Vergleich unterschiedlicher Werkzeugkonzepte für die Zerspanung von Faserkunststoffverbunden

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1 Vergleich unterschiedlicher Werkzeugkonzepte für die Zerspanung von Faserkunststoffverbunden Workshop FIBRECUT 2014 Wien, 16.Oktober 2014 Dipl.- Ing. Timo Bathe Dipl.- Ing. Christian Rautert Institut für Spanende Fertigung Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann Technische Universität Dortmund

2 Gliederung Grundlagen faserverstärkter Kunststoffe Bohrschleifen und Umrissbearbeitung faserverstärkter Kunststoffe Aktuelle Untersuchungen sowie Werkzeug- und Prozessoptimierung Gegenüberstellung der Bearbeitungskonzepte Zusammenfassung Institut für Spanende Fertigung 2 Rautert

3 Gliederung Grundlagen faserverstärkter Kunststoffe Bohrschleifen und Umrissbearbeitung faserverstärkter Kunststoffe Aktuelle Untersuchungen sowie Werkzeug- und Prozessoptimierung Gegenüberstellung der Bearbeitungskonzepte Zusammenfassung Institut für Spanende Fertigung 3 Rautert

4 Faserverstärkte Kunststoffe Verbundwerkstoff Fasermaterial: Kohlenstoff-, Glas-, Aramidfaser,. Polymermatrix: Duroplaste, Thermoplaste Laminatlagen: Gewebe oder Unidirektional Verarbeitung als Prepregs, Gewebe oder Laminat Kombination mit Metallen: Stacks Dichte ρ in g / cm³ Wärmeausdehnungskoeffizient α in 10-6 / K 1,6 CFK 2,7 Aluminium 7,8 Stahl (St 60) Elastizitätsmodul E in GPa [Quelle: BMW AG] Zugfestigkeit R m in MPa [Weinert 2001] Institut für Spanende Fertigung 4 Rautert

5 Bearbeitung von Faserverstärkten Kunststoffen Wichtigste Verfahren Bohrungsfertigung Umrissbearbeitung Werkstoff Anisotrop: Materialeigenschaften sind richtungsabhängig duktile Matrix und sprödharte Fasern Matrixschädigung durch hohe Temperaturen thermische Ausdehnung der Fasern Bauteil Spanende Endbearbeitung Geringe Toleranzen Hohe Bauteilsicherheit Werkzeuge Abrasion durch hochharte Fasern Üblicherweise Trockenbearbeitung Schädigungsarten Delamination Faserüberstand Faserausbruch Institut für Spanende Fertigung 5 Rautert

6 Werkzeuge zur CFK-Bearbeitung Werkzeuge mit geometrisch bestimmter Schneide Vor dem Einsatz Nach dem Einsatz l c = 96 m 2 mm 1 mm Werkzeuge mit geometrisch unbestimmter Schneide Institut für Spanende Fertigung 6 Bathe/Rautert 1 mm

7 Gliederung Grundlagen faserverstärkter Kunststoffe Bohrschleifen und Umrissbearbeitung faserverstärkter Kunststoffe Aktuelle Untersuchungen sowie Werkzeug- und Prozessoptimierung Gegenüberstellung der Bearbeitungskonzepte Zusammenfassung Institut für Spanende Fertigung 7 Rautert

8 Bearbeitung duroplastischer FKV mit Diamantschleifstiften Wichtigste Stellgrößen und Verfahrensprinzip Prozessparameter Schnittgeschwindigkeit v c Vorschub f KSS-Konzept/-Menge v c f Wichtigste Systemgrößen Makroskopischer Werkzeugaufbau Innen-/Außendurchmesser Kühlkanäle Schleifstiftkrone Bindungssystem Schneidstoff v c f a e V KSS Werkstoffsystem Faserart, -anteil Harzsystem Institut für Spanende Fertigung 8 Bathe/Rautert

9 Prozesszielgrößen bei der Bearbeitung von Faserverbundwerkstoffen Bearbeitungskräfte beim Bohrschleifen und der Umrissbearbeitung Beurteilung der Oberflächengüte und Maßhaltigkeit Faserorientierung 45 Werkzeugverschleiß in Abhängigkeit zur Bauteilqualität 115 Faserorientierung 0 /90 µm 75 Bauteilschädigungen Institut für Spanende Fertigung 9 Feldhoff/Bathe

10 Gliederung Grundlagen faserverstärkter Kunststoffe Bohrschleifen faserverstärkter Kunststoffe Aktuelle Untersuchungen sowie Werkzeug- und Prozessoptimierung Gegenüberstellung der Bearbeitungskonzepte Zusammenfassung Institut für Spanende Fertigung 10 Rautert

11 Standweguntersuchungen beim Bohrschleifen Kornsplitterung l f = 16,8 m l f = 0 m Schnittwerte Schnittgeschw. v c = 3,2 m/s Vorschub f = 0,050 mm Werkzeug Werkstoff KSS-Konzept: Materialanhaftungen Kornbruch Bindungsrücksetzung Diamantschleifstift D = 8,3/5,8 mm Galvanik-Bindung D357 FEPA synthetischer Diamant CFK EP-Matrix mit HT-C-Faser ca. 54 Vol.-%, UD 0 /90, t = 10 mm Mineralölfreies polymeres Wasser Axialkraft F z 300 N m 15 Bohrweg l f Institut für Spanende Fertigung 11 Feldhoff/Rautert

12 Standweguntersuchungen bei der Umrissbearbeitung mit Schleifstiften Vorschubweg l f = 116 m l f = 0 m 2 mm 500 µm 200 µm Materialanhaftungen Bindungsrücksetzung Schnittwerte Schnittgeschw. v c = 5 m/s Vorschub f = 0,1 mm Eingriffsbreite a e = 0,5 mm Werkzeug Werkstoff KSS-Konzept: Diamantschleifstift d = 8,4 mm Galvanik-Bindung, D427 FEPA synthetischer Diamant Cycom 970/PWC T300 3K, 70 Vol.-%, EP-Harzsystem, t = 3,7 mm trocken gem. Normalkraft F N 24 N m 128 Vorschubweg l f Institut für Spanende Fertigung 12 Bathe/Rautert

13 Rz Einfluss der Werkzeuggestaltung auf die Bohrungsgüte Bohrungsrauheit Delamination v c CFK v f KSS Systemgrößen Werkzeugart: Werkzeugdurchm.: Korngröße: Werkstück: Schleifstift D a /d i = 8,3/4,2 mm D427 Gewebe-Laminat Stellgrößen Schnittgeschw.: Vorschub: KSS-Konzept: KSS-Druck: v c = 4,7 m/s f = 0,03 mm Druckluft p KSS = 4 bar Institut für Spanende Fertigung 13 Rautert

14 Einfluss der Werkzeuggestaltung auf die Prozesstemperatur 4 mm 6 mm 8 mm Oberfläche in der Bohrung Temperatur Systemgrößen Werkzeugart: Werkzeugdurchm.: Korngröße: Werkstück: Schleifstift D a /d i = 8,3/4,2 mm D427 Gewebe-Laminat Stellgrößen Schnittgeschw.: Vorschub: KSS-Konzept: KSS-Druck: v c = 4,7 m/s f = 0,03 mm Druckluft p KSS = 4 bar Institut für Spanende Fertigung 14 Rautert

15 Optimierung des Schleifbelags und der Werkzeuggestalt Schnelllaufspindel Aerosol- und CO 2 -Zufuhr Drehdurchführung Werkzeugeintritt Werkzeugdurchtritt Werkstück Werkzeug v c f Werkzeug Werkstück Werkzeuglänge l = 155,3 (-/+ 0,8) mm Schleifbelag: Galvanikbindung Belaghöhe h b = 8 mm Werkzeugdurchmesser d = 8,5 (-/+ 0,1) mm Diamantkorngröße d K : 472 µm Institut für Spanende Fertigung 15 Bathe/Rautert

16 Variation des Kühlschmierstoffkonzeptes & Matrixsystems Delaminationskoeffizient DF 2,50 2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 Epoxidharz Phenolharz ATS KSS 0,00 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 mm 0,16 Vorschub Werkzeug: Diamant D427, d = 8.5 mm Werkstoff: CFK, EP- bzw. P-Matrix, Faservolumen ca. 56 Vol.-% Schnittgeschw.: v c = m/min Vorschub: f = 0,01 0,15 mm Materialstärke: t = 10 mm KSS-Konzept: variiert, p KSS = 10 bar Institut für Spanende Fertigung 16 Bathe/Rautert

17 Gliederung Grundlagen faserverstärkter Kunststoffe Bohrschleifen und Umrissbearbeitung faserverstärkter Kunststoffe Aktuelle Untersuchungen sowie Werkzeug- und Prozessoptimierung Gegenüberstellung der Bearbeitungskonzepte Zusammenfassung und Ausblick Institut für Spanende Fertigung 17 Bathe

18 Gegenüberstellung der Werkzeugkonzepte - Zerspankräfte Material: CYCOM 970/PWC T300 3K KSS-Konzept: trocken Schnittgeschw.: v c = 200 m/min Vorschub: f = 0,4 mm / 0,48 mm Schnittweg: l c = 96 m Hartmetall: Ultrafeinstkorn gem. Normalkraft F N 90 N Multifacettenfräser Hartmetallfräser Schnittgeschw.: v c = 300 m/min Vorschub: f = 0,1 mm Schnittweg: l f = 116 m Körnung: D 427, Ni-Bindung Diamantschleifstift (Lotbindung) m 100 Vorschubweg l f Diamantschleifstift (Galvanik-Bindung) prozentualer Kraftanstieg % % - 40 % + 10 % l f = 116 m l f = 96 m Institut für Spanende Fertigung 18 Bathe

19 Gegenüberstellung der Werkzeugkonzepte - Verschleißverhalten Material: CYCOM 970/PWC T300 3K KSS-Konzept: trocken Freifläche Schneidkantenversatz Freifläche Schnittgeschw.: v c = 200 m/min Vorschub: f z = 0,04 mm Schnittweg: l f = 96 m Hartmetall: Ultrafeinstkorn HM-Fräser 100 µm 29 µm 250 µm Schnittgeschw.: v c = 300 m/min Vorschub: f = 0,1 mm Vorschubweg: l f = 116 m Körnung: D 427, Ni-Bindung µm l c = 0 m µm l c = 116 m Hartmetallfräser: abrasiver Verschleiß führt zum Schneidkantenversatz Schleifstift: abrasiver Verschleiß führt zur Bindungsrücksetzung Institut für Spanende Fertigung 19 Bathe/Rautert

20 Gegenüberstellung der Werkzeugkonzepte - Zerspanungsstudie Material: CYCOM 970/PWC T300 3K KSS-Konzept: trocken Freifläche Schnittgeschw.: v c = 200 m/min Vorschub: f z = 0,04 mm Vorschubweg: l f = 96 m Hartmetall: Ultrafeinstkorn 250 µm Schnittgeschw.: v c = 300 m/min Vorschub: f = 0,1 mm Vorschubweg: l f = 116 m Körnung: D 427, Ni-Bindung Hartmetallfräser: vorwiegend grober Materialabtrag Schleifstift: vorwiegend feine Partikel Institut für Spanende Fertigung 20 Bathe/Rautert

21 Gegenüberstellung der Werkzeugkonzepte - Verschleißverhalten Material: CYCOM 970/PWC T300 3K KSS-Konzept: trocken Schnittgeschw.: Vorschub: Schnittweg: Hartmetall: 1 mm CFK-Kante Schnittgeschw.: Vorschub: Schnittweg: Körnung: CFK-Kante 200 µm CFK-Kante 1 mm vc = 200 m/min fz = 0,04 mm lf = 96 m Ultrafeinstkorn vc = 300 m/min f = 0,1 mm lf = 116 m D 427, Ni-Bindung CFK-Kante 200 µm Hartmetallfräser: Ausrisse der Epoxid-Matrix Schleifstift: Schleifriefen einzelner Diamantkörner erkennbar Institut für Spanende Fertigung 21 Bathe/Rautert

22 Gegenüberstellung der Werkzeugkonzepte - Benchmarkversuch Hartmetallwerkzeuge gegenüber Schleifstift Gegenüberstellung der Bearbeitungsergebnisse Gesamt (qi total ) Ausfransung (fi total ) Delamination (di total ) Absplitterung (si total ) Index qi qi fs qi bs fi fi fs fi bs di di fs di bs si si fs si bs CFK-Ergebnisse 1 3,85 1,91 5,79 1,39 0,00 2,78 4,86 2,08 7,64 5,30 3,65 6,94 2 2,87 0,85 4,90 1,44 0,00 2,87 6,07 2,55 9,58 1,12 0,00 2,23 AFK-Ergebnis 1 19,42 2,49 36,34 38,02 6,60 69,44 20,23 0,87 39,58 0,00 0,00 0,00 2 die Bearbeitung der AFK-Platte war mit dem Schleifstift nicht möglich GFK-Ergebnis 1 4,54 2,84 6,25 6,34 6,42 6,25 5,38 1,04 9,72 1,91 1,04 2,78 2 1,36 0,48 2,23 0,00 0,00 0,00 4,07 1,44 6,70 0,00 0,00 0,00 Schleiftstift erreicht leicht verbesserte Qualität, bei geringerem Zeitspanvolumen 1 geometrisch bestimmte Schneide 2 geometrisch unbestimmte Schneide Institut für Spanende Fertigung 22 Zemann/Sacherl/Bathe/Rautert

23 Gegenüberstellung der Werkzeugkonzepte Prozesse Umrissbearbeitung v c zirkulares Bohrschleifen f a e Bohrschleifen v f V KSS c Kühlschmierstoffkonzepte polymeres Wasser MMS ATS CO 2 -Kühlung MMS + CO 2 -Kühlung Fasern Kohlenstoffasern (UD & Gewebe) Glaserfasern Aramidfasern Basaltfasern Matrixsysteme Epoxid Phenol Institut für Spanende Fertigung 23 Bathe/Rautert

24 Gliederung Grundlagen faserverstärkter Kunststoffe Bohrschleifen und Umrissbearbeitung faserverstärkter Kunststoffe Aktuelle Untersuchungen sowie Werkzeug- und Prozessoptimierung Gegenüberstellung der Bearbeitungskonzepte Zusammenfassung und Ausblick Institut für Spanende Fertigung 24 Bathe

25 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Bearbeitung duroplastischer FKV mittels Diamantschleifstiften in verschiedenen Verfahren wirtschaftlich durchführbar teilweise erheblich höhere Standwege als bei konventionellen Hartmetallwerkzeugen möglich Bauteilschädigungen liegen auf vergleichbarem oder niedrigerem Niveau geringer Einfluss der Schnittgeschwindigkeit, hoher Einfluss des Vorschubes geringe Werkzeugkosten und Prozesssicherheit bei gleichbleibender Qualität garantieren eine hohe Fertigungsqualität bei geringen Kosten Institut für Spanende Fertigung 25 Bathe/Rautert

26 Zusammenfassung und Ausblick Ausblick zur Umrissbearbeitung und dem Bohrschleifen Prozessoptimierung durch Vorschubvariation notwendig Steigerung des Zeitspanvolumens Einfache Gestaltung von Kombinationswerkzeugen möglich Bearbeitung bei nachträglichem Anfasen von bearbeiteten Kanten realisierbar optionale Trockenbearbeitung breiter Anwendungsbereich, wenn keine Kapselung des Prozesses möglich zur Option steht Umsetzung des Bohrschleifens in der Industrie Weiterführende Untersuchungen zur Untersuchung einer anwendungsnahen Umsetzung des Konzeptes Institut für Spanende Fertigung 26 Bathe/Rautert

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Institut für Spanende Fertigung (ISF) Technische Universität Dortmund Die vorgestellte Arbeit wurde mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Projekts Prozess und Werkzeugentwicklung für die Bohrbearbeitung faserverstärkter Polymere durch Schleifstifte unter minimiertem KSS- Einsatz" (Kennzeichen BI 498/11) gefördert, wofür wir uns herzlich bedanken.

28 Literatur [BaHe95] [BuDa92] [Far11] [Fel12] [FZR95] [DIN 8589] [KöKl05] [Spur89] [Dege12] M. Bailey, M. und Hedges, L.: Die Kristallmorphologie von Diamant und CBN. IDR: Industrie- Diamanten-Rundschau 29 (1995) 3, S Burns, R. C. und Davies, G. J.: Growth of synthetic diamond. In: Field, J. E. (Hrsg.): The properties of natural and synthetic diamond. Academic Press, London, San Diego, 1992, S Faraz, A.: Experimental Study On Delamination, Mechanical Loads and Tool Wear in Drilling of Woven Composite Laminates, Dissertation, TU Dortmund, 2011 Feldhoff, M.: Modellgestützte Werkzeug- und Prozessentwicklung des Bohrschleifens faserverstärkter Duromere, Dissertation, TU Dortmund, 2012 Flemming, M., Ziegmann, G. und Roth, S: Faserverbundbauweisen. Fasern und Matrices. Springer, Berlin 1995 Fertigungsverfahren Spanen. Einordnung, Unterteilung, Begriffe. Deutsches Institut für Normung, September 2003 König, W. und Klocke, F.: Fertigungsverfahren Bd. 2: Schleifen, Honen, Läppen. VDI-Verlag, Düsseldorf Spur, G.: Keramikbearbeitung - Schleifen, Honen, Läppen, Abtragen. Carl Hanser Verlag, München, Wien, 1989 Dege, J. H.: Kompensation von Durchmesserabweichungen beim Zirkularfräsen von seriellen Verbunden aus CFK und Titan. Dissertation, PZH Produktionstechnisches Zentrum, 2012 Institut für Spanende Fertigung 28 Rautert