Serienfertigung von Composite-Bauteilen – effizient zerspanen mit Kompressionswerkzeugen
Vom Kotflügel über tragende Strukturteile bis zur Innenraumverkleidung: Immer mehr Bauteile im Automobilbau werden aus Faserverbundwerkstoffen (FVK) gefertigt. Präzisionswerkzeuge werden dabei zur Schlüsseltechnologie – gerade bei einer großvolumigen Serienfertigung. Hier sind sie mitentscheidend für wettbewerbsfähige Prozesse. Im Mittelpunkt stehen dabei zwei Fragen: Wie kann eine Schädigung der Bauteile durch Delamination vermieden werden? Und: Wie lassen sich Bearbeitungskanten prozesssicher – ohne Ausbrüche und Faserüberstände – erzeugen? LMT gibt in diesem Zusammenhang eine „komprimierte Antwort“. – Im Mittelpunkt stehen dabei die Kompressionswerkzeuge von LMT Onsrud und LMT Belin.
Die besondere Problematik bei der Zerspanung von Faserverbundwerkstoffen lässt sich unter dem Fachbegriff Delamination (Enthaftung) zusammenfassen. Je nach Werkstoff und Bearbeitungsart ergeben sich dabei unterschiedliche Schadensbilder. Derzeit werden noch überwiegend duroplastische Harze verwendet, die nach ihrem irreversiblen Aushärtevorgang sehr hart und spröde sind. Besonders an den Werkstückkanten können während der Zerspanung Glas- oder Carbonfasern aus dem spröden Matrixwerkstoff regelrecht „herausbrechen“. Sie verbleiben als Faserüberstände an der Werkstückkante. Bei Sandwichmaterialien mit Honeycomb- oder anderen Füllschichten treten wiederum Kräfte quer zur Hauptlastrichtung auf, die ein „Aufschälen“ und damit Delaminieren von Kern und Deckschicht bewirken. Außerdem kann es zur sogenannten Schichtdelamination innerhalb des Laminats kommen. Hierbei löst sich die Verbindung der einzelnen Gewebeschichten.
Hauptproblem Schichtdelamination
Wie lassen sich diese verschiedenen Formen der Delamination, Ausbrüche oder Gratbildungen vermeiden? – „Der Überhitzung des Werkstücks kann nur mit einer effizienten Spanabfuhr, mit minimaler Reibung an der Schneidkante und im optimalen Fall durch Kühlung mit Luft oder zulässigen Kühlstoffen begegnet werden“, erklärt Martin Danielczick, Leiter des Vertriebssegments Composites & Plastics Machining bei der LMT. „Die beste Lösung zur Vermeidung aller mechanisch bedingten Delaminationen aus Sicht der LMT ist dabei die Kompressionstechnik.“
Zug und Druck im Gleichgewicht
Das Prinzip von Kompressionswerkzeugen beruht auf der Kombination von ziehendem und schiebendem Schnitt. Im optimalen Fall drückt das Werkzeug während der Bearbeitung von oben und unten auf das Werkstück und „komprimiert“ es so regelrecht. „Kompressionswerkzeuge bieten vielfältige Vorteile“, erklärt Danielczick. „Das fängt schon bei ihrer Laufruhe an. Sie verhalten sich durch die gegenläufigen Drallrichtungen sehr neutral. Der hackende Schnitt von gerade genuteten Werkzeugen führt vor allem in spröden, harten Kunststoffen zu Rattermarken und Ausbrüchen. Gedrallte Werkzeuge mit rein ziehendem oder schiebendem Schnitt können ebenfalls zu Schwingungen führen. Das ist bei Kompressionswerkzeugen nicht der Fall.“
High-End-Werkzeuglösung von LMT
Am deutlichsten wird dieses Funktionsprinzip beim High-End-Schlichtwerkzeug der LMT, dem DFC Compression Mill. Das Werkzeug hat einen definierten Kompressionspunkt. Unterhalb dieses Punkts besitzt es einen aufsteigenden Drall, oberhalb drückt es den Span nach unten. Im optimalen Fall sind Zug und Druck im Gleichgewicht, das Werkstück wird dann regelrecht „komprimiert“. Ein „Aufschälen“ – speziell der Randschichten – ist daher mit einem Kompressionswerkzeug nicht möglich.
Zu welchen Leistungen diese Werkzeugtechnologie fähig ist, verdeutlicht ein aktuelles Beispiel aus der Luftfahrtindustrie: In Amerika nutzt ein Kunde von LMT Onsrud seit Mitte letzten Jahres den DFC Compression Mill bei der Produktion eines Tragflächen-Bauteils. „Zuvor war ein Standard-Schlichtfräser für die Endbearbeitung eingesetzt worden – und das mit den üblichen Problemen“, so Leslie Banduch, Senior Vice President Sales & Marketing von LMT Onsrud. „Es kam zu Ausbrüchen und zu Delamination durch Schmelzen der Harz-Matrix. Beides kann mit dem DFC Compression Mill verhindert werden.“ Zugleich profitiert der Flugzeugbauer vom deutlich höheren Vorschub des Werkzeugs: Der Flügel-Bauteil kann drei Mal so schnell bearbeitet werden.