Evaluierung bearbeitungsinduzierter Schadensbilder beim Zerspanen von Faser-Kunststoff-Verbunden mit geometrisch bestimmter Schneide

Abstract

Das Thema Leichtbau ist in den letzten Jahren zu einem globalen Schlüsselthema herangewachsen, wenn es darum geht Ressourcen zu schonen, Energie effizient zu nutzen bzw. den CO2-Ausstoß zu senken und mit dem Erkennen von Recyclingpotentialen für Nachhaltigkeit zu sorgen. Eine immer wichtigere Rolle in diesen Bereichen nehmen Leichtbaumaterialen aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) ein. Eine Entwicklung die auch in Zukunft ihre Fortsetzung finden wird, denn mit den speziellen, im Verbund aus Faser und Matrix, optimierten Materialeigenschaften, die vorzugsweise über ihre hohen spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten zum Ausdruck gebracht werden, ist es in den letzten Jahren gelungen zahlreiche, innovative Neuerungen für technische Zwecke umzusetzen. Beispiele wie der 787 Dreamliner von Boeing, der A350 XWB von Airbus, welche bei der Herstellung dieser Passagierflugzeuge in hohem Maße auf den Einsatz von Verbundwerkstoffen (Composites) setzen oder das BMW-Projekt mit den Elektrofahrzeugen BMW i3 und BMW i8, deren Fahrgastzellen komplett aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff bestehen, machen dies deutlich und sind ein klarer Beweis für den vorherrschenden Leichtbautrend. Daher wird es für werkstoffver- und werkstoffbearbeitende Industriezweige immer wichtiger Mittel und Wege zu finden, die Bauteilherstellung für den Endkunden kostensparend und prozesssicher zu gestalten. Eine große Herausforderung dabei stellt die Endbearbeitung von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen mittels Zerspanung dar, welche trotz endkonturnaher Bauteilfertigung in nahezu allen Fällen unumgänglich ist. Erschwerende Faktoren sind dabei bearbeitungsinduzierte Schäden, wie etwa Ausfransungen, Delaminationen oder Absplitterungen, welche dazu führen können, dass der Bauteil zum Ausschuss erklärt werden muss. Infolgedessen wird versucht mit einer Vielzahl unterschiedlicher Entwicklungen derartig unerwünschten Effekten entgegenzuwirken. Zum einen wird versucht die erforderlich Bauteilqualität beim Zerspanen über die Werkzeuggeometrie in Verbindung mit den passenden Schnittwerten und der richtigen Frässtrategie sicherzustellen. Der sogenannte Raspelfräser, auch Router genannte, der mit vielen kleinen, pyramidenförmigen Zähnen versehen ist und bevorzugt für die Grobzerspanung (Schruppen) von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) eingesetzt wird, sowie der Kompressionsfräser, dessen Umfangsschneiden mit gegenläufigen Drallwinkeln ausgestattet sind und für zähe Fasern, wie Aramid, gedacht ist, sind zwei Beispiele von Werkzeugneuentwicklungen speziell für die FKV-Zerspanung. Zum anderen soll mit Hilfe von Assistenzsystemen die Prozesssicherheit weiter forciert werden. Dies kann beispielsweise den Einsatz eines Niederhalters an der Werkzeugeintrittsstelle des Bauteils bedeuten. Dabei soll der aufgebrachte Anpressdruck um die Ausnehmung herum dafür sorgen die Schadensausbreitung an der Bauteiloberfläche zu verhindern. Desweiteren wird versucht die Prozesskräfte bei der Zerspanung mittels Schwingungsunterstützung zu verringern, damit gleichzeitig die Werkzeug- und die Bauteilbeanspruchungen gering gehalten werden. Hinzu kommt, dass mit der zusätzlichen Werkzeugbewegung aufgrund der Schwingungsanregung die Fasern besser geschnitten werden, was wiederum ein verbessertes Bearbeitungsergebnis bedeutet. Zum Schwingen kann dabei entweder das Werkzeug oder das Bauteil selbst angeregt werden. Ebenfalls eine Möglichkeit der Unterstützung bietet die kryogene Bearbeitung. Das Ziel bei dieser Methode ist es mit dem Einwirken eines Kühlmediums für eine Versprödung des Werkstoffes bzw. eine Herabsetzung der Bruchdehnung der Fasern zu sorgen. Außerdem kann die Kühlung als Schutz des Werkstoffes sowie des Werkzeuges vor thermischer Schädigung dienen. Trotz dieser vielfältigen Möglichkeiten zur Optimierung des Fräsprozesses bedarf es am Ende der Beurteilung des Bearbeitungsergebnisses bzw. Schadensbildes am Bauteil. Dabei zeigen sich gänzlich neue Qualitätsmerkmale als von der Metallzerspanung bekannt. Die Schwierigkeit in diesem Fall ist das Nichtvorhandensein einer einheitlichen Aussage zu einem vorliegenden Zerspanungsergebnis und das Fehlen einer gemeinsamen & Sprache & bezüglich Schadensdefinition, Schadensvermessung und Schadensbeurteilung in Form von Normen, weshalb oftmals Unklarheit darüber herrscht, ob eine Bohrung oder eine Besäumung eines FKV-Bauteils die nötige Qualität für den Endkunden aufweist. Daher ist es das erklärte Ziel dieser Arbeit, mit Hilfe von am Institut für Fertigungstechnik und Hochleistungslasertechnik durchgeführten Zerspanungsversuchen eine einfache bzw. manuell durchführbare Bewertungsmethode für bearbeitungsinduzierte Schadensbilder zu entwickeln und anzuwenden. Bei dem praktischen Teil der Aufgabenstellung hat sich die Zerspanung auf Bohr- und Fräsprozesse mittels verschiedenster Spiralbohrer (B) und Schaftfräser (SF...Stirnfräser & UF...Umfangsfräser) beschränkt. Die zerspanten FKV-Platten, bestehen dabei aus den drei, technisch wichtigsten Fasermaterialien Kohlenstoff, Aramid und Glas im Verbund mit einer Matrix aus Epoxidharz. Die Methode ist eine experimentelle Herangehensweise in Form eines Benchmarks, der 59 Einzelversuche beinhaltet und bei dem insgesamt 33 unterschiedliche Werkzeuge getestet werden. Die zerspanten Benchmark-Platten sind daraufhin nach der sogenannten & Eindimensionalen Maximalwertmethode & vermessen und im Anschluss daran mit einem Tabellenkalkulationsprogramm (MS Excel) ausgewertet worden. Bei dem Mess- und Bewertungsverfahren ist es durchaus denkbar, dass es entweder in der angewandten Form oder in einer weiterentwickelten Variante als Vorlage für den industriellen Einsatz dienen kann. Die Analyse der aufgenommenen Messdaten soll außerdem dazu dienen ein Verständnis für die neuartigen Wirkmechanismen beim Zerspanen anisotroper Faser-Kunststoff-Verbunde zu erhalten, welche beim Zusammenspiel von Werkzeug, Faser und Matrix einen wesentlichen Einfluss auf die Zerspanungsqualität haben. Vor allem die Einflüsse der Werkzeuggeometrie und der verwendeten Schnittparameter in Verbindung mit dem verwendeten Werkstoff gilt es zu untersuchen, um aus den experimentell gesammelten Erfahrungen Entwicklungspotentiale ableiten zu können.

In the last few years the topic lightweight construction has become a global key topic when talking about resource saving, energy efficiency, reducing the carbon dioxide emission and ensuring sustainability detecting recycling potentials. Fibre-reinforced polymers (FRP) are becoming increasingly relevant in these areas. This development will continue in the future, because of the possibility to combine a certain fibre with a certain matrix allowing the optimization of the material properties. These properties are primarily expressed by their high specific strength and stiffness and paved the way for numerous technical innovations in the last few years. Some examples include the 787 Dreamliner by Boeing and the A350 XWB by Airbus, which use composites to a high degree for their passenger aircrafts or the BMW-project with its electric vehicles BMW i3 and BMW i5, where the entire passenger cabin is made of carbon-fibre-reinforced polymers, are an evidence for this trend. It therefore gets more and more important for material processing industry sectors to find solutions to produce components for customers in a cost-efficient and reliable way. One of the major challenges thereby is the final processing of FRP-components by machining. Although in this case there often is talk of near-net-shape fabrication, the machining of those parts is almost inevitable. Aggravating circumstances are machining-induced damages like frayings, delaminations and splintering, which can lead to rejection of the component. Consequently there exists a wide range of developments to counter such unwanted effects. On the one hand the required component quality during machining should be ensured by using the appropriate tool geometry combined with the right cutting parameters and the right milling strategy. The so-called `router¿ for example is a milling tool that is equipped with a lot of small, pyramid-shaped cutting teeth, gets preferably used for rough machining of CFRP. The `compression router¿ as another example has contrary-twisted peripheral cutting edges and is thought for very tough fibre materials such as aramid. These two tool developments represent tooling, especially designed for the machining of FRP. On the other hand the process reliability should be ensured by making use of assisting systems. That for example can be a downholder at the tool entry point of the component. The induced downforce around the drill hole should prevent the damage expansion at the component's surface. Further, there is the attempt to reduce the occurring process forces during machining with the help of vibration assistance. In this case both, the load on the tool and the component should be kept at a low level. At the same time the additional tool movement leads to a better cutting of the fibres, resulting in a better machining outcome. Another possibility of assistance is given by cryogenic machining. The aim of this method is to lower the breaking elongation of the fibres by the influence of a cooling medium. Moreover the cooling protects the workpiece and the tool from thermal damage. Despite these numerous possibilities to optimise the machining process, at the end of the end of the process chain there is the need to evaluate the machining results respectively the damage on the components. In this case quality characteristics differ from those of metal cutting and the major challenge is the absence of a standardised method to evaluate these damages. Consequently, it is necessary to define the different damage modes that occur, when machining FRP and to find a standardised measuring method. This would help in situations where there is uncertainty about whether a drill hole of a FRP-component has the required quality for the customer. The aim of this thesis is to conduct machining tests at the Institute of Production Engineering and Laser Technology (IFT) and to develop a simple and manually practicable measuring method to evaluate the machining induced damage on the specimens. The practical part of this work is limited to drill and milling processes with different types of twist drills and end mills. The machined FRP-specimens are made of the fibre materials carbon, aramid and glass combined together with the same matrix epoxy resin. The method is an experimental approach in the form of a benchmark, which contains 59 single tests, where 33 geometrically different cutting tools get tested. Afterwards the machined benchmark-specimens were measured and analysed according to the 'One-dimensional Maximum-Method'. This measuring and analysing method is thought to serve in this or in an advanced form as a basis for industrial applications. Furthermore, the analysis of the recorded data should give an understanding for the novel mechanisms of action when machining anisotropic FRP, which have an essential influence on the machining quality. Especially, the influence of the tool geometry and the cutting parameters were subject of investigation, to derive development potentials from the experimentally gained findings.