Feinschneiden von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (Feinschneiden CFK)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452410572

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) weisen gegenüber den konventionellen Konstruktionswerkstoffen ein hohes Verhältnis von Festigkeit zur Dichte auf. Im Kontext der Thematik Stofflicher Leichtbau versprechen diese Werkstoffeigenschaften ein hohes Potenzial für die Herstellung von gewichtsoptimierten Bauteilen. Die Bauteile aus CFK werden endkonturnah hergestellt. Dennoch müssen CFK-Bauteile zur Erfüllung von geometrischen oder funktionalen Anforderungen einer Fertigbearbeitung unterzogen werden. Diese beinhaltet das Besäumen der Außenkontur oder die Herstellung von Löchern.Eine potenziell wirtschaftliche und produktive Technologie für die Fertigbearbeitung von CFK ist das Feinschneiden. Das Feinschneiden von CFK ist noch kein Stand der Technik. Die Ursache-Wirkung-Zusammenhänge zwischen den Prozess- sowie Werkstoffparametern und den resultierenden Schneidkräften sowie den resultierenden Qualitätsmerkmalen von feingeschnittenen CFK-Bauteilen sind unerforscht.Das Ziel dieses Vorhabens ist die Identifizierung und die Erklärung von prozessspezifischen Trennmechanismen beim Feinschneiden von CFK auf Basis von experimentellen und numerischen Untersuchungen. In der ersten Phase des beantragten Projektes wird das Feinschneiden von unidirektionalen CFK-Laminaten aus High Tenacity Fasern in Abhängigkeit verschiedener relativer Faservolumenanteile untersucht. Das gewonnene Grundlagenverständnis ermöglicht anschließend unter Berücksichtigung der untersuchten Werkstoffparameter eine zielgerichtete Prozessauslegung des Feinschneidens zur Herstellung von CFK-Bauteilen mit hoher Qualität. In der zweiten Projektphase wird das erlangte Grundlagenverständnis durch das Feinschneiden von unidirektionalen CFK-Laminaten unter Berücksichtigung verschiedener Kohlenstofffasertypen erweitert sowie eine Übertragung der gesamtheitlich gewonnenen Erkenntnisse auf das Feinschneiden von multidirektionalen CFK-Laminaten angestrebt.Zur Erreichung des Ziels der ersten Projektphase werden experimentelle Untersuchungen an unidirektionalen CFK-Laminaten unter Variation des Werkstoffparameters relativer Faservolumenanteil sowie der Prozessparameter des Feinschneidens durchgeführt. Dadurch werden die signifikanten Ursache-Wirkung-Zusammenhänge zwischen den analysierten Parametern und den resultierenden Schneidkräften sowie den Qualitätsmerkmalen von feingeschnittenen CFK-Bauteilen identifiziert. Parallel wird ein numerisches Prozessmodell des Feinschneidens von CFK auf Basis der Finite-Elemente-Methode aufgestellt und mit experimentellen Daten validiert. Im Anschluss erfolgt die Synthese der generierten experimentellen und numerischen Ergebnisse zu einem physikalisch basierten Erklärungsmodell hinsichtlich der Trennmechanismen beim Feinschneiden von CFK. Abschließend wird das Erklärungsmodell der Trennmechanismen anhand von Feinschneidversuchen validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen