Werkzeuge Maßgeschneiderte PKD-Werkzeuge senken Kosten bei CFK-Zerspanung

Autor / Redakteur: Diethard Thomas / Rüdiger Kroh

Beim Zerspanen von CFK sind Kompressionswerkzeuge die beste Lösung zum Vermeiden von Delamination. Dabei werden mit PKD-Schneiden höhere Vorschübe und eine längere Standzeit erreicht. So konnten beim Beschneiden von CFK die Maschinenkosten um 38 % im Vergleich zu AlTiN-beschichteten Werkzeugen reduziert werden.

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Bild 1: Die Luftfahrtindustrie ist ein Treiber für Leichtbauwerkstoffe. So ist der CFK-Anteil im Flugzeugbau in den vergangenen 20 Jahren von 7 auf etwa 50 % gestiegen.
Bild 1: Die Luftfahrtindustrie ist ein Treiber für Leichtbauwerkstoffe. So ist der CFK-Anteil im Flugzeugbau in den vergangenen 20 Jahren von 7 auf etwa 50 % gestiegen.
( © adimas - Fotolia)

Das weltweit wachsende Mobilitätsbedürfnis der Bevölkerung in Verbindung mit der Forderung nach Energieeinsparung generiert eine neue Dynamik für Leichtbauwerkstoffe wie Faserverbundkunststoffe und deren „Schwergewicht“ CFK. Automobil- und Luftfahrtindustrie werden überproportional wachsen und üben gleichzeitig eine Sogwirkung auf andere Anwendungen und weitere Produkte aus Kunststoff aus.

Die Produktionsmengen werden deutlich steigen. Das führt zum Umdenken im Fertigungsprozess, von der Manufaktur zur industriellen Massenproduktion mit gesteigerten Anforderungen bezüglich Kostensenkung und Prozesssicherheit.

Quotient aus Gewicht und Festigkeit soll möglichst klein sein

Der gesamte Produktionsprozess wird in Zukunft verstärkt durch eine Kette von Einflussgrößen bestimmt, deren erstes Glied die Verbesserung der Werkstoffeigenschaften und die Entwicklung neuer Werkstoffe ist. Als eine Werkstoffkenngröße ist der Quotient aus Gewicht und Festigkeit zu nennen, der möglichst klein sein soll und damit den Grundstein für die Substitution bisheriger Leichtbauwerkstoffe legt. So hat CFK das Aluminium im Flugzeugbau (Bild 1) signifikant verdrängt. Während der Aluminiumanteil an allen Werkstoffen vor 20 Jahren noch bei etwa 70 % lag, ist er heute auf rund 20 % geschrumpft. Dagegen ist der CFK-Anteil im Flugzeugbau von 7 auf etwa 50 % gestiegen.

Der Übergang von der Manufaktur zur industriellen Massenfertigung fordert somit ständig verbesserte Produktionsprozesse, Maschinen und Werkzeuge. Es gibt bisher kein Universalwerkzeug, sondern jedes Werkzeug muss immer aufs Neue und maßgeschneidert an den individuellen Prozess angepasst werde. Es gibt auch keine allgemeingültigen Erfahrungswerte für Schnittwertempfehlungen wie Drehzahl oder Vorschub, um zum Beispiel eine maximale Standzeit zu realisieren.

Hier ist die Kompetenz der Firmengruppe LMT Tools mit ihrer 50-jährigen Erfahrung in der Zerspanung von Kunststoffen sowie ihrer mehr als 100-jährigen Erfahrung in der industriellen Massenfertigung gefragt. Experten der LMT-Firmen Belin, Onsrud und Kieninger entwickeln ständig optimierte Werkzeugsysteme zur Kunststoffbearbeitung. Nachhaltige Entwicklungsergebnisse können dabei nur durch intensiven Kontakt mit Werkstoffherstellern und Anwenderfirmen erzielt werden.

Ausfransungen und Delamination müssen vermieden werden

Zu den Hauptanforderungen innovativer Werkzeuganwendungen gehören neben der Prozesssicherheit auch die Bauteilqualität. Dabei geht es vorwiegend um das Vermeiden von Ausfransungen und Delamination, denn das Ablösen einzelner Schichten der Werkstoffverbunde durch Zerspankraftkomponenten muss verhindert werden.

Die beste Lösung zur Vermeidung von Delamination bei der Zerspanung von CFK-Werkstoffen sind Kompressionswerkzeuge. Eine gegenläufige Anordnung der Schneiden bewirkt eine Kombination von ziehendem und schiebendem Schnitt und verhindert, dass sich einzelne Lagen vom Laminat lösen und Fasern an den Bauteilkanten herausbrechen.

Bauteile können bis zu dreimal so schnell bearbeitet werden

Das Fräswerkzeug DFC Compression Mill von LMT Onsrud (Bild 2) hat einen definierten Kompressionspunkt. Der untere Schneidenbereich bewirkt einen ziehenden Schnitt, der obere einen schiebenden Schnitt. Dieses Werkzeug ist speziell für Werkstücke mit geringer bis mittlerer Wanddicke ausgelegt. Die Anwender profitieren vom deutlich höheren Vorschub: Bauteile können bis zu dreimal so schnell bearbeitet werden wie mit konventionellen Werkzeugen. Der Fräser ist sowohl mit Diamantbeschichtung als auch mit AlTiN-Beschichtung verfügbar.

Der PCD Compression Mill von LMT Belin (Bild 3) besitzt gelötete PKD-Schneiden und maximierte Spankammergrößen. Sie ermöglichen hohe Zahnvorschübe und lange Standzeiten. Die im Vergleich zu beschichteten Werkzeugen schärfere Schneide verbessert die Oberflächenqualität bereits beim Schruppen.

Natürlich sind PKD-bestückte Werkzeuge auf den ersten Blick teurer als beschichtete Fräser. Erst bei der Anwendung zeigen sich die Vorteile. Beim Beschneiden von CFK konnten die Bearbeitungszeit und damit auch die Maschinenkosten um 38 % reduziert werden, verglichen mit AlTiN-beschichteten Werkzeugen. Ausschlaggebend waren die höheren Vorschubwerte und die längere Standzeit. Bild 4 zeigt die Bearbeitungszeit bei 1000 m Beschnittlänge einschließlich Werkzeugwechselzeit.

PKD-Werkzeuge bergen erhebliches Rationalisierungspotenzial

Die Gesamtbilanz der Lebensdauerkosten im Verhältnis zur Lebensdauerleistung zeigt bei PKD-Werkzeugen optimale Ergebnisse, nicht zuletzt deshalb, weil die Werkzeuge auch nachgeschliffen werden können. PKD-Werkzeuge bergen also dort, wo sie einsetzbar sind, ein erhebliches Rationalisierungspotenzial.

Für das Vernieten von Strukturbauteilen aus CFK, teilweise kombiniert mit anderen Werkstoffen – zum Beispiel mit Aluminium zu sogenannten Stacks – müssen die Platten gebohrt, gerieben und gefast werden. Dazu sind drei Arbeitsgänge mit bis zu drei verschiedenen Werkzeugen erforderlich. Die Entwickler von LMT Belin haben nun ein Werkzeug entwickelt, welches diese drei Arbeitsgänge in einem ausführt. Dieser One-Shot-Drill zeichnet sich durch prozesssichere Multifunktionalität aus und vermeidet Ausbrüche, Gratbildung und Delamination. Verantwortlich für eine besonders hohe Standzeit sind seine PKD-Schneiden (Bild 5).

Vergleicht man die Bearbeitungszeiten von drei nacheinander ausgeführten Arbeitsgängen mit drei unterschiedlichen Werkzeugen einerseits mit dem One-Shot-Prozess andererseits, tritt eine gravierende Einsparung von 58 % zutage (Bild 6). Dieses Beispiel zeigt die Herstellung von 1000 toleranzhaltigen Bohrungen in CFK und berücksichtigt auch die Werkzeugwechselzeiten. MM

* Prof. Dr.-Ing. Diethard Thomas ist Leiter der LMT Group Academy bei der LMT Shared Services GmbH & Co. KG in 21493 Schwarzenbek

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