Scharfe Schneiden für saubere Schnitte

„Der entscheidende Aspekt beim Spanen von CFK ist, Delaminationen und Faserüberstände zu vermeiden“, sagt Dr. Jochen Kress. „Um das zu erreichen, dürfen die Werkzeuge nur geringe Schnittkräfte verursachen“, fährt der promovierte Ingenieur fort. Er ist als Mitglied der Geschäftsleitung für die strategische Produktentwicklung bei der Aalener Mapal Dr. Kress KG (Halle 4, Stand D15) verantwortlich. Die angestrebten geringeren Schnittkräfte seien der Grund, weshalb Werkzeuge Kohlefaser-verstärkte Kunststoffe (CfK) einen kleineren Spitzenwinkel, eine andere Ausspitzung und besonders scharfe Schneidkanten haben. Doch nicht nur die Kohlefasern haben einen erheblichen Einfluss auf das Werkzeug. Auch der Aufbau des Faserverbunds und der Anteil an Harz wirken sich auf die Geometrie aus. „Weil sich die einzelnen Fasern nicht gegenseitig abstützen können, sind unidirektional aufgebaute Strukturen noch schwieriger zu bearbeiten als multidirektionale Gewebe“, erläutert Kress. Bis vor kurzem setzte Mapal deshalb für die unterschiedlichen Faseraufbauten verschiedene Bohrer ein – der Typ MD für multidirektionale Gewebe hat zwei Führungsfasen und eine positive Ausspitzung, der Typ UD für unidirektionale Faserschichten ist vor allem auf hohe Schärfe optimiert. „Nun ist es uns mit dem Bohrertyp UDX gelungen, beide Bearbeitungsaufgaben in ein Werkzeug zu packen“, berichtet der Mapal-Junior-Chef. Unterschiedliche Faserarten haben laut Kress – anders als früher angenommen – keinen großen Einfluss auf die Auslegung des Werkzeugs. „Mit unseren modernen Geometrien und Beschichtungen lassen sich alle Fasern gut bearbeiten.“ Allerdings leide die Standzeit der Tools beim Zerspanen extrem abrasiver Fasern.

Im Unterschied zu Metallen, lassen sich CFK-Werkstoffe in einem Schuss bearbeiten. „Haben sich erst einmal Fasern aus dem Verbund gelöst, ist die Schädigung meist so groß, dass auch Nacharbeit nichts mehr nützt“, erläutert Kress. Deshalb müsse bereits der erste Arbeitsgang sehr gute Ergebnisse liefern. Nacharbeit ist nur nötig, wenn besonders präzise Bohrungen gefordert sind. H9-Toleranz sind laut Kress problemlos, H8-Qualitäten erforderten etwas mehr Anstrengung, seien aber auch im ersten Schuss möglich. Soll’s noch präziser sein, müssen auch Bohrungen in Faserverbundstoffen feinbearbeitet werden.

Eine besondere Herausforderung stellt das Bearbeiten von CFK-Metall-Verbünden dar. Die Werkzeuge müssen dabei mit zum Teil komplett gegenläufigen Anforderungen klar kommen. „Das unter einen Hut zu bringen ist nicht einfach“, betont Kress. Entscheidend für die Gestaltung und Auswahl des Werkzeugs sei zunächst, aus welchen Werkstoffen ein solcher Stack aufgebaut ist. „Aber nicht nur das. Wichtig ist auch, in welchen Werkstoff der Bohrer ein- und aus welchem er wieder austritt.“ Ein Werkzeug für die Kombination CFK-Alu sieht als anders aus, als eines für CFK-Stahl. Ebenso hat es einen Einfluss, ob das Tool zuerst durch CFK und dann durch Titan bohren soll oder umgekehrt. Diese Werkstoff-Kombinationen kommen derzeit vor allem im Flugzeugbau vor, könnten aber im Zuge des Trends zum Leichtbau auch in anderen Bereichen an Bedeutung gewinnen.

Auch für die Spezialisten von Sandvik Coromant (Halle 5, Stand B20) ist insbesondere bei CFK-Metall-Verbünden eine genaue Beschreibung der Anwendung eine wichtige Voraussetzung, um die best mögliche Lösung individuell bestimmen zu können. Wichtige Kriterien seien unter anderem die Anzahl der zu bearbeitenden Bohrungen, deren Durchmesser und Tiefe, die geforderte Qualität, die Bearbeitungsmaschine, die Stabilität der Aufspannung sowie die Eigenschaften der beteiligten Werkstoffe.

Die aktuellen Lösungen des schwedischen Werkzeugherstellers, dessen Deutschland-Tochter Sandvik Coromant GmbH in Düsseldorf sitzt, basieren auf Diamant-beschichteten Hartmetall-Bohrern sowie PKD-Bohrern mit Vein-Technologie – als Standard-, Semi-Standard oder Kunden-spezifische Werkzeuge. Bei den Vein-Tools handelt es sich um Hartmetallbohrer mit eingelöteter PKD-Schneide. Diese Kombination stellt laut den Schweden die derzeit beste Option fürs Bohren von Verbundwerkstoffen dar, wenn hohe Ansprüche an Qualität, Prozesssicherheit und Produktivität gestellt werden. Die scharfe PKD-Schneidkante funktioniere auch bei besonders abrasiven Verbund-Werkstoffen prozesssicher.

Als Standardlösung bietet Sandvik beispielsweise zwei Bohrer an, mit deren Hilfe sich Bearbeitungsprozesse optimieren und das Rüsten sowohl an als auch außerhalb der Maschine vereinfachen lässt. Der CoroDrill 854 ist für faserige Materialien ausgelegt und reduziert das Ausfransen des Bohrlochs. Er besitzt zwei „Dornen“ an der Außenseite, um die Fasern zu durchtrennen, und er ist für Schichtverbund-Material mit Aluminium geeignet. Der CoroDrill 856 wiederum wurde speziell fürs Bohren von harzhaltigen Verbundwerkstoffen entwickelt. Seine doppelt abgewinkelte Geometrie ermöglicht weichere Ein- und Austritte und vermindert somit Delaminationen. Zudem eignet er sich für Bohrungen in Glasfaser-Verbundwerkstoffen. Darüber hinaus gibt es auch Tailor-Made-Lösungen. Sie sind auf bestimmte Werkstoffe oder Bearbeitungsarten optimiert. Gilt es jedoch Schichtverbünde etwa mit Aluminium zu bearbeiten, dann sind oft Semi-Standard-Lösungen die richtige Wahl, die den Weg für vielseitige Bearbeitungsoptionen frei machen. hw