Neue Bohrtechnologie für hochfeste Faserverbundwerkstoffe
Professur Produktionssysteme und -prozesse der TU Chemnitz hat mit der GBZ Mannheim GmbH & Co.KG ein neues, gestuftes Verfahren zum delaminationsfreien Bohren von Carbon erforscht
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Qualität des Bohrungsaustritts - links: starke Delamination durch hohe Vorschubkräfte; rechts: hohe Bohrungsqualität durch neuen Prozess mit niedriger Vorschubkraft. Fotos: Konstantin Sauer
Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (auch CFK oder Carbon genannt) ist ein Verbundwerkstoff, bei dem Kohlenstofffasern in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind. Dieser Werkstoff zeichnet sich durch seine geringe Dichte und seine hohe Belastbarkeit aus. Bei der mechanischen Bearbeitung zeigt sich allerdings, dass das Material in Werkstückdickenrichtung, quer zur Faserachse, nur sehr geringe Kräfte aufnehmen kann. „Da beim Bohren sehr hohe Kräfte in Werkzeugaxialrichtung auftreten, kann der Werkstoff am Bohreraustritt ausbrechen. Diese Schädigung beruht auf der Delamination des Verbundwerkstoffes“, erklärt Konstantin Sauer, Wissenschaftler an der Professur Produktionssysteme und -prozesse der Technischen Universität Chemnitz. CFK wird vor allem in der Luftfahrtindustrie, in der Elektromobilität oder beim Bau von Windrädern verwendet. „Bei Produkten für diese Einsatzbereiche ist es natürlich sehr wichtig, schädigungsfrei zu bohren, um perfekte, fehlerfreie und sichere Produkte herzustellen“, so Sauer.
Deshalb hat sich der Chemnitzer Forscher das Ziel gesetzt, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem die Kräfte in Vorschubrichtung minimiert werden, um Beschädigungen der Bohrung zu verhindern. Zusätzlich zur geringen Belastbarkeit in Werkstückdickenrichtung stellt die vergleichbar hohe Schnittgeschwindigkeit beim Bohren eine weitere Herausforderung dar, weil durch die dabei entstehenden hohen Temperaturen die Kunststoffmatrix beschädigt werden kann. Deshalb hat Sauer gemeinsam mit der GBZ Mannheim GmbH & Co.KG ein gestuftes Verfahren entwickelt. Im ersten Schritt wird eine kleine Bohrung vorgebohrt, bei der eine leichte Delamination in Kauf genommen wird. Im zweiten Schritt folgt ein Reibprozess mit einem speziellen Werkzeug, dessen Schneidkantenmikrogeometrie durch innovative Wasserstrahlpräparation so angepasst wurde, dass bei sehr geringer Schnittgeschwindigkeit, und damit geringerer thermischer Werkstoffbelastung, ein hoher Vorschub möglich ist und die durch das Vorbohren beschädigten Bereiche entfernt werden. So können hochqualitative Bohrungen ohne Beschädigungen hergestellt werden. „Die Vorschubkräfte sind durch das neu entwickelte Werkzeug und die spezielle Schneidkantengeometrie nahe Null, obwohl man eigentlich hohe Kräfte wegen des hohen Vorschubs erwarten würde“, sagt Sauer.
Die Forschungsarbeiten waren Teil eines Projekts im Rahmen des Programms „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand“ (ZIM) und 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 fortgesetzt.
Weitere Informationen erteilt Konstantin Sauer, Telefon +49 (0)371 531-32900, E-Mail konstantin.sauer@mb.tu-chemnitz.de
(Autorin: Katja Klöden)
Mario Steinebach
28.07.2021
