Composites: Nützliche Eigenschaften, aber schwer zu bearbeiten

Composites:
Nützliche Eigenschaften, aber schwer zu bearbeiten

Aus dem Flugzeugbau sind Composites nicht mehr wegzudenken und auch in der Automobilindustrie werden sie immer wichtiger. Ihre Ver- und Bearbeitung ist jedoch schwierig. Vor allem karbonfaserverstärkte Kunststoffe, bei denen die Faser in eine Matrix eingebettet ist, aber auch Werkstoffverbünde aus schichtweise aufgebauten Materialien, stellen extreme Anforderungen an Bearbeitungsmaschine und Werkzeuge. Mögliche Lösungen zeigen die Hersteller auf der nächsten AMB, internationale Ausstellung für Metallbearbeitung, vom 16. bis 20. September 2014 in Stuttgart.

Die Composites-Branche ist positiv gestimmt. Als sich die vier Fachorganisationen Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe (AVK), Carbon Composites, Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK)-Valley Stade und das Forum Composite Technology im VDMA Mitte des Jahres zur Wirtschaftsvereinigung 'Composite Germany' zusammenschlossen, war eine der ersten gemeinsamen Aktionen eine Umfrage zur Geschäftslage. Diese sehen die Mitgliedsunternehmen "überwiegend positiv oder sehr positiv", wie Dr. Walter Begemann, Projektleiter beim VDMA-Forum, feststellt. Besonders erfreulich für Werkzeugmaschinen- und Präzisionswerkzeug-Hersteller: Zwei Drittel planen ein noch stärkeres Engagement. Die größten Wachstumsimpulse kommen aus der deutschen und asiatischen Automobil- und Luftfahrtindustrie. Verbandsvorsitzender Dr. Michael Effing sieht deshalb in Composites "eine Schüsseltechnologie für den Industriestandort Deutschland".

Das sieht auch Prof. Dr.-Ing. Frank Barthelmä, Geschäftsführer der Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung (GFE) e.V., Schmalkalden, so. Er macht aber auf einige zentrale Herausforderungen aufmerksam: Die Gefahr von Delaminationen, zu geringe Standzeiten der Werkzeuge und die Absaugung entstehender Staubpartikel. "Man muss sich bei der Lösung solcher Probleme mit der gesamten Prozesskette zur Bearbeitung der Composites auseinandersetzen: beginnend mit dem Maschinenkonzept, den Prozesspa-rametern, der Bauteilqualität insgesamt und natürlich auch mit dem Werkzeug." Der GFE gelang es, Werkzeuge in einem iterativen Prozess optimal an die Bearbeitungsauf-gabe anzupassen. Konkret: "Durch geeignete Bearbeitungstechnologien wie das Bürstpolieren, das Mikrofinishen durch Schleppschleifen oder das Mikrostrahlen, ist es gelungen, genau definierte Schneidkantenradien von wenigen Mikrometern reproduzierbar herzustellen - und das entlang der gesamten Schneidkante des Werkzeuges." Besonders wichtig ist dies bei Kombinations- oder Stufenwerkzeugen, um Delaminationen zu vermeiden, so Barthelmä. Ein weiterer Schritt ist die Beschichtung. Dabei hätten sich Oxinitrid-Schichten mit eingelagertem Sauerstoff besonders bewährt und die Standwege gegenüber herkömmlichen Vollhartmetall-Werkzeugen mehr als verdoppelt. Noch bessere Ergebnisse erhoffen sich die Schmalkaldener Zerspanungsex-perten von diamantähnlichen Schichten (DLC - Diamond Like Carbon), die eine wirtschaftliche Alternative zu den sehr teuren polykristallinen Diamanten (PKD)- beziehungsweise CVD-Diamantwerkzeugen (CVD-Chemical Vapour Deposition) werden könnten.

Auch die Werkzeugmaschinenhersteller müssen ihren Beitrag leisten. Barthelmä: "Hohe Drehzahlen mit neuartigen, gekapselten Spindeln sind eine der Voraussetzungen für die Bearbeitung von Composites. Hinzu kommen höchste Dynamik der Maschine und die Möglichkeit des mehrachsigen Fräsens, wie dies bei der 5-Achs-Seiten- sowie Simultanbearbeitung der Fall ist." Große Hoffnung setzt er zudem auf die Bearbeitung mit hybriden Fertigungsverfahren wie dem ultraschallunterstützten Fräsen.

Trotz individueller Lösungen müssen Kosten runter

Wie heterogen die Anforderungen sind, fasst Peter Büttler, verantwortlich für die Leichtbauaktivitäten der Komet Group, zusammen: "Zum einen unterscheiden sich die Fasern in Material, Länge, Dicke und Faserrichtung. Zum anderen sind für die Matrix über 100 verschiedene Harze am Markt: Duroplaste und Thermoplaste, die kalt zerspant werden müssen, und Elastomere, bei denen es auf hohe Schnittgeschwindigkeit ankommt, wobei bei hohen Drehzahlen die Reibungswärme in der Spannut niedrig blei-ben muss." Entsprechend wichtig sei eine enge Zusammenarbeit zwischen Anwender und Werkzeughersteller. "Wir prüfen bereits im Vorfeld alle relevanten Faktoren wie den zu zerspanenden Werkstoff, aber auch die Bearbeitungstechnologie." So mache es einen Unterschied, ob auf einem Bearbeitungszentrum, mit dem Roboter oder mit Handbearbeitungsmaschinen gearbeitet werde. Hinzu kämen die Werkstückspannung und die damit verbundenen Vibrationsrisiken. Weitere Faktoren: Die Kühlung, Drehzahlen, die eigentliche Bearbeitungsaufgabe und die Absaugung.

So wünschenswert ein Universalwerkzeug für möglichst viele Anwendungen wäre, "dafür gibt es derzeit keine wirtschaftliche Lösung, weil die extrem inhomogenen Werkstoffverbünde sehr unterschiedliche Anforderungen stellen", erklärt auch Prof. Dr.-Ing. Diethard Thomas, Leiter der LMT Group Acadamy. In der Regel müsse bei Composite-Materialien das Werkzeug individuell abgestimmt werden. Bei Materialver-bünden aus schichtweise gefügten unterschiedlichen Werkstoffen könne allerdings eine Lösung im Sinne der Wirtschaftlichkeit sein, "Schnittwerte auf den schwierigsten Werkstoffpartner auszurichten, zum Beispiel bei Verbünden aus CFK/Aluminium oder CFK/Titan." Thomas sieht einen permanenten Weiterentwicklungsbedarf, da die Werkstoffe aufgrund ihrer hohen Kosten (zirka 50 Prozent Kostenanteil) ständig verändert und optimiert würden: "Damit ergeben sich auch permanent neue Anforderungen an die Werkzeuggestaltung zur weiteren Optimierung des Zerspanungsprozesses; Werkzeugausführungen und Schnittwertempfehlungen sind also ständig 'im Fluss'."

Aribert Schroth, Produktspezialist für hochharte Schneidstoffe beim Werkzeug-Hersteller Paul Horn, warnt davor, Composites immer nur mit kohlefaserverstärkten Kunststoffen gleichzusetzen. "Artverwandte Gruppen lassen sich durchaus mit denselben Werkzeugen, jedoch unterschiedlichen Bearbeitungsparametern, zerspanen." Einen ähnlichen Ansatz verfolgt man beim Werkzeug-Hersteller Mapal. Dr. Peter Müller-Hummel, Leiter des Geschäftsbereichs Aerospace & Composites: "Oftmals decken sich die Anforderungen, wir wählen dann immer den kritischeren Fall und können so viele weniger kritische mit abdecken." Bei Mapal will man den Kunden aber noch auf anderen Wegen Kosten sparen helfen, wie Müller-Hummel erläutert: "Die Bearbeitung in einem Arbeitsgang statt in drei bis fünf Prozessschritten hat zurzeit das höchste Potenzial." Daneben ermöglichten spezielle Beschichtungen für Werkzeuge höhere Standzeiten und senkten so zum Beispiel die Kosten pro Bohrung.

Generell sei beim Verschleiß der Werkzeuge die Wirtschaftlichkeit noch deutlich zu steigern, wie Paul-Horn-Mann Schroth feststellt: "Die Prozesse, die zum Verschleiß der Schneide führen, sind bei Weitem noch nicht komplett erforscht und verstanden." Er lenkt den Blick auf einen weiteren Aspekt, verbunden mit einer Forderung an die Werkstoffhersteller: "Noch wirksamer wäre eine Prävention schon im Entwicklungsstadium des Werkstoffes. Auch engere und klar definierte Vorgaben in der Herstellung würden sich positiv auf die Wirtschaftlichkeit auswirken." So erweise sich der aktuelle Trend zu weniger Harzanteil und streng unidirektionaler Ausrichtung der Fasern als vorteilhaft, da der Werkstoff dadurch berechenbarer werde. Die dadurch stärkere Delamination hält der Leichtbauexperte für beherrschbar: "Die Werkzeugschneide muss scharf sein und muss es auch bleiben, hierzu ist fast jedes Hilfsmittel recht." Ein Mittel könne die Sensorik liefern. Schroth: "Neben der Verschleißerkennung, die den größten Nutzen bringt, ist das Schwingungsverhalten des Bauteils elementar für die Funktion und Standzeit des eingesetzten Werkzeugs."

Genaue Verschleißerkennung ist auch die Voraussetzung für eine Entwicklung am wbk Institut für Produktionstechnik in Karlsruhe. Dort nahm der wissenschaftliche Mitarbeiter Stefan Klotz die Materialschädigung durch Werkzeugverschleiß beim Bohren genau unter die Lupe. Er stellte fest, dass sich mit dem Werkzeugverschleiß "die Eingriffsverhältnisse der Werkzeugschneide verändern, was zu sich verändernden Prozesskraftrichtungen und zunehmenden Werkstückschädigungen führt". Klotz schlägt deshalb eine "dynamische Anpassung der Prozessparameter an den aktuellen Verschleißzustand des Werkzeugs" vor, um die "Schädigungen an den Decklagen gezielt zu verringern".

Klassische Werkzeugmaschine ist meist zu teuer

Während also die Werkzeug-Hersteller fleißig für den lukrativen Zukunftsmarkt der Composites-Bearbeitung forschen und entwickeln, scheinen die klassischen Werkzeugmaschinen-Hersteller für die Zerspanung ein grundsätzliches Problem mit Composites zu haben: Ihre Maschinen seien in der Regel zu klein und zu teuer. Ivica Kolaric, Abtei-lungsleiter Funktionale Materialien am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, erklärt: "Zur Bearbeitung von Composites werden häufig Ma-schinen eingesetzt, die ihre Wurzeln im Bereich der Holz- und Kunststoffbearbeitung haben." Kein Wunder, wenn man sich die flächenspezifischen Preise anschaut. Könne bei einer klassischen Werkzeugmaschine der Preis pro Quadratmeter Bearbeitungsfläche 600.000 Euro erreichen, steigen Holzbearbeitungsmaschinen bei 10.000 Euro pro Quadratmeter ein - natürlich bei deutlich geringerer Genauigkeit. Ändern könnte sich die Situation durch anders gelagerte Anforderungen der Automobilindustrie. Während es in der Flugzeugindustrie oder auch bei Windkraftanlagen um sehr große Teile geht, die relativ labil und ungenau sind, dreht sich in der Automobilindustrie alles um kleinere Teile, die schnell in hoher Stückzahl und Genauigkeit gefertigt werden müssen. Das Fazit von Kolaric: "Werkzeugmaschinenhersteller müssen günstiger werden, die Her-steller von Holzbearbeitungsmaschinen genauer."

Das hat man auch bei MAG IAS erkannt, wie Dr. Matthias Meyer, Vice President Composites, erklärt: "Das Hauptbauteilspektrum besteht aus langgestreckten, dünnwandigen Bauteilen, entsprechend muss der Arbeitsraum der Maschine und der Maschinentisch dimensioniert sein. Und trotz fehlender Freiformbearbeitung verlangen die Bauteilgeometrien meist eine vier- bzw. fünfachsige Bearbeitung, um zur Bauteiloberfläche orthogonale Schnittkanten zu erzeugen." Außerdem unterschieden sich die Ansprüche an die Werkzeugspindel von denen bei der Metallbearbeitung. Als technologischen Wettbewerber sieht Meyer vor allem das Wasserstrahlschneiden, das allerdings mit Nachteilen wie Bauteilschädigungen und großen Mengen an Sondermüll zu kämpfen habe. "Deswegen hat MAG sich entschieden die Fräsbearbeitung von Composites konsequent auszubauen und sein Knowhow aus der Automatisierung und der Serienproduktion einzusetzen."

Ein klassischer Werkzeugmaschinen-Hersteller, der die Herausforderung annimmt, ist DMG Mori. "Neben einem langzeitstabilen Maschinenkonzept und höchster Dynamik sollte die Maschine insbesondere für die Bearbeitung von abrasiven Stäuben gerüstet sein", erklärt Patrick Diederich, Geschäftsführer der Sauer GmbH in Pfronten, einer Tochtergesellschaft der DMG Mori. Dort hat man mit Ultrasonic-Maschinen ein Hybrid-Konzept im Portfolio, das sich gerade für die Bearbeitung schwieriger Werkstoffe anbietet. Ein induktives Aktorsystem überlagert dabei die Werkzeugrotation mit einer zusätzlichen oszillierenden Bewegungskinematik in Längsrichtung. "Dadurch erreichen wir eine deutliche Reduktion der wirkenden Prozesskräfte um bis zu 40 Prozent, erzielen saubere Kanten und verhindern Faserausrisse sowie Delamination bei gleichzeitiger Erhöhung der Vorschübe."

Ein großes Problem stellen die abrasiven und elektrisch leitenden Stäube bei der Bearbeitung dar. "Die Integration eines perfekt funktionierenden, ganzheitlichen Absaugungskonzeptes ist einer der wichtigsten Faktoren. Neben einer Hochleistungsabsaugung mit integrierter Feinstaubüberwachung sowie Wärmerückführung sollte die Maschine im optimalen Fall über einen geschlossenen Arbeitsraum mit integrierter Raumabsaugung verfügen." Um gar nicht erst Gefahr zu laufen, dass die Stäube Unheil anrichten können, lägen zudem Antriebe und Führungen außerhalb des Maschinenraumes, X- und Z-Achse seien zusätzlich gekapselt. Diederichs dringender Rat: "Generell sollten alle elektrischen Komponenten geschützt werden. Darüber hinaus sollte die Bearbeitungsspindel ölfrei sein, um jegliche Kontaminationen am Bauteil zu verhindern."

Die entstehenden Stäube und ihre Auswirkungen auf Sicherheit und Gesundheit sind für IPA-Mann Ivica Kolaric, neben Kostenreduzierung und Standzeitverlängerung der Werkzeuge, die zentrale Herausforderung. Er sieht Menschen und Maschinen gleichermaßen gefährdet, solange nicht genauer untersucht sei, was diese Stäube genau bewirken und wie man sie am besten handhabt: "Sie können nicht nur eine gesundheitliche Gefahr darstellen, sondern auch durch Fertigungshallen zu anderen Maschinen fliegen und dort für Störungen sorgen." Am IPA arbeite man bereits an diesen Fragen in einem Arbeitskreis, in dem auch die Berufsgenossenschaft sitzt. Das Problem, Mensch und Maschinen schützen zu müssen, bestätigt auch MAG-Mann Meyer: "Die Integration von Absaugung und gleichzeitige Abdichtung von Maschinenkomponenten stellt hier einen Arbeitsschwerpunkt dar. Allerdings fallen neben den Stäuben auch teils sehr große Abfallstücke an, die durch konventionelle Mechanismen wie Schneckenförderer nicht oder nur unzureichend prozesssicher aus dem Arbeitsraum gefördert werden können." Ein weiterer Schwerpunkt sei der Fertigungsmittelbau für ein sicheres Handling und die Aufspannung dünnwandiger Strukturen.

Die Bearbeitung von Composites stellt generell hohe Anforderungen an die Technolo-gieentwicklung, wie Patrick Diederich erläutert: "Eine Kombination aus verschiedensten Werkstoffen, die zu einem extrem anisotropen Werkstoffverhalten führt, bedingt eine permanente Optimierung aller Prozessdaten, der Werkzeuge sowie der Kühlschmierstoff Auswahl." Neben der eigentlichen Bearbeitung müssten zudem die nachfolgenden Prozessschritte wie Klebeverfahren, Lackieren oder Weiterverarbeitung berücksichtigt werden. Nahezu alle Besäumungsaufgaben erforderten ein mehrachsiges Fräsen. "Dabei sollte gerade bei der Fünf-Achs-Seiten sowie Simultanbearbeitung insbesondere die Dynamik der einzelnen Achsen optimal aufeinander abgestimmt sein, denn nur so kann ein schnelles Positionieren sowie Umorientieren bei anspruchsvollen Bearbeitungsaufgaben gewährleistet werden", wie Diederich betont.

Aber auch die Werkzeugmaschinen selbst könnten von Composites profitieren. So werde bei DMG Mori aktuell untersucht, in welchen Bereichen diese Materialien Vorteile böten. Florian Feucht, Leiter der Entwicklungsabteilung bei Composite Sauer in Stipshausen: "Im ersten Ansatz fokussieren wir uns dabei auf bewegte Massen und die Steigerung der Energieeffizienz mit dem Ziel, ein Höchstmaß an Dynamik mit entsprechender Nachhaltigkeit zu erreichen." Weniger interessant sei hingegen die Möglichkeit, durch den Einsatz von Karbonfasern thermisch induzierte Verlagerungen zu kompensieren. "Das haben wir bei den aktuellen Werkstoffen schon sehr gut im Griff." Auch bei MAG haben Composites für den Bau von Werkzeugmaschinen mittlerweile einen hohen Stellenwert, vor allem wenn es um Dynamik geht, wie Matthias Meyer erläutert: "In vielen Bereichen unserer Maschinen sind Massen in kurzer Zeit zu beschleunigen."

16.9. bis 20.9.2014, Messegelände Stuttgart

Quelle: Messe Stuttgart