22.01.2019Qualitätsbewertung bei der CFK-Zerspanung (Teil 2)

In meinem letzten Beitrag habe ich aufgezeigt, dass die nasse CFK-Zerspanung kein Blödsinn ist. Wie wird aber die CFK-Bauteilqualität bewertet? Während bei Bauteilen aus „klassischen“ Materialien, wie zum Beispiel Metallen, das Beurteilen der Qualität eher trivial ist, bedarf es bei Faserverbundwerkstoffen mehr Aufwand. Hierfür haben wir uns die Experten der Technischen Universität Wien mit ins Boot geholt.

 

Da wir die Erkenntnisse aus der Metallbearbeitung nicht auf Fasermaterialien übertragen konnten, mussten wir uns externe Experten dazu holen. Wer könnte sich besser dafür eignen als jemand, der drei Jahre in Folge einen Benchmark-Test mit Werkzeugen für die CFK-Zerspanung durchgeführt hat? Richard Zemann von der Technischen Universität Wien und sein Team (heute Apex Egineering – Spin-Off der TU Wien) waren hierfür prädestiniert.

Das Team um Zemann kannte die Werkzeuge und wusste genau wie wir die Qualität nach dem Fräsen und Bohren einstufen müssen. Die von den österreichischen Spezialisten entwickelte eindimensionale Maximalwertmethode bildete somit die Grundlage. Für die Beurteilung der Bauqualität gibt es mittlerweile auch eine DIN SPEC.

Die Mess-Methode

Bei der eindimensionalen Maximalwertmethode werden bei den Bauteilen drei Materialfehler betrachtet:

  • Ausfransung

Die grün hinterlegten Bereiche in Abbildung 1 sind Stellen, an denen die Fasern nicht vollständig abgetrennt werden konnten. Wenn nun eine Kraft auf diese abstehenden Fasern einwirkt, passiert in etwa das gleiche was jeder bei abstehenden Hautfetzen am Fingernagel kennt: Es reisst mehr ab als man möchte. Dies schädigt das Bauteil nachhaltig – nicht nur an der Bearbeitungsstelle.

  • Delamination

Die orange hinterlegten Felder zeigen die Delamination. Hier hat sich das Harz zwischen zwei oder mehr Lagen gelöst, so dass keine Verbindung mehr in vertikaler Richtung besteht.

  • Ausbruch

Das graue Feld ist ein Ausbruch beziehungsweise eine Absplitterung von Material an der Oberfläche des Bauteils. Hier ist die oberste Lage der Fasern mitsamt dem Harz aus dem Bauteil ausgebrochen.

 

Die Materialfehler werden zunächst einzeln berechnet, und anschliessend zu einem Qualitätsindex qi zusammengefasst. Dabei gilt: Je niedriger der Wert, desto geringer der Schaden am Bauteil. Ein Vorteil dieser Methode ist, dass die Grenzwerte auf die jeweiligen Qualitätsansprüche angepasst werden kann. Die Skala selbst ist aber absolut, das heisst sie kann nicht verfälscht werden. Dadurch kann der Anwender einen Index bestimmen, den er bereit ist zu akzeptieren.

Jetzt musste nur noch ein Referenzobjekt zum Messen da sein. Was bietet sich da besser an, als eine bestehende Benchmark-Platte?

Benchmark Platte

Da jeder Kunde unterschiedlichste Bearbeitungsoperationen durchführt, wollten wir bei unseren Versuchen möglichst viele Operationen berücksichtigen.

Auf der oben abgebildeten Benchmark-Platte ist ersichtlich, dass neben Bohrungen (Nummer 1, 2, 7 und 8) auch Nuten (Nummer 3, 4, 5, 9, 10 und 11) gefräst werden. Zudem wird das Bauteil von zwei Seiten in unterschiedlichen Tiefen besäumt (Nummer 6 und 12). Hierbei wird der Umriss des Bauteils nachbearbeitet, dies findet zum Beispiel beim Abtrennen von Faserüberständen Anwendung. Neben dem Bohren ist dies die zweithäufigste Bearbeitungsoperation.

Versuchsreihe im Technologiecenter bei Blaser Swisslube

Da die Werkzeuge nach dem Fertigen einer Platte keine grossen Verschleisserscheinungen zeigten, musste die CNC-Maschine einige zusätzliche Schnittmeter zurücklegen, damit wir auch hinsichtlich Verschliess eine verlässliche Aussage treffen konnten. Die hierfür genutzten Platten waren aus demselben Material wie die Benchmark-Platte.

Mit dieser Ausgangslage konnten wir nun vergleichende Versuche durchführen. Da diese sehr umfassend waren, habe ich nur einen Auszug dargestellt

Die Resultate – Nass- vs. Trockenzerspanung

Bauteilqualität Bohren

Bei der Bohroperation zeigte sich ein spannendes Bild. Obwohl die Bauteilqualität der trocken bearbeiteten Bauteile auf den ersten 10 Meter etwas besser unterwegs war, hatte die nasse Bearbeitung trotzdem die Nase vorn. Denn zwischen 12 und 21 Metern (schraffierter Bereich) musste das trocken bearbeitete Bauteil jeweils nachbearbeitet werden.

Bauteilqualität Bohren

Bauteilqualität Fräsen

Bei den Fräsoperationen zeigte sich ein noch deutlicheres Bild. Bei der Trockenbearbeitung war nach der 10 Meter Marke ein deutlicher Qualitätsverlust des Bauteils festzustellen (Ausbruch auf 25 Prozent). Bei der Nassbearbeitung fräste das Werkzeug hingegen konstant unter der Marke von 10 Prozent. Dies unterstreicht den deutlichen Vorteil der Nasszerspanung hinsichtlich einer höheren Werkzeugstandzeit.  

Werkzeugverschleiss Fräser: Vergleich Trocken vs. Nass
Bauteilqualität Fräsen

Die Nasszerspanung hat sich nach der Versuchsreihe mit der TU-Wien als die optimale Wahl erwiesen. Dank der eindimensionalen Maximalwertmethode konnten wir dies nun auch hinsichtlich der Bauteilqualität belegen. Die Nasszerspanung erzielt längere Werkzeugstandzeiten und fertigt in höherer Qualität. Nachbearbeitungen fallen weg.

Nun fehlt noch die Berechnung der Bearbeitungskosten. Was ist kostenintensiver? Nass oder Trocken? Diese Gesamtkostenbetrachtung der CFK-Zerspanung folgt in meinem nächsten Blogbeitrag.

Georg Reissich
Georg ReissichProjekt Manager

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