Sicheres Bearbeiten von Verbundwerkstoffen
Den Werkzeugverschleiß vorhersagen
Laut einer aktuellen Umfrage will ein Drittel der Fertigungsunternehmen seine Investitionen in Automatisierungswerkzeuge beschleunigen. Wie lässt sich das auf die schwierige Bearbeitung von Verbundwerkstoffen übertragen? Aaron Howcroft, Global Product Manager bei Sandvik Coromant, erklärt wie der CoroDrill 863 Fertigungsunternehmen hilft, diese besonderen Zerspanungsprozesse zu optimieren.
Beim Bohren der meisten Luft- und Raumfahrt-Komponenten haben Fertigungsunternehmen drei Chancen, die Bohrung korrekt herzustellen – danach ist es unmöglich, diese innerhalb der erforderlichen Konstruktionsspezifikationen nachzubearbeiten. Und wenn nur bei einer einzigen Bohrung der Durchmesser oder die Oberflächengüte verfehlt werden oder Delamination auftritt, muss das gesamte Bauteil verschrottet werden. Angesichts des enormen Wertes dieser Komponenten ist das Bohren somit eine überaus riskante Tätigkeit. Und das gilt insbesondere bei Bohrungen in Verbundwerkstoffen, die nochmal andere Anforderungen an die Bearbeitung stellen.
Die Herausforderung Verbundwerkstoffe
Die Herstellung von Bohrungen ist einer der häufigsten Bearbeitungsprozesse bei Verbundwerkstoffen. Beim Bohren dieser besonderen Werkstoffe, die zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften enthalten, wird der Faseranteil des Materials durchtrennt oder gebrochen. Dabei können sich Schichten des Verbundwerkstoffs ablösen. Dieser als Delamination bekannte Fehler ist nach Aussage von Kunden von Sandvik Coromant eine der schwierigsten Herausforderungen in der Produktion.
Delamination wirkt sich auf die Präzision und Wiederholbarkeit der Bohrungen, die Qualität und Intaktheit des Endprodukts und damit auf den Gewinn aus. Vor allem die Intaktheit des Bauteils wird stark von Bearbeitung- oder Nachbearbeitungsprozessen bestimmt, weshalb eine hohe Qualität der Bohrungen entscheidend dazu beiträgt, Bauteildefekte zu vermeiden.
Wie viel Wärme bei der Bearbeitung von Verbundwerkstoffen entsteht, ist ebenfalls ein wichtiger Faktor. Die schlechte Wärmeleitung des Materials und das Fehlen von Spänen bedeuten ein Risiko für das Harz, das die Fasern des Materials zusammenhält. Die Bearbeitung von Verbundwerkstoffen beleuchtet somit Schwachstellen im Bearbeitungsprozess, die ansonsten nicht gesehen würden. Und die Schwachstellen treten umso häufiger zu Tage, je mehr neue Verbundwerkstoffe genutzt werden. Das ist auch der Grund dafür, dass eine hochwertige und wettbewerbsfähige Bearbeitung dieser Teile so herausfordernd ist.
Vorhersagbarer Verschleiß
Die Qualität von Bohrungen ist aktuell wichtiger denn je. Laut einer Umfrage von Euromonitor International planen rund 50 Prozent der Unternehmen, ihre digitalen Strategien neu zu gestalten. Und ein Drittel der Befragten der „Voice of the Industry 2020“-Studie will seine Investitionen in Automatisierungstools beschleunigen. Das bedeutet: Bohrungen müssen künftig auch in unbemannten Produktionsszenarien korrekt gefertigt werden. Daher müssen Hersteller ihr Vorgehen beim Bohren von Verbundwerkstoffen überdenken.
Wie können Werkzeuge dazu beitragen, diese Herausforderungen zu meistern? Könnte ein leistungsfähigerer Bohrer die Automatisierungsstrategie eines Fertigungsbetriebs unterstützen? Die Erwartungen der Hersteller sind klar: Bohrungen sollen hochwertig, konsistent und wiederholbar sein. Natürlich nutzt sich jedes Werkzeug irgendwann ab, aber dieser Verschleiß muss von Werkzeug zu Werkzeug gleichmäßig und vorhersagbar sein. Ein vorhersagbarer Verschleiß ist entscheidend, weil CNC-Maschinen normalerweise so programmiert sind, dass das Werkzeug zum Ausfallzeitpunkt herausgezogen wird. Ist der Lebenszyklus des Bohrers nicht konsistent, kann dies dazu führen, dass die Werkzeugstandzeit um bis zu 50 Prozent reduziert wird. Wenn also ein Bohrer ausgeliefert wird, muss bei jedem einzelnen Werkzeug garantiert sein, dass er unter allen Umständen eine vorhersagbare Zeit lang hält.
Optimiertes Design
Für Branchen wie die Luft- und Raumfahrtindustrie, die besonders häufig Verbundwerkstoffe einsetzen und Bohrungen darin vornehmen müssen, hat Sandvik Coromant den Hochleistungsbohrer CoroDrill 863 entwickelt. Er eignet sich für Verbundwerkstoffe, einschließlich kohlenstofffaserverstärkter (CFK) und glasfaserverstärkter (GFK) Materialien.
Bei der Entwicklung des hochspezialisierten CoroDrill 863-O-Werkzeugs – das O steht für „composite only“-Anwendungen – hat Sandvik Coromant vor allem die Materialien berücksichtigt, die am anfälligsten für Delamination sind. Dieses sind etwa unidirektionales Laminat ohne Abreißgewebe oder gewebte Rückseite, das in der Luft- und Raumfahrt am häufigsten in Tragflächen und Flugzeugrümpfen verwendet wird.
Um genau zu bestimmen, wie viel Delamination über die Standzeit hinweg auftritt, wurde das Ablösen der Schichten digital simuliert. Hierbei sind die Entwickler von sehr geringen Toleranzen ausgegangen, also von einem akzeptablen Maß an Delamination bei einer Bohrung. Anhand der daraus resultierenden Daten konnten sie wesentliche Aspekte des Werkzeugdesigns optimieren: etwa den Steigungswinkel oder die Spiralnut des Bohrers. Eine etwas höhere Helix begünstigt die Spanabfuhr und kann so dazu beitragen, die Delamination an der Austrittsseite zu reduzieren. Eine zu hohe Helix kann allerdings Schichten des Verbundwerkstoffs auf der Eingangsseite voneinander abtrennen. In beiden Fällen kann dies dazu führen, dass Schichten oder Fasern über die Bohrung hinausragen.
Weitere Erfolgsfaktoren
Weitere wichtige Merkmale des CoroDrill 863-O sind sein Profil und seine Sorte. Verbundwerkstoffe sind nicht homogen, und jedes neue Material bringt neue Herausforderungen mit sich – unter anderem aufgrund seiner Schichtdicke und seiner Zusammensetzung. Die überlegenen Eigenschaften des CoroDrill 863-O sind somit darauf ausgelegt, jedes Material zu bearbeiten.
Hartmetallbohrer eignen sich gut für die Bearbeitung von Bauteilen in der Luft- und Raumfahrt, da Hartmetall das Werkzeug durch die Schneidengeometrie und den Schaft stärkt. Das optimiert die Schneidwirkung und maximiert die Freifläche und den Materialabtransport. Aufgrund der abrasiven Eigenschaft von Verbundwerkstoffen verschleißt jedoch auch Hartmetall schnell. Das ist vor allem in automatisierten Produktionseinrichtungen problematisch.
