Ist doch nur Kunststoff oder doch nicht?

Faserverbundwerkstoffe werden auf Grund ihrer positiven Materialeigenschaften seit einigen Jahren immer häufiger in verschiedensten Anwendungsbereichen eingesetzt. Aber wie steht es dabei um den Einsatz eines Verbundwerkstoffs mit Faser und Matrix aus ein und demselben Material. Was sich im ersten Moment eher sonderbar anhört, macht auf den zweiten Blick durchaus Sinn.

Ein Beispiel für einen dieser Verbundwerkstoffe ist das Material Curv der Firma Propex Global. Dort ist sowohl Faser aus auch Matrix aus Polypropylen (PP). Fasern und Matrix unterscheiden sich dabei aber in ihrem Kristallisationsgrad, also darin wie geordnet die einzelnen Molekülketten des Kunststoffs zueinander ausgerichtet sind. Durch eine gezielte Verstreckung der Fasern kommt es zu einer starken Orientierung der Molekülketten. Dies hat zur Folge, dass die Bindungskräfte zwischen den einzelnen Ketten maximiert werden und so das Fasermaterial deutliche höhere mechanische Eigenschaften gegenüber dem Ausgangswerkstoff besitzt.

Was zeichnet diese Werkstoffe nun aus und wo werden sie eingesetzt? Mit 0,94g/cm³ liegt ihre Materialdichte unter der von Wasser. Dabei sind sie extrem robust. Spezifisch ist auch die hohe Verformbarkeit, welche spezielle Anwendungsbereiche ermöglicht. So wird der Verbundwerkstoff beispielsweise für Verkleidungsteile am Automobil, im Sportartikelbereich bei Schlittschuhen oder für Reisekoffer eingesetzt.

Die spezifischen Eigenschaften stellen jedoch hohe Anforderungen an die Zerspanung.So ist die Herausforderung beim Trennen neben der extrem zähen Faser auch die geringe Schmelztemperatur des Werkstoffes. Im Gegensatz zu anderen Faserverbundwerkstoffen sind bei eigenverstärkten Kunststoffen sowohl die Matrix wie auch die Fasern nur gering thermisch belastbar.

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Abbildung 3: Mischform zwischen Gradbildung und Ausfransung bei der Fräsbearbeitung

 

Die bei der Bearbeitung auftretenden Materialfehler sind dabei mit anderen Faserverbundwerkstoffen jedoch auch mit thermoplastischen Kunststoffen vergleichbar. Durch das erweichen von Matrix und Fasern kann jedoch nur bedingt bestimmt werden, ob es sich um eine Ausfransung, also überstehende Fasern, oder um eine Gradbildung der Matrix handelt. Eine solche Mischform ist eine Problemstellung die nur bei diesen Werkstoffsystemen auftritt. Zusätzlich kann es wie bei CFK zu Delamination kommen. Es bedarf somit spezieller Werkzeuge um diese Qualitätsfehler zu verhindern.

Dieser Herausforderung hat sich C6 Composite Tooling GmbH und das Fraunhofer IPA angekommen. Die C6 Composite Tooling GmbH bietet Schaftfräser und Bohrwerkzeuge, besonders zur Bearbeitung von GFK, CFK, Graphit, HPL und anderen faserverstärkten Kunststoffen auf CNC-Fräsmaschinen. Dabei stehen insbesondere Speziallösungen im Focus. Das Fraunhofer IPA befasst sich als angewandte Forschungseinrichtung mit der Bearbeitung von Leichtbauwerkstoffen und der Umsetzung neuer Technologien um diese wirtschaftlicher und effizienter zu gestalten. Neben der Werkzeugentwicklung stehen dabei auch die Absaugungstechnik, tribologische Schichtsysteme sowie Kühl- und Schmierstoffkonzepte im Vordergrund.

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Abbildung 1: Neue Werkzeuggeneration für die Zerspanung von eigenverstärkten Kunststoffen

 

Die im Rahmen der Zusammenarbeit entwickelten Fräswerkzeuge zur Bearbeitung von CURV erlauben eine grad- bzw. ausