22.01.2018CFK-Zerspanung – ist nass Blödsinn?“

„CFK nass bearbeiten?! Blödsinn!“ Diese Aussage ist mir auf einer Messe an den Kopf geworfen worden, als ich das Thema vorsichtig angesprochen habe. Da ich mich aber bereits seit mehr als 2 Jahren mit dem Thema beschäftige, und davon überzeugt bin, fühlte ich mich auch persönlich angegriffen. Wie kommt diese Person also dazu, meinen Arbeitsinhalt derart in Frage zu stellen? Ist es Ignoranz? Eine Strategie? Oder einfach Unwissen? Es muss eine Kombination aus allem sein, wodurch Angst entsteht. Was löst diese Angst aus? Ist sie berechtigt?  

Das mechanische Bearbeiten von Faserverstärkten-Kunststoffen wird häufig ohne den Einsatz von Kühlschmierstoffen durchgeführt. Entsprechend ist die gesamte Zulieferer-Industrie darauf eingestellt. Es gibt nur wenige Mutige die es probiert haben, und auch dabei geblieben sind. Werkzeuge, Absaugungen und Maschinen werden, wo es geht, trockengelegt. Aber warum? Macht das Sinn? 

Was sagt denn die Wissenschaft dazu?

Die Angst, die das Lager der Trocken-Zerspaner antreibt liegt darin, dass man den Einfluss vom Kühlschmierstoff auf die Bauteile schlicht und einfach nicht kennt. Ich hatte ja auch keine Ahnung was dort passiert, bevor ich mich näher damit befasst habe. Wir haben uns auch mit Vertretern der Wissenschaft zusammengesetzt. Das Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung hat sich bereit erklärt, uns hier tatkräftig zu unterstützen. 

Wonach suchen wir eigentlich – wovor haben die Leute Angst?

Bevor wir anfingen, mussten wir aber erst wissen, wovor die Leute Angst haben. Nach einigen Gesprächen mit Endanwendern, die Verbundwerkstoffe bearbeiten, konnte die Angst auf drei Punkte runtergebrochen werden. 

1. Wechselwirkung zwischen Material und Kühlschmierstoff

Da man das Material durch seine Eigenschaften häufig in hochbeanspruchten Anwendungen wiederfindet, ist die Angst, dass das Bauteil versagt natürlich gross. Nicht auszumalen, was passiert, wenn plötzlich der Flügel eines Fliegers nicht mehr genug Kräfte aufnehmen kann.   

2. Rückstände des Mediums auf bearbeiteten Flächen

Anders als bei Sicht-Carbon, bei dem es nur um die Optik des Bauteils geht, werden technisch beanspruchte Teile auch lackiert oder geklebt. Dafür müssen die Oberflächen natürlich blitzblank sein.  

3. Bauteil-Qualität

Genau wie beim Metall gibt es auch bei CFK, beim falsch bearbeiten Bauteil Fehler, die zu Ausschuss führen können. Der Kühlschmierstoff hat hier ganz klar Einfluss. Wie der aussieht, verraten die Versuchsergebnisse. 

Argumente für die CFK-Zerspanung mit Kühlschmierstoff

Da wir die Probleme nun kannten, haben wir uns an die Arbeit gemacht, die Argumente zu widerlegen.

Zu unserem Glück gibt es genügend wissbegierige Studenten, die ihre Bachelor oder Master Thesis auf diesem Gebiet schreiben wollen/müssen. Eine Thesis hat gleich alle drei Ängste behandelt.

Um die Wechselwirkungen des Kühlschmierstoffs mit dem Material zu untersuchen, haben wir einige Bauteile in verschiedenen Konzentrationen eingelegt. Anschliessend haben wir die Festigkeit des Werkstücks mittels Drei-Punkt-Biegeversuch ermittelt. Natürlich auch mit trockengelagerter Referenz.

Die Ergebnisse sprechen für sich: Kein signifikanter Unterschied zwischen den eingelagerten und der trockenen Referenz. Angst Nummer eins ist raus. 

Abbildung 1: Übersicht der Interlaminaren Scherfestigkeit von unterschiedlich gefrästen Proben

Nun zu den Rückständen

Wie untersucht man denn Rückstände? Wir haben direkt einen Schritt weitergedacht und die Folgeprozesse untersucht. Die Probeteile wurden wieder trocken und nass bearbeitet. Anschliessend hat das Fraunhofer Institut freundlicherweise immer zwei Proben zusammengeklebt und wieder auseinandergerissen. Und jetzt wird es spannend: Ungereinigte Proben haben eine höhere (!) Kraft ausgehalten als gereinigte Proben. Da wir das Ganze selbst nicht glauben konnten, laufen aktuell interne Versuche um den Sachverhalt zu belegen.

Abbildung 2: Kraft/Weg Vergleich von Trocken vs KSS

Last but not least: Die Qualität

Hier haben wir uns an ein Institut gewendet, welches sehr erfahren ist in der Qualitätsbeurteilung. Die Technische Universität Wien hat uns mit ihrem enormen Know-How beim Bewerten der bearbeiteten Bauteile unterstützt. Hierfür hat die TU sogar ein eigenes Musterbauteil kreiert, welches die gängigsten Bearbeitungsoperationen enthält.  

Bei Qualität darf es keine subjektiven Kriterien geben. Daher wurde ein Prinzip ausgearbeitet, mit dem eine objektive Einschätzung getroffen werden kann. Da es sich dabei aber um ein extrem wichtiges und umfangreiches Thema handelt, bedarf es mehr Platz als mir hier noch zur Verfügung ist.

Dieses Thema nehme ich in meinem nächsten Blog-Beitrag auf. Fortsetzung folgt!

Georg Reissich
Georg ReissichProjekt Manager

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