Prozess- und Werkzeugentwicklung für die Bohrund Fräsbearbeitung faserverstärkter Polymere durch Schleifstifte

Transkript

1 Prozess- und Werkzeugentwicklung für die Bohrund Fräsbearbeitung faserverstärkter Polymere durch Schleifstifte Vorstellung einer Projektidee 02. Mai 2016 Dipl.- Ing. Timo Bathe Tel.: 0231/ Institut für Spanende Fertigung Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann Technische Universität Dortmund Baroper Straße Dortmund [Quelle: BMW AG] [Quelle: Airbus AG]

2 Projektidee [Quelle: Airbus AG] Problemstellung/Marktentwicklung Der Anteil an faserverstärkten Kunststoffen nimmt in der Luftfahrtindustrie einen steigenden Stellenwert ein und übertrifft teilweise sogar den Anteil metallischer Werkstoffe (A350X 52 % CFK-Anteil). Die Abrasivwirkung der eingebetteten Carbonfasern und der daraus resultierende Werkzeugverschleiß verursachen hohe Werkzeugkosten sowie häufige Werkzeugwechsel und somit Stillstandzeiten. Aktuell eingesetzte Werkzeuge mit PKD-Schneiden oder Diamantbeschichtungen zeigen zwar zufriedenstellende Bauteilqualitäten und eine ausreichende Produktivität, können jedoch nur aufwendig bzw. nicht nachgeschliffen werden, wodurch eine ressourcenschonende Produktion nicht möglich ist. Projektziel Aktivgelötete Diamantschleifstifte werden als alternatives Werkzeugkonzept für die Bearbeitung von FVK eingesetzt, um eine effiziente und prozesssichere Bearbeitung zu ermöglichen. Die Vorteile und Einsatzbereiche dieses Werkzeugkonzeptes sind in Grundlagenprojekten analysiert und die Leistungsfähigkeit gegenüber Hartmetallwerkzeugen in Form des realisierbaren Standzeitvermögens und der erreichbaren Bauteilqualtät nachgewiesen [VDI14, MIN14]. Durch weitere Prozess- und Werkzeugoptimierungen wie die Änderung des Belegungskonzeptes und der Entwicklung von Kombinationswerkzeugen steht nun die Produktivität im Fokus, um diese Bearbeitungsstrategie für FVK zu etablieren. Institut für Spanende Fertigung 2 Bathe

3 Darstellung der Projektziele Hauptziel Teilziel Wichtigste Methode(n) Werkzeugoptimierung Prozessoptimierung Ermittlung der Werkzeugcharakteristika, Weiterentwicklung des Belegungskonzeptes systematische Analyse des Einflusses der Abrichtparameter auf das Einzelkornspanvolumen Qualifizierung von Werkzeugen zur Kombinationsbearbeitung Zuordnung zwischen Einzelkornzerspanungsvolumina, Spanbildungsmechanismen und abfuhr und dem maximal erreichbaren Vorschubwert Optimierung des Kühlschmierstoffkonzeptes Ermittlung der Übertragbarkeit konzeptionelle Auslegung der modifizierten Kornbelegung & mikroskopische Analyse Vermessung des Kornüberstandes sowie der Einflüsse auf den Kornverschleiß durch das Abrichten Experimentelle Untersuchungen Experimentelle Untersuchungen unter Einsatz von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen Experimentelle Untersuchungen unter Einsatz thermografischer Analysen Einsatz in der industriellen Anwendung Institut für Spanende Fertigung 3 Bathe

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 in g / cm³ Wärmeausdehnungskoeffizient 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 Gegenüberstellung der Werkzeugkonzepte - Verschleißverhalten Material: CYCOM 970/PWC T300 3K KSS-Konzept: trocken Umrissbearbeitung Freifläche Schneidkantenversatz 29 µm Freifläche Schnittgeschw.: v c = 200 m/min Vorschub: f z = 0,04 mm v f = 2,5 m/min Schnittweg: l f = 96 m Hartmetall: Ultrafeinstkorn HM-Fräser 100 µm 250 µm Schnittgeschw.: v c = 300 m/min Vorschub: f = 0,1 mm v f = 1,2 m/min 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 6 Bathe/Rautert

7 Gegenüberstellung der Werkzeugkonzepte - Verschleißverhalten Material: CYCOM 970/PWC T300 3K KSS-Konzept: trocken Umrissbearbeitung Schnittgeschw.: v c = 200 m/min Vorschub: f z = 0,04 mm v f = 2,5 m/min Schnittweg: l f = 96 m Hartmetall: Ultrafeinstkorn CFK-Kante 1 mm CFK-Kante 200 µm Schnittgeschw.: v c = 300 m/min Vorschub: f = 0,1 mm v f = 1,2 m/min Schnittweg: l f = 116 m Körnung: D 427, Ni-Bindung CFK-Kante 1 mm CFK-Kante 200 µm Hartmetallfräser: Ausrisse der Epoxid-Matrix galvanisch belegter Schleifstift: Vorschubriefen einzelner Diamantkörner erkennbar Institut für Spanende Fertigung 7 Bathe/Rautert

8 Potentiale und Herausforderungen der Erkenntnisse des Vorgängerprojektes Werkzeuge Potential: Standzeitverlängerung Prozesssicherheit Kosten Herausforderungen: Schleifbelagszusetzungen Einfluss des Schleifbelags auf die Oberflächentopographie Prozess Potential: Kombintationsbearbeitung weniger Zerspanvolumen (geringere Staubentwichlung beim Bohren) Herausforderungen Steigerung der Produktivität und der Wirtschaftlichkeit Bauteilqualität Institut für Spanende Fertigung 8 Bathe