TRENDVerbundwerkstoffe
TRENDVerbundwerkstoffe Bei der Anwendung eines Kronenbohrers zerspant der Anwender nur die Wandstärke des Bohrwerkzeugs. Bild: Gühring enorm, dass der Stopfen bei den letzten Lagen abhebt und eine Delamination verursacht. Gleichzeitig werden die Schneiden durch das Schneiden-Design nach außen abgelenkt, so dass bei einer zu nachgiebigen Gestaltung der Schneidträger zu einer Durchmesseraufweitung über den Bohrungsverlauf kommen kann: Das Ergebnis ist eine Delamination durch drückenden Stopfen. Bei der dritten Variante zeigen die Schneiden nach außen. Hier hat der Anwender null Vorschubkraft Fa auf dem Stopfen. Dafür wird die gesamte Vorschubkraft in das Werkstück eingeleitet und die Schneiden werden nach innen gedrückt, wodurch es zu einer Abschälung bzw. Delamination kommt: Das Ergebnis ist eine Delamination durch schälende Spitze. Asymmetrie für eine Aufteilung der Vorschubkraft Fa Als logische Konsequenz fiel die Wahl auf ein asymmetrisches Schneiden-Design. Das heißt, dieses ist nicht symmetrisch mit 90 Grad-Spitze, wie man es von konventionellen Bohrern kennt. Wichtig war, die Aufteilung der Vorschubkraft zwischen dem Werkstück und dem Stopfen einzustellen, denn die einzelnen Materialien im Verbund zeigen unterschiedliche Delaminationsneigungen, was die Zerspanung zusätzlich erschwert. Hier wird die Problematik zur Chance: Obwohl die Materialien alle Faserverbunde sind, können sie unterschiedliche Neigungen zum Delaminationsverhalten haben. Mit dem Konzept des Kronenbohrers kann Gühring auf die jeweiligen Bedürfnisse des Materials reagieren. Das heißt: Wenn erforderlich, kann das Schneiden-Design jederzeit angepasst werden, je nachdem wie der Werkstoff sich verhält. Bereits erprobt wurden zahlreiche Materialtypen mit duroplastischen Matrixsystemen, wie GFK, CFK sowie CFK mit Cu-Mesh als Decklage. Letzteres wird häufig für Außenhautbauteile in der Luftfahrt eingesetzt. Die Art der textilen Verstärkung beinhaltete UD, Gewebe (Leinwand, Köper & Atlas), Gelege als endlosfaserverstärkte Varianten sowie lang- und kurzfaserverstärkte Faserverbundwerkstoffe. Die Schneidträger des Kronenbohrers werden einzeln ge- fertigt, was eine größere Designfreiheit als bei fest verlöteten Werkzeugen mit sich bringt. Hier profitiert Gühring von seiner Fertigungstiefe. Der Trägerrohling kam bereits bei anderen Werkzeugkonzepten erfolgreich zur Anwendung – „proof of concept“ sozusagen. Gühring-intern wurden Versuche, Messungen und Prüfmittel von anderen Feldern miteinbezogen, um von diesen Synergien in einem neuen Werkzeugsystem zu profitieren. In der Entwicklung hat sich eine Schneidengeometrie durch ihre guten bis sehr guten Ergebnisse in den verschiedenen Faserverbundwerkstoffen als Allrounder durchgesetzt. In Spezialfällen zeigten Sonderformen der Schneidengeometrie in einzelnen Anwendungsfällen leichte Vorteile. Hier verfügt Gühring über das nötige Know-how, um bei Bedarf auf individuelle Kundenanforderungen einzugehen. Möglich sind verschiedene Schneidstoffe von blankem Vollhartmetall, über beschichtetes Vollhartmetall bis hin zu PKD-Schneiden. Der Bohrungsdurchmesser ist konstruiert auf 40,5 mm, aber nach unten bis auf Durchmesser 25 mm skalierbar. Nach oben wurde bisher keine technische Grenze identifiziert. 80 bis 100 mm sind kein Problem. Beschichtungs-Knowhow Alle Ausführungen zeigen sehr gute Bohrungsaustritte. Eine Beschichtung ist in vielerlei Hinsicht unerlässlich. Erstens um die Oberflächenhärte zu erhöhen, da der Staub von Faserverbundstoffen oftmals abrasiv wirkt. Zweitens weil Kohlenstaub elektrisch leitfähig ist und in Verbindung mit einem leitfähigem Medium die Korrosion beschleunigen würde. Der Kronenbohrer besteht aus einem Grundkörper, der Aufnahmebohrungen für die Schneidträger beinhaltet. Diese Bohrungen verlangen eine Durchmessertoleranz und eine Positionstoleranz. Die Schneiden wiederum haben ebenfalls eine Fertigungstoleranz. Die Wechselgenauigkeit beträgt 65 μm. Zudem besteht die Möglichkeit, die Werkzeuge nach jedem Schneidenwechsel rundzuschleifen, was die Wechselgenauigkeit weiter nach unten drückt. Die Wiederholgenauigkeit in einem Setup beträgt +/- 10 μm. Eingesetzt wird der Kronenbohrer in Maschinenbau und Luftfahrt. Weitere Anwendungen sind im Bereich Bootsbau und Windkraft (Rotornaben, Rotorblätter, Verschraubungen) denkbar. ■ Mapal Fabrik für Präzisionswerkzeuge Dr. Kress KG www.mapal.com Gühring KG www.guehring.com 18 März/April 2021
3D-Druck von Verbundwerkstoffen Produktionskosten und Qualität im Blick Analyse des Nachbearbeitungsbedarfs für den SLS-Batchdruck. Bild: e-Xstream Engineering Mit den neuen Funktionen der Plattform Digimat von e-Xstream Engineering, Teil des Hexagon-Geschäftsbereich Manufacturing Intelligence, sind Anwender in der Lage, die Produktionskosten für polymerbasierte, additiv gefertigte Teile gegenüber herkömmlichen Verfahren zu analysieren. ■■■■■■ Die additive Fertigung mit Verbundwerkstoffen gewinnt Zuspruch im Markt, da sie nicht nur eine automatisierte Produktion stabilerer und leichterer Komponenten als bei metallbasierten Verfahren ermöglicht, sondern auch eine zielgenau konfigurierte Leistungsfähigkeit des Grundwerkstoffs sichert (z.B. mittels endlosfaserverstärkter Polymere). Mit der neuesten Digimat-Version können Unternehmen den 3D-Druckprozess simulieren und die Gesamt-Produktionskosten für jedes einzelne Bauteil vorausberechnen – inklusive Material- und Energieverbrauch, Arbeitsaufwand, sowie erforderliche Nachbearbeitung. Mithilfe dieses Tools erhalten Ingenieure einen ganzheitlichen Blick auf die Produktions- und Nachbearbeitungsprozesse, um daraus die optimale fertigungstechnische Prozesskette zu ermitteln. Außerdem kann Digimat auch für die Optimierungen von Batch-Abläufen genutzt werden, um möglichst viele Teile parallel zu drucken, sodass Produktionskapazitäten steigen und die Vorlaufszeit reduziert wird. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Produktionsplanung, wobei die Gesamtkosten der Maschinen und deren Amortisierung bezogen auf die erwarteten Produktionsmengen betrachtet werden. Die Visualisierung dieser Informationen erfolgt über Kurvendiagramme und Tortengrafiken, sodass die Kostenaufschlüsselung äußerst einfach für wechselnde Szenarios analysiert werden kann. Vorhersagen zum Leistungsvermögen Nach Analystenmeinung wird die weltweite Nachfrage nach Verbundwerkstoffen im 3D-Druck bis 2030 auf 1,7 Milliarden US- Dollar (~1,4 Mrd. Euro) ansteigen, die Einsatzfelder sind jedoch aufgrund technischer Hindernisse bislang begrenzt. Der Umstand, dass sich die Ausrichtung der Fasern in den verschiedenen Bereichen eines Teils ändern kann, wirkt sich in erheblichem Maße auf dessen mechanische Leistungsfähigkeit aus. Die Kenntnis dieser Informationen kann Ingenieuren dabei helfen, Qualitätsprobleme zu beheben, und ermöglicht zudem deutlich genauere Vorhersagen zum Leistungsvermögen der Teile. Jetzt können Hersteller ein Bauteil einem CT-Scan unterziehen und das dreidimensionale RAW-Bild importieren, um anschließend in Digimat ein Finite-Elemente-Modell von dessen zweiphasiger Mikrostruktur (z.B. kohlefaserverstärktes Polymer) zu erstellen und das Verhalten zu modellieren. Durch die Einbettung dieses validierten Werkstoffmodells in ihre CAE-Tools (Computer Aided Engineering) können Konstrukteure Analysen durchführen, die Schwankungen innerhalb eines gefertigten Teils berücksichtigen – sei es, um den Materialverbrauch zu reduzieren oder um potentielle Schwachstellen zu vermeiden. ■ e-Xstream Engineering e-Xstream.com März/April 2021 19
