In-Prozess-Prädiktion von Decklagendelamination beim Umfangsfräsen von kohlenstofffaserverstärkten Bauteilen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jan Hendrik Dege; Professor Dr.-Ing. Andreas Fischer
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Kunststofftechnik ; Messsysteme ; Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 574307962

Leichtbau-Komponenten aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) werden zwar endkonturnah gefertigt, erfordern jedoch fast immer eine spanende Kanten-Nachbearbeitung, die oft zu Bauteilschädigungen führt. Weil sich die CFK-Zerspanung aufgrund der stark orthotropen Materialeigenschaften grundlegend von der Metallzerspanung unterscheidet, lassen sich Zerspanmodelle für metallische Werkstoffe nur unzureichend übertragen. Trotz umfangreicher Untersuchungen zu einzelnen Einflussgrößen und Schädigungsmechanismen fehlen holistische CFK-Zerspanmodelle, die insbesondere mikroskalige mechanische Effekte berücksichtigen, weshalb sich Bauteilschädigungen nicht verlässlich prognostizieren lassen. Das Projektziel liegt daher in der Realisierung eines 3D-Prozessmodells für einen CFK-Umrissfräsprozess, welches basierend auf in-prozess erhobenen Oberflächenverformungsdaten Decklagendelamination prognostizieren kann. Für das Modell sollen insbesondere die Einflüsse von (verschleißbedingter) Werkzeuggeometrie, Faserorientierung und Prozessparametern untersucht werden. Die Oberflächenverformung des Bauteils wird mit dem laseroptischen Messverfahren der Laserspecklefotografie ermittelt und in Dehnungen umgerechnet, welche mit aus dem Prozessmodell abgeleiteten Grenzdehnungswerten verglichen werden, woraus sich eine Delaminations-Prognose ableiten lässt. Die Konzipierung und Validierung von Prozessmodell und Messtechnik erfolgen an einem wohldefinierten Referenzfräsprozess, mit dem zunächst für eine ideal steife Werkstückeinspannung Verformungsdaten sowie Schädigungsinformationen für verschiedene Prozessparameter (z.B. Schnittgeschwindigkeit) erhoben und abgeglichen werden. Darüber hinaus wird untersucht, wie sich die nicht-ideale Bauteileinspannung während des normalen Bearbeitungsprozesses auf die Messunsicherheit der Verformungsmessung auswirkt, welchen Einfluss die im Prozess zu erwartenden lateralen Verformungen auf die Messunsicherheit haben und wie sich diese von den hier interessierenden Verformungen in Richtung der Oberflächennormalen separieren lassen. Da das 3D-Prozessmodell für einen Einsatz zur Delaminationsprognose im Prozess viel zu langsam ist, wird zusätzlich erforscht, wie und mit welchen Abweichungen sich das Prozessmodell in ein schnelleres Ersatzmodell überführen lässt. Schließlich soll eine In-Prozess-Validierung der Delaminationserkennung und -prognose in einer kommerziellen Fräsmaschine erfolgen. Damit soll im Ergebnis der ersten Phase geklärt werden, mit welchen Unsicherheiten durch den Einsatz einer In-Prozess-Verformungsmessung und einem schnellen Prozessmodell eine prozessparallele Früherkennung der Delaminationsentstehung erreicht werden kann, welche Einflussgrößen maßgeblich zum Unsicherheitsbudget beitragen und welche Prozessgrößen die Bauteilschädigung entscheidend beeinflussen. Basierend auf diesen Grundlagen soll in der zweiten Phase eine Prozessregelung zur Vermeidung von Delaminationsschäden erarbeitet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen