Prozess- und Werkzeugentwicklung für die Bohrbearbeitung faserverstärkter Polymere mittels Schleifstiften unter minimiertem KSS-Einsatz
Final Report Abstract
Die kontinuierliche Zunahme des Einsatzes von Faserverbundkunststoffen (FVK) insbesondere für den Leichtbau hat ihre Ursache in der stetigen Verbesserung der mechanischen und thermischen Eigenschaften von FVK. Somit wird der Entwicklung Rechnung getragen, eine bessere Effizienz durch hohe spezifische Festigkeiten und Steifigkeiten vor allem für dynamisch bewegte, technologisch besonders anspruchsvolle Komponenten zu erreichen. Faserkunststoffverbunde weisen im Vergleich zu vielen metallischen Werkstoffen neben einem guten Dämpfungsverhalten eine hohe Schadenstoleranz auf. Für das Verbinden mehrerer Komponenten sind mechanische Fügeverfahren häufig unumgänglich. Das Einbringen von Bohrungen, z. B. für Nietverbindungen, kann als die häufigste Bearbeitungsoperation angesehen werden. Hierbei finden üblicherweise Werkzeuge mit geometrisch bestimmter Schneide Verwendung. Die hohe Beanspruchung spiegelt sich z. B. in einem starken Abrasivverschleiß solcher Werkzeuge insbesondere an der Schneidkante und der Schneidenecke wider. Als Alternative zur Bohrbearbeitung mit Werkzeugen mit geometrisch bestimmter Schneide sind im Rahmen dieses Forschungsvorhabens Diamantschleifstifte eingesetzt worden. Diese Schleifwerkzeuge verfügen über eine Vielzahl an Schneiden, sodass der Verlust einzelner Schneiden kompensiert werden kann. Besonders für hochtechnologische Anwendungen kommen duroplastische Matrixwerkstoffe mit einem erhöhten Faseranteil zur Anwendung. Duromere zeichnen sich durch eine im Vergleich zu anderen Kunststoffen hohe Härte und Steifgkeit, eine gute Verschleißbeständigkeit sowie eine geringe Quellbarkeit aus. Hierdurch rückt ein solches Matrixsystem in den Fokus technisch höchst beanspruchter Bauteile. Die geringe plastische Verformbarkeit führt dazu, dass Duromere sehr gut schleifend bearbeitet werden können. Für die Bohrbearbeitung von FVK wurden insbesondere verschiedene Schleifstiftkonzepte in Form einer Korngrößen- und Bindungsvariation durch eine Analyse von Prozess- und Ergebnisgrößen auf ihre Eignung hin geprüft. Darüber hinaus erfolgte eine Analyse der durch den Schleifprozess eingebrachten thermischen und chemischen Schädigung des Verbundwerkstoffes. Weiterhin konnte die Prozessführung hinsichtlich einer Prozesszeitreduzierung optimiert werden, ohne die qualitativen Anforderungen an das Bohrungsergebnis signifikant verringern zu müssen. Die bisherigen Untersuchungsergebnisse zeigen die großen Potenziale dieses Schleifverfahrens für die Bohrungsfertigung in duroplastische FVK. Die Bearbeitung von Faserverbundkunststoffen wird in stärkerem Maße von den Prozessstellgrößen beeinflusst als die der metallischen Werkstoffe. Neben bei konventionellen Werkstoffen häufig angewandten Qualitätskriterien wie Maß- und Formfehlern, wie etwa dem Bohrungsdurchmesser und der Rundheit, der Rauheit der Bohrungswand, einer Gratbildung oder Abplatzungen, ergibt sich aus den werkstofflichen Besonderheiten der Bedarf, die Betrachtung des Prozessergebnisses zu erweitern. Schädigungen der Randzone in Form von Faser(bündel)brüchen, Mikrorissen, Matrixrissen in den Einzelschichten, Ausfransungen, einer möglichen thermischen Überlastung, insbesondere des Matrixmaterials und einer Delamination an Ein- oder Austrittsfläche oder auch innerhalb des Verbundes, sind werkstoffspezifische Größen, die erweiterte Analysemethoden erfordern.
Publications
- Drill hole machining of fibre reinforced thermosets using mounted points. Proceedings of the 3rd International Conference Engineering Technology, 2009, Pilsen, Tschechien, S. 1–7
Biermann, D.; Feldhoff, M.
- Bohrbearbeitung von Faserkunststoff: Diamantschleifstifte als Ersatz für konventionelle Bohrwerkzeuge. diamond business, 35 (2010) 4, S. 26–35
Biermann, D.; Feldhoff, M.
- Bohrbearbeitung von faserverstärktem Kunststoff mittels Diamantschleifstiften. Diamant Hochleistungswerkzeuge dihw, 2 (2010) 4, S. 34–40
Biermann, D.; Feldhoff, M.
- Bohrungen in CFK. Schleifstifte als Alternative zu Wendelbohrern. W+B Werkstatt und Betrieb, 144 (2011) 6, S. 29–32
Biermann, D.; Feldhoff, M.
- Drilling CFRP thermosets using mounted points. 14. International Symposium on Advances in Abrasive Technology ISAAT2011 (Sep. 18–21, 2011, Stuttgart) Advanced Materials Research, 325 (2011), S. 363–368
Biermann, D.; Feldhoff, M.
