Fransenfrei Forscher entwickeln neue Möglichkeit fürs CFK-Bohren

Redakteur: Peter Königsreuther

Forschende der TU Chemnitz haben mit der GBZ Mannheim GmbH & Co.KG ein neues, gestuftes Verfahren, zum delaminationsfreien Bohren von CFK-Teilen untersucht. Folgendes kam dabei heraus.

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Immer wieder taucht die Frage auf, wie man carbonfaserverstärkte Bauteile delaminationsfrei bohren könnte, wie hier mit Werkzeugen von Mapal. Doch Forscher an der TU Chemnitz haben sich darüber Gedanken gemacht und eine weitere Möglichkeit entwickelt.
Immer wieder taucht die Frage auf, wie man carbonfaserverstärkte Bauteile delaminationsfrei bohren könnte, wie hier mit Werkzeugen von Mapal. Doch Forscher an der TU Chemnitz haben sich darüber Gedanken gemacht und eine weitere Möglichkeit entwickelt.
(Bild: Mapal)

Carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) zeichnet sich durch seine geringe Masse und seine hohe Belastbarkeit aus. Bei der zerspanenden Bearbeitung zeigt sich allerdings, dass das Material, in Werkstück-Dickenrichtung, also quer zur Faserachse, nur sehr geringe Kräfte verträgt. Das ist beim Bohren ein Problem, denn dabei treten sehr hohe Kräfte in Werkzeugaxialrichtung auf. Der Werkstoff kann dadurch am Bohreraustrittsbereich, also dort, wo das Werkzeug unten aus dem Material herauskommt, quasi ausfransen. Der feste Verbund zwischen Faser und Matrixsystem ist dort dann zerstört. Diese Schädigung heißt Delamination. CFK wird vor allem in der Luftfahrtindustrie, in der Elektromobilität oder zum Bau von Windkraftrotoren verwendet. Weil es sich dabei teilweise um sicherheitsrelevante Bauteile handelt, ist das beschädigungsfreie Bohren, um perfekte und damit sichere Produkte herzustellen, unumgänglich, erklären die Forschenden.

Mit gestuftem Bearbeitungsverfahren delaminationsfrei bohren

Deshalb hat sich der Forscher Konstantin Sauer, Wissenschaftler an der Professur Produktionssysteme und -prozesse der Technischen Universität Chemnitz, zum Ziel gesetzt, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem die Kräfte in Vorschubrichtung minimiert werden. Denn so würden Beschädigungen im Bohrungsbereich verhindert. Zusätzlich zur geringen Belastbarkeit in Werkstück-Dickenrichtung stellt die vergleichbar hohe Schnittgeschwindigkeit beim Bohren eine weitere Herausforderung dar. Das liegt daran, dass durch die dabei entstehenden hohen Temperaturen die Kunststoffmatrix, in der die Carbonfasern eingebettet sind, beschädigt werden kann. Deshalb hat Sauer gemeinsam mit der GBZ Mannheim ein gestuftes Bohrverfahren entwickelt.

Im ersten Schritt wird eine kleine Bohrung erzeugt, bei der eine leichte Delamination in Kauf genommen wird. Dann folgt ein Reibprozess, mit einem speziellen Werkzeug, dessen Schneidkanten-Mikrogeometrie per Wasserstrahlschneiden so angepasst wurde, dass bei sehr geringer Schnittgeschwindigkeit (und damit geringerer thermischer Werkstoffbelastung), ein hoher Vorschub möglich ist, erklärt Sauer. Die durch das Vorbohren beschädigten Bereiche werden bei diesem zweiten Schritt sicher entfernt. So könnten hochwertige Bohrungen ohne Beschädigungen hergestellt werden. Die Vorschubkräfte, sagt Sauer, sind durch das neu entwickelte Werkzeug und die spezielle Schneidkantengeometrie nahe null, obwohl man eigentlich hohe Kräfte wegen des hohen Vorschubs erwarten würde.

Gefördertes Forschungsprojekt geht weiter

Die Forschungsarbeiten waren Teil eines Projekts im Rahmen des Vorhabens „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand“ (ZIM). Sie wurden durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Weitere wissenschaftliche Arbeiten bauen auf den Ergebnissen dieses Projektes auf. Die Zusammenarbeit mit der GBZ Mannheim GmbH & Co.KG wird im Rahmen dessen fortgesetzt, sagen die Chemnitzer.

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