeug, das bei Aluminium mehrere hundert Löcher schafft, erreicht bei CFRP vielleicht nur 20 Löcher.“

Für längere Standzeit müssen Werkzeuge für CFRP entweder genutete polykristalline Diamant (PCD) sein oder mit einer Schicht submicroner Diamantpartikel beschichtet – was jedes Werkzeug teurer macht als traditionelle. Aber laut Washburn ist die richtige Kennzahl der Kosten pro gebohrtes Loch, nicht Kosten pro Werkzeug.

Ein weiterer Aspekt: Werkzeugwechselkosten.

„Angenommen, Sie fräsen den Rumpfdeckel auf einer großen Portal-CNC, die 10–15 Minuten braucht, um herunterzufahren, Werkzeug zu wechseln, wieder hochzufahren“, sagt Den Boer. „Vergleicht man die Maschinenzeit für ein diamantbeschichtetes Werkzeug an einer ganzen 787-Sektion mit dem Wechsel von 80–90 VHM-Werkzeugen, rechtfertigt sich die Wirtschaftlichkeit.“

Werkzeugmaterial ist nicht der einzige Unterschied bei CFRP-Zerspanung. Anders als bei Metallen sind die zwei größten Herausforderungen beim Fräsen und Bohren von CFRP Fasern im Loch und Delamination, so Washburn.

„Analysiert man die Lochqualität, kann es maßlich perfekt sein, aber wenn die Schneidwirkung des Werkzeugs ungeschnittene Fasern im Loch hinterlässt, gilt das nicht als guter Schnitt“, sagt Washburn. „Und beim Fräsen an der Kante will man das Werkzeug scharf genug halten, um Fasern sauber zu schneiden, ohne sie aus der Oberfläche zu ziehen oder zu delaminieren.“

Laut Washburn haben Werkzeuge für CFRP völlig andere Geometrien, je nach Prozess und Anwendung.

„Ein typischer Schaftfräser mit Drall will das Material aus dem Schnitt heben. Wendet man Metall-Schneidgeometrie auf Kohlefaser an, tendiert das zur Delamination, weil der Drallwinkel an der Oberfläche zieht“, erklärt er. „Die Antwort: Werkzeuge entwerfen, die von unten ziehen und von oben drücken – quasi das Material zusammendrücken, damit es nicht delaminiert.“

CFRP mit Metallen im Stapel (Stacking)

Diese Spezialwerkzeuge funktionieren aber typischerweise nicht in Metallanwendungen – eine weitere Komplikation.

„Verbundwerkstoffe werden oft mit anderen Materialien gestapelt, z. B. bohren Sie durch CFRP und treffen dann auf Titan oder Aluminium – das Werkzeug muss beides bearbeiten können für ein einzelnes Loch“, sagt Washburn.

Die Unterschiede in Zähigkeit und Abrasivität zwischen den Schichten erfordern kreative Lösungen.

„Eine Herausforderung beim Bearbeiten von CFRP-Metall-Stapeln: Viele Flugzeugkomponenten dürfen nicht mit Kühlschmierstoff in Kontakt kommen“, sagt Washburn. „Das ist problematisch, z. B. beim Titanbearbeiten ohne Kühlmittel.“

„Man probiert verschiedene Ansätze für die verschiedenen Lagen, z. B. Spanbrecher für Aluminiumlagen, um lange Spanfäden zu verhindern, die Fasern zerreißen und das Loch zu groß machen“, sagt Den Boer.

„Werden Löcher mit automatischen Bohreinheiten gebohrt, haben neuere Modelle programmierbare Drehzahlen und Vorschübe – so bohren Sie CFRP im Stapel mit einem Satz Parameter und wechseln beim Erreichen von Titan die Schneiddaten, optimiert für jede Lage“, sagt Den Boer.

Hatten Sie schon Probleme beim Schneiden von CFRP-Verbunden? Erzählen Sie uns, was passierte und wie Sie es lösten.