Um diese Schwierigkeit zu überwinden, verfügt der CoroDrill 863-O über die Chemical Vapor Deposition (CVD)-Technologie. CVD ist ein sehr hartes Werkzeugmaterial, das sich ideal für die Bearbeitung von Verbundwerkstoffen und gestapelten Materialien eignet. Das Aufbringen von CVD-Schichten über die gesamte Schneide kann die Standzeit des Werkzeugs deutlich erhöhen. Aufgrund des niedrigen Reibungskoeffizienten von CVD und der hohen Wärmeleitfähigkeit ist das Werkzeug weniger anfällig für Aufbauschneidbildung. Da CVD scharf bleibt, führt es Wärme ab und hat eine geringe Reibung – auch das minimiert Probleme bei Bohrungen. Überall wo viele Bohrbearbeitungen nötig sind und eine höhere Produktivität angestrebt ist, bietet die CVD-Sorte somit klare Vorteile.
Die erweiterte CoroDrill 863 Serie bietet Fertigungsunternehmen mit automatisierten Produktionseinrichtungen klare Vorteile – sowohl beim Einsatz in CNC-Maschinen als auch in Robotern am Fließband. Da die Bohrer in Hartmetall, in polykristallinem Diamant (PKD) und mit CVD-Beschichtung erhältlich sind, können sie für die unbemannte Bearbeitung aller Arten von schwer zerspanbaren Materialien eingesetzt werden: von Verbundwerkstoffen über Aluminium, Titan und hitzebeständigen Superlegierungen bis zu rostfreien Stählen.
Überzeugend im Labor- und Feldversuch
Die Leistungsfähigkeit des CoroDrill 863-O wurde bei Bohrungen in einem Kohlefaserwerkstück getestet. Kohlefaser ist ein beliebtes Material in der Luft- und Raumfahrt, da es dank eines hervorragenden Festigkeits-Gewichtsverhältnisses leichtere Flugzeugkonstruktionen ermöglicht.
Bei dem Test wurden die Bohrungen in einem Bauteil mit einer durchschnittlichen Schichtdicke von 6,35 mm vorgenommen. In zwei unterschiedlichen Bohrdurchgängen wurde jeweils mit einem CoroDrill 863-O und der Sandvik Coromant-eigenen CVD-Variante namens O1AD für verbesserte Verschleißfestigkeit in Verbundwerkstoffen zerspant. Zunächst wurde das Werkstück mit einem Bohrer mit einem Durchmesser von 6,37 mm bearbeitet, zum Vergleich kam ein Werkzeug mit einem Durchmesser von 4,85 mm zum Einsatz.
In beiden Durchgängen zeigte der CoroDrill 863-O hervorragende Ergebnisse: Mit dem größeren Durchmesser (6,37 mm) konnten 400 Bohrungen, mit dem kleineren Durchmesser (4,85 mm) sogar 560 Bohrungen hergestellt werden. Und trotz des frühen Stadiums hinsichtlich der Werkzeugstandzeit stimmten die Ergebnisse bemerkenswert gut mit den Labortests überein.
Mithilfe des Kapazitätsdaten-Managementsystems von Sandvik Coromant, einem System zur Vorhersage und Prognose der Werkzeugstandzeit, konnte die Standzeit exakt eingeschätzt werden. Die Labor- und Praxistests belegen die Vorteile des CoroDrill 863-O: eine hervorragende Standzeit, weniger Werkzeugwechsel und eine wiederholbare und zuverlässige Leistung bei der Bearbeitung von Verbundwerkstoffen. Zudem wiesen sämtliche Bohrungen in beiden Testläufen nur ein geringes Maß an Delamination an den Ein- und Austrittstellen auf.
Fazit
Spezialisierte Zerspanungswerkzeuge können entscheidend zum Erfolg bei der Herstellung von Bohrungen beitragen – insbesondere bei Komponenten aus Verbundwerkstoffen oder gestapelten Materialien. Zudem können Werkzeuge wie der CoroDrill 863-O Fertigungsunternehmen bei der Automatisierung ihrer Bearbeitungsprozesse unterstützen – selbst dann, wenn es um die Bearbeitung harter Verbundwerkstoffe geht.
