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Mit einer schlagkräftigen Engineeringabteilung konstruiert, berechnet und fertigt Eriks Deutschland für seine Kunden komplette CFK-Komponenten als Prototypen oder in Serie. „Wir sind ein spezialisierter Industriedienstleister mit einer breiten Palette an technischen Produkten und Services“, sagt Wulf Wagner, Produktmanager der Geschäftseinheit Composite-Technologie.
CFK-Formteile entstehen in der Regel aus so genannten Prepregs. Dieses Faserhalbzeug ist bereits mit einem noch nicht ausgehärteten Harz getränkt. In der Serienfertigung werden übereinandergelegte Prepregs in Formhälften mit der passenden Geometrie gepresst. Das heiße Werkzeug härtet das Harz aus, und es entsteht ein Bauteil mit der gewünschten Kontur. Die Kosten für dieses Compression Molding-Verfahren stellen allerdings für viele Anwender – oft benötigen sie nur wenige Teile – ein Handicap dar. Denn: Für die metallischen Formhälften müssen fünfstellige Beträge investiert werden.
Um Kunden in der Startphase einer Entwicklung eine kostengünstige Alternative zu bieten, entwickelten die Spezialisten von Eriks das Standard-Plattenmaterial Epratex_CFS 100. Die 100 mm dicken Platten sind in Abmessungen von bis zu 350 mm x 500 mm verfügbar. Der validierte Herstellprozess gewährleiste die sichere Einhaltung der im Datenblatt angegebenen Eigenschaften. Variationen bezüglich Abmessungen, Dicke und Matrixsystem seien auf Anfrage möglich.
Schlüsselfertiger Fräsprozess
„Während sich am Markt zahlreiche Anbieter von CFK-Laminatplatten mit geringer Dicke tummeln, sind 100 mm dicke Platten etwas Besonderes“, weiß Sven Frank, Global Head of OEM Management bei Mapal. Da die Bearbeitung von CFK nicht ganz einfach ist, suchte Eriks nach einem schlüsselfertig validierten und optimierten Bearbeitungsprozess. So kam es zum Kontakt mit den Aalener Werkzeugexperten. Neben einem umfangreichen Werkzeugprogramm fürs Bearbeiten von CFK-Werkstoffen verfügt der Präzisionswerkzeughersteller über hohe Kompetenz in der Prozessauslegung und -umsetzung. „Darüber hinaus steht unser technisch wie personell hervorragend ausgestattetes Forschungs-und Entwicklungszentrum für Testbearbeitungen zur Verfügung“, ergänzt Frank. „All diese Ressourcen bringt Mapal gerne in gemeinsam mit Kunden durchgeführte Entwicklungsprojekte ein.“ Dabei stelle man sich jeder Herausforderung. Bei dem von Eriks gewählten Testbauteil handelt es sich um einen Winkel in Standardgeometrie aus dem Euro-Greifer-Tooling-System (EGT), das in Aluminiumausführung in der deutschen Automobilindustrie in großer Stückzahl verwendet wird. Der RCG Omega Winkel ist um 30 % leichter und ermöglicht signifikante Vorteile bei der Konstruktion von EGT-Systemen.
Besondere Anforderungen an die Werkzeuge
„Der Kohlenstoff in den Carbonfasern des CFK weist teils diamantähnliche Strukturen auf. Unbeschichtete Vollhartmetallwerkzeuge halten diesem extrem abrasiven Material nicht lange stand“, erklärt Dr.-Ing. Oliver Pecat, Teamleiter Entwicklung Aerospace bei Mapal. Innerhalb 1 m Fräsweg im Vollschnitt schnellt der Schneidkantenradius eines frisch geschliffenen Vollhartmetallfräsers von 2 µm auf 15 bis 20 µm hoch, während sich die Zerspankräfte verdreifachen. Kostenintensivere Werkzeuge mit PKD-Einsätzen (polykristalliner Diamant) hielten besser, ließen dem Werkzeugkonstrukteur aber geringere Freiheitsgrade bei der Geometrie. Für die CFK-Bearbeitung setzt Mapal daher bevorzugt auf diamantbeschichtete Vollhartmetallwerkzeuge.
Expertise für perfekten Prozess
Die hier eingesetzte, hochharte und abrasionsbeständige CVD-Beschichtung stellt Mapal seit Anfang 2021 selbst her. „Insgesamt haben wir die Bearbeitung des Winkels von Eriks mit zehn Werkzeugen ausgelegt“, so Pecat. „Neben dem Ecofeed-Planfräser mit PKD-Fräseinsätzen kommen verschiedene Ausführungen des Optimill-Composite-Speed in Schrupp-Schlichtausführung sowie des Mega-Drill-Composite-UDX zum Einsatz.“ All diese Werkzeuge sind in der Bearbeitung von Verbundmaterialien bewährt.
Im Rahmen des Projekts konnte die R&D-Abteilung der Aalener ihre umfassenden Möglichkeiten ausspielen, einen perfekten Bearbeitungsprozess zu konzipieren und zu validieren. Die CAD-Geometriedaten wurden mithilfe von zwei der vier im Hause vorhandenen CAD/CAM-Programmen – Siemens NX und Solidcam – übernommen. In umfassenden Einsatzsimulationen führten die Entwickler alle Bearbeitungsabläufe durch. Berücksichtigt wurden auch Maschineneigenschaften und Spannsituationen. Die Entwicklung der Prozessschritte erfolgte iterativ – Idee, Simulation, Versuch und Auswertung. „Mit dem Projektabschluss eröffnet sich sowohl für Eriks als auch für Mapal ein Markt mit Zukunftspotenzial“, ist Sven Frank sicher.
Besonderheit CFK-Bearbeitung
„Weil die Carbonfasern spröde brechen, verhalten sich CFK-Werkstoffe beim Bearbeiten ganz anders als Metalle“, sagt Tizian Gühna, CAD/CAM-Programmierer bei Mapal. Während bei Metallen die Erwärmung des Werkstücks größtenteils auf der Energieaufnahme durch plastische Verformung der Späne vor dem Abbruch beruhe, brechen die Carbonfasern im CFK-Werkstück gänzlich spröde. Dabei entwickelt sich kaum Wärme. Deshalb kann die Schnittgeschwindigkeit auf hohe Werte gesteigert werden, sobald die übrigen Parameter feststehen. Zu beachten sind dabei die Steifigkeit von Maschine und Aufspannung, zudem gilt es, Schwingungen zu vermeiden.
Bauteile für zahlreiche Hightech-Branchen
„Im Flugzeugbau besteht ein großer Bedarf an CFK-Bauteilen, die mithilfe validierter Verfahren erzeugt wurden“, sagt Dr. Peter Müller-Hummel, Component Manager Aerospace and Composites bei Mapal. Vor allem im Innenraum von Passagierflugzeugen gebe es zahllose Bauteile mit mittleren bis geringen Sicherheitsklassifikationen wie Sitzbefestigungen, Kabelhalter oder Rohrdurchführungen. Diese müssen im Laufe der Entwicklung und Erprobung eines neuen Luftfahrtgeräts häufig angepasst werden, wodurch sich ein großer Bedarf an Bauteilen in kleineren Stückzahlen ergibt. Darüber hinaus sieht Müller-Hummel auch in zahlreichen weiteren Branchen wie der Automobilindustrie, dem Maschinenbau oder der Medizintechnik einen hohen Bedarf an Kleinstserienteilen, für die sich das Epratex-Plattenmaterial eignet. Eriks gibt an, die validierbare Festigkeit so hergestellter Bauteile läge bei 80 % im Vergleich zu gepressten Strukturteilen.
Vertrauensvolle Zusammenarbeit mit Mapal als Innovationspartner
„Mit Mapal gab es schon seit Jahren Kontakte und erfolgreiche Kooperationen bei der Lösung unterschiedlichster Aufgabenstellungen“, erinnert sich Wulf Wagner. Somit habe es eine solide Vertrauensbasis gegeben. Auch diesmal sei das angestrebte Ziel in der erfreulich kurzen Zeit von nur zweieinhalb Monaten erreicht worden. (mw)
Kontakt:
Mapal Präzisionswerkzeuge Dr. Kress KG
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