Grundlagenuntersuchungen zum Zerspanungsverhalten eines Verbundmaterials aus Beton und CFK mit Diamantschleifwerkzeugen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391502479

Der Konstruktionswerkstoff Beton weist hohe Druckfestigkeiten, aber nur geringe Zugfestigkeiten auf, weshalb dieser durch Bewehrungs- bzw. Baustahl verstärkt wird. Durch die Substitution von Baustahl durch kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) ist es aufgrund des nicht erforderlichen Korrosionsschutzes möglich, die notwendige Betonüberdeckung zu reduzieren, eine materialabhängige Optimierung in Abhängigkeit der Diamantausrichtung durchgeführt, auf deren Grundlage eine optimierte Bearbeitung des mehrphasigen inhomogenen Materials erfolgen kann.wodurch eine deutliche Gewichts- und Volumenreduzierung möglich ist. Aufgrund der bisherigenEntwicklungen und Forschungsarbeiten ist davon auszugehen, dass der Anteil von CFKBewehrungselementen bzw. sogenanntem Carbonbeton in der Bauindustrie in Zukunft stark zunehmen wird, wodurch sich die Erfordernis einer effizienten Zerspanung dieses Konstruktionswerkstoffes ergibt. Da die Auswirkungen der CFK-Elemente auf denZerspanungsprozess des Verbundwerkstoffs CFK-Beton noch nicht erforscht sind, werden imRahmen dieses Projektes die grundlegenden Zusammenhänge bei der Zerspanung anhand von Modellversuchen analysiert.Um die fundamentalen Zusammenhänge im Detail untersuchen zu können, sind weg- undkraftgeregelte Einkornritzversuche an ein- und mehrphasigen Modellwerkstücken geplant, um die mechanische Belastung bei der Zerspanung zu analysieren. Durch mehrphasige Modellwerkstücke werden der Einfluss der zyklischen Werkzeugbelastung und der Einfluss des Diamantverschleißes auf die Durchtrennung der CFK-Elemente und die wirkenden Abtragsmechanismen untersucht. Im zweiten Teil des Projektes werden Modellversuche mit einzelnen Schleifsegmenten durchgeführt. Die Erkenntnisse der Einkornritzversuche dienen hierbei als Grundlage zur Analyse und Bewertung des Einsatzverhaltens. Auch hier werden sowohl weg- als auch kraftgeregelteVersuche durchgeführt, um die grundlegenden Vorgänge bei der Zerspanung analysieren zu können. Neben der mechanischen Belastung der zu untersuchenden Segmente werden die thermischen Belastungen anhand von Temperaturmessungen quantifiziert, um Aussagen über eine thermische Schädigung der CFK-Kunststoffmatrix zu geben. Vor diesem Hintergrund werden unterschiedliche Kühlschmierstoffkonzepte bei der Zerspanung von CFK-Beton untersucht. Als weiterer Aspekt wird analysiert, welchen Einfluss Ausfransungen und überstehende Kohlenstofffasern auf den radialen Verschleiß der Segmente haben und somit zu verkürzten Werkzeugstandzeiten führen.Auf Grundlage der erzielten quantitativen und qualitativen Ergebnisse erfolgt eine mehrskalige Prozessmodellierung, die als Ausgangsbasis für die Entwicklung effizienter Diamantwerkzeuge für die Zerspanung dient. Durch die übergreifende Auswertung zwischen den verschiedenen Versuchsebenen wird eine umfassende Analyse der Wirkzusammenhänge bei der Zerspanung des neuen Konstruktionswerkstoffs erreicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen