Schneidherausforderungen bei Mixed-Matrix- und Faserverstärkten Verbundwerkstoffen meistern

Neu bei Mixed-Matrix- und faserverstärkten Materialien in der Luftfahrt? Hier ist ein Leitfaden, wie man mit Verbundwerkstoffen arbeitet.

Da viele Branchen einschließlich der Luftfahrt zunehmend leichte Komponenten fordern, könnten Sie sich eines Tages vor einem CNC-Bearbeitungszentrum wiederfinden und sich fragen: „Was ist das für Zeug, das ich da schneide?“. Werkzeuge verschleißen schnell, Staub fliegt überall hin, und bearbeitete Oberflächen sind rau, ausgefranst und oft gerissen.

Was sind Verbundwerkstoffe?

„Verbundwerkstoffe sind im Wesentlichen eine Kombination von zwei oder mehr ungleichen Materialien, die zusammen verwendet werden, um beste Eigenschaften zu kombinieren oder einen neuen Satz von Eigenschaften zu vermitteln, den keines der Ausgangsmaterialien allein erreichen könnte“, schreibt Dr. Rainer Groh, Forschungsassistent für nichtlineare Strukturen an der Universität Bristol, in seinem Aerospace-Engineering-Blog.

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

„Die Matrix ist anfällig für Oxidation und Degradation durch übermäßige Hitze, und die Kohlefasern schneiden nicht gut, weil sie brechen statt glatt zu scheren“, merkt American Machinist in einem Artikel über kohlefaserverstärkte Polymere an. „Die Bearbeitung von Verbundwerkstoffen resultiert in einer Reihe von spröden Kohlefaserbrüchen, die staubähnliche Späne erzeugen, die sehr wenig der durch die Bearbeitung erzeugten Wärme abführen.“

Faserverstärkte vs. Matrix-Verbundwerkstoffe

Bodenbalken, Stabilisatorpaneele, Flugsteuerflächen, Türen und Rumpfschotten – dies sind nur einige der vielen Verbundwerkstoff- oder Laminatteile, die heute in Flugzeugen zu finden sind, die meisten aus mehrschichtigen Verbund-Metall-Verbund-Sandwiches oder honigwabenartigen Materialien mit harten Außenbereichen und fast papierartigen Strukturen im Inneren.

Wie auch immer sie konstruiert sind, was auch immer sie in der Luftfahrt laminiert sind – es gibt drei Klassen faserverstärkter Verbundwerkstoffe, einschließlich Keramik, Metall und Kevlar. Ebenso gibt es drei Matrix-Verbundwerkstoffklassen: Phenolharz, Polyester und Epoxid. Diese Materialien können ziemlich schwierig zu zerspanen sein, aber mit etwas Grundwissen und etwas Investition in Ausrüstung und Werkzeug sind alle gut beherrschbar.

Sie haben Verbundwerkstoffe vielleicht als CFRP (kohlefaserverstärkter Kunststoff), MMC (Metallmatrix-Verbundwerkstoff), Aramid (was Kevlar ist) oder dutzende andere ähnlich wissenschaftlich klingende Namen gehört. Der Schlüssel liegt im Verständnis der Unterschiede zur Metallbearbeitung.

„Der Wechsel von metallischer zu Verbundbauweise hat naturgemäß eine Änderung der Designmethodik von Flugzeugkomponenten induziert“, merkt Groh an. „Man muss bedenken, dass nicht nur die mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen sich von denen von Metallen unterscheiden, sondern dass eine ganze Reihe physikalischer und chemischer Eigenschaften anders sind.“

Verbundwerkstoffe schneiden: Staub, Kohlenstoffstaub und Filtersysteme

Beginnen wir mit dem unangenehmen Staub, der um Ihren Kopf wirbelt. Sie wollen das Zeug nicht einatmen. Für einige Anwendungen kann das Fluten der Maschinen mit Kühlschmierstoff einen abrasiven Schlamm erzeugen, der Ihre teure CNC-Maschine beschädigen könnte. Einige Verbundwerkstoffe saugen Wasser wie ein sprichwörtlicher Schwamm auf, sodass das Aufbringen von Kühlmittel das Werkstück tatsächlich beschädigen könnte, wenn Sie nicht die richtige Ausrüstung haben. In anderen Verbundwerkstoffanwendungen kann Kühlmittel jedoch eine sehr effektive Methode sein, den Staub zu kontrollieren, die Standzeit zu verbessern und die Bauteiloberflächen zu verbessern.

Ein weiteres Thema: Kohlenstofffaserstaub ist bekannt dafür, unter bestimmten Umständen zu entzünden. Warnungen beiseite, die Lösung ist einfach genug – jeder Betrieb, der routinemäßig Verbundwerkstoffe zerspant, sollte in ein Filtersystem investieren, das für die Art des bearbeiteten Materials geeignet ist. Eine ziemlich luftdichte Einhausung ist auch eine gute Idee, aber solange ausreichend Vakuum vorhanden ist, um den Staub aus dem Arbeitsbereich abzusaugen, sollte es kein Problem geben. Übriger Staub kann mit einem Industriesauger beseitigt werden (nur sicherstellen, dass der Filter in gutem Zustand ist). Hier sind einige Best Practices für das Filtern von Verbundwerkstoffstaub:

• Prüfen Sie mit Ihrem Maschinenhändler die Notwendigkeit einer positiv gedruckten Spindel wie in Graphit-Schneidmaschinen
• Prüfen Sie beim Materiallieferanten, welche Filtergröße und -art benötigt wird (es gibt viele Variationen)
• Und prüfen Sie beim Kunden die Teile-Sauberkeitsanforderungen – Flugzeughersteller sind meist sehr pingelig bezüglich Staub und Fremdkörper (FOD) auf bearbeiteten Teilen

Werkzeuge zum Schneiden von Verbundwerkstoffen: HSS wegpacken

Was Schneidwerkzeuge angeht, können Sie High Speed Steel (HSS) vergessen. Verbundwerkstoffe sind generell ziemlich abrasiv, und während HSS zäh ist, kann es dem Missbrauch des Schneidens von Material wie Schmirgelpapier nicht standhalten. Wenn Sie nur wenige Teile zu bearbeiten haben, funktioniert VHM, aber Sie brauchen eine sehr scharfe Schneide (das bedeutet, Beschichtungen sind wahrscheinlich ausgeschlossen, dank der mikroskopischen Kantenrundung, die bei allen CVD- und sogar den meisten PVD-Beschichtungen einhergeht).

Die Geometrie ist auch wichtig. Die relativ steilen Spiralwinkel an metallschneidenden Schaftfräsern und Bohrern neigen dazu, die meisten Verbundwerkstoffe zu delaminieren, was die Schichten auseinanderzieht und die Materialintegrität beschädigt – ähnlich wie beim Bohren eines Lochs in ein Stück Glasfasergewebe (auch wenn man es mit bloßem Auge vielleicht nicht sieht). Die beste Wahl ist ein neutraler oder negativer Spiralwinkel-Schneidwerkzeug wie ein Fräser für Holz- oder Kunststoffbearbeitung oder Werkzeuge, die speziell für Verbundwerkstoffarbeit geschliffen wurden.

Für Bohrer nutzen Sie Doppelwinkelspitzen (sie sehen aus wie Batman, mit spitzen Ohren an beiden Seiten der Bohrerspitze), die Kräfte beim Durchbruch reduzieren und Ausfaserungen eliminieren – um Delamination auf der Austrittsfläche zu verhindern. Eine weitere Option ist ein Zentrierbohrer, Holzwerkern bekannt. Sie können das Loch auch mit einem neutralen Spanwinkel-Schaftfräser oder Fräser auf Maß interpolieren.

Verbundwerkstoffe schneiden: Diamanten sind der beste Freund des Zerspaners

Für höhere Stückzahlen oder wo Kantenqualität kritisch ist (was meist der Fall ist), sind polykristalline Diamant (PKD)-bestückte Werkzeuge und diamantbeschichtete Werkzeuge die beste Wahl. Hartgelötete oder wendeschneidplattenbestückte Werkzeuge sind am weitesten verfügbar und machen einen exzellenten Job, aber auch hier bieten einige Schneidzeughersteller Produkte an, die speziell für CFRP und andere Verbundwerkstoffe entwickelt wurden. Evaluieren Sie diese spezifischen Werkzeugtypen, wo immer maximale Performance gefordert ist.

Welchen Ansatz Sie auch mit Schneidwerkzeugen wählen – Vorschübe und Geschwindigkeiten werden Neuland sein. Für die besten Ergebnisse rufen Sie Ihren Werkzeuglieferanten und den Materialhersteller an, planen Sie etwas Testzeit ein und dokumentieren Sie alles, was Sie tun.

Zusätzliche Tipps für die Arbeit mit und das Schneiden von Verbundwerkstoffen

Das Greifen von flatterhaften Verbundwerkstoffteilen kann herausfordernd sein, also schauen Sie sich Vakuumspannung oder lichtaktivierte Klebstoffe an. Wenn Hitze zum Problem wird, versuchen Sie, eine Kaltluftpistole auf die Arbeitszone zu richten.

Hier sind ein paar zusätzliche Verbundwerkstoff-Hinweise, um Sie in die richtige Richtung zu bringen:

• Achten Sie auf die zugrundeliegende Verbundwerkstoff-Faserrichtung und -struktur, da sie in bestimmten Weisen orientiert sein muss, um die gewünschten Bearbeitungsergebnisse zu erzielen
• Sandwichmaterialien können den Einsatz von PKD zugunsten von Hartmetall negieren
• Honigwaben-Verbundwerkstoffe, beliebt in Luftfahrtstrukturen, unterliegen auch einem anderen Spielbuch – hier ist Gleichlauffräsen (Climb Milling) der bevorzugte Ansatz (etwas, das oft nicht der Fall ist bei Verbundwerkstoffen)

Es ist eine gute Idee, dem Pfadfindermotto zu folgen und vorbereitet zu sein: Verbundwerkstoffbearbeitung kommt auf Sie zu.

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