Luft- und Raumfahrt im Fokus:Bohren und Fräsen von CFK-Verbundwerkstoffen

In der Luft- und Raumfahrt ist die Arbeit mit leichten Verbundwerkstoffen die Norm. Wir haben kürzlich mit Sandvik Coromant gesprochen, um allgemeine Probleme bei der Metallbearbeitung von Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen und Möglichkeiten zu ihrer Überwindung zu besprechen.

Verbundwerkstoffe wie kohlefaserverstärktes Polymer sind unglaublich abrasiv und erfordern unterschiedliche Ansätze zum Fräsen und Bohren, um eine Delaminierung der Schichten und gezogene Fasern zu vermeiden. Standardwerkzeuge und -methoden, die für die Metallbearbeitung entwickelt wurden, reichen bei der Herstellung von Luft- und Raumfahrtkomponenten aus diesen Materialien einfach nicht aus.

„Kohlefaser verleiht Ihnen überlegene Festigkeit bei viel weniger Gewicht, was in der kommerziellen Luft- und Raumfahrt einige wirklich positive Dinge ermöglicht“, sagt David Den Boer, Spezialist für Luft- und Raumfahrtindustrie und Ingenieur bei Sandvik Coromant. „Wenn das Flugzeug leichter wird, werden die Triebwerke effizienter.“

Die Boeing 787 beispielsweise besteht zu rund 50 Prozent aus CFK und verbraucht 20 bis 25 Prozent weniger Kerosin als ein vergleichbares Flugzeug aus Aluminium. Der zusammengesetzte Rumpf wird in kompletten runden Tonnenabschnitten hergestellt und nicht in Segmenten und Stücken. Die Konstruktion eines solchen Flugzeugs führt jedoch zu Herausforderungen im Entwicklungsprozess der maschinellen Bearbeitung.

„Normalerweise würden wir bei der Arbeit an einem Triebwerksteil mit dem Schneidwerkzeug und dem Prozess am Bauteil selbst experimentieren, aber wir können nicht üben, Löcher in die Seite eines 30-Millionen-Dollar-Rumpfes zu bohren“, sagt Jeffrey Washburn, Produkt Manager bei Sandvik Coromant. „Daher finden alle Prozesstests und -entwicklungen separat an ‚Coupons‘ statt, die die endgültige Komponente genau repräsentieren.“

Möchtest du tiefer gehen? Erfahren Sie mehr über die leichten und dennoch starken Materialien, die in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden. Lesen Sie:„Cutting Challenges:Mixed-Matrix Composites and Fiber Reinforced Composites.“

Werkzeuge zum Fräsen und Bohren von Verbundwerkstoffen

„Kohlefasermaterial ist sehr abrasiv“, sagt Den Boer. „Mit einem typischen Hartmetall-Schneidwerkzeug, das bei einem Metall wie Aluminium für mehrere hundert Löcher halten kann, erhalten Sie bei CFK möglicherweise nur 20 Löcher.“

Um länger zu halten, müssen Werkzeugmaschinen für CFK entweder aus geädertem polykristallinem Diamant (PCD) bestehen oder mit einer Schicht aus Submikron-Diamantpartikeln beschichtet sein – was jedes Werkzeug teurer macht als herkömmliche Werkzeuge. Laut Washburn sind die Kosten für die Herstellung eines Teils jedoch auf die Kosten pro gebohrtem Loch und nicht auf die Kosten pro Werkzeug zurückzuführen.

Ein weiterer Aspekt sind die Kosten für Werkzeugwechsel.

„Nehmen wir an, Sie fräsen die Rumpfoberseite auf einer großen Portal-CNC-Maschine, die 10 bis 15 Minuten braucht, um herunterzukommen, ein neues Werkzeug auszutauschen und wieder nach oben zu gehen“, sagt Den Boer. „Wenn man die Bearbeitungszeit für ein diamantbeschichtetes Werkzeug auf einer ganzen 787-Sektion mit dem Wechsel von 80 oder 90 Hartmetallwerkzeugen vergleicht, kann die Wirtschaftlichkeit gerechtfertigt sein.“

Werkzeugmaterial ist nicht der einzige Unterschied für die CFK-Bearbeitung. Im Gegensatz zu Metallen sind laut Washburn die beiden schwierigsten Probleme beim Fräsen und Bohren von CFK Fasern im Loch und Delaminierung.

„Wenn sie die Qualität eines Lochs analysieren, kann es perfekt sein, aber wenn die Schneidwirkung des Werkzeugs ungeschnittene Fasern im Loch selbst hinterlässt, wird das nicht als guter Schnitt angesehen“, sagt Washburn. „Und wenn Sie entlang der Kante der Oberfläche fräsen, möchten Sie das Werkzeug scharf genug halten, um die Fasern weiterhin sauber zu schneiden, ohne sie aus der Oberfläche zu ziehen oder zu delaminieren.“

Laut Washburn haben Werkzeuge, die für CFK entwickelt wurden, je nach Prozess und Anwendung sehr unterschiedliche Geometrien.

„Ein typischer Schaftfräser mit Spirale möchte das Material immer aus dem Schnitt heben, und wenn wir also versuchen, eine Metallschneidegeometrie auf Kohlefaser anzuwenden, neigt das dazu, das Material zu delaminieren, weil der Spiralwinkel am Schnitt nach oben zieht Oberfläche“, sagt er. „Die Antwort ist, Werkzeuge zu entwickeln, die von unten nach oben ziehen und gleichzeitig von oben nach unten drücken – um das Material sozusagen zusammenzudrücken, damit es nicht delaminiert.“

Stapeln von CFK mit Metallen

Aber diese Spezialwerkzeuge funktionieren normalerweise nicht bei Metallanwendungen, was zu einer weiteren Komplikation führt.

„Verbundwerkstoffe werden oft mit anderen Materialien gestapelt, sodass Sie beispielsweise durch CFK bohren und dann auf eine Titan- oder Aluminiumschicht treffen – und das Werkzeug muss in der Lage sein, beides zu bearbeiten, um ein einziges Loch zu erzeugen“, sagt Washburn.

Die Unterschiede in Zähigkeit und Abrieb zwischen den Materialien in einem Stapel erfordern kreative Lösungen.

„Eine Herausforderung bei der Bearbeitung von CFK, das mit Metallblechen gestapelt ist, besteht darin, dass viele dieser Flugzeugkomponenten nicht mit Schneidflüssigkeit zum Kühlen und Abtransport von Spänen in Berührung kommen können“, sagt Washburn. „Das stellt zum Beispiel ein Problem dar, wenn man versucht, Titan ohne Kühlmittel zu bearbeiten.“

„Die Leute probieren verschiedene Dinge aus, um die verschiedenen Schichten unterzubringen, wie z. B. das Hinzufügen eines Spanbrechers für ein Aluminiumblech, um zu verhindern, dass lange Spanfäden die Fasern zerreißen und das Loch zu groß machen“, sagt Den Boer.

„Wenn die Löcher mit automatischen Bohreinheiten gebohrt werden, haben einige der neueren programmierbare Drehzahlen und Vorschübe, sodass Sie das CFK in einem Stapel mit einer Geschwindigkeit und einem Vorschub bohren können, und sobald Sie auf Titan treffen, können Sie wechseln die Schnittdaten und optimieren sie für jede Schicht“, sagt Den Boer.

Sind Sie jemals auf Probleme beim Schneiden von CFK-Verbundwerkstoffen gestoßen? Sagen Sie uns, was passiert ist und wie Sie es gelöst haben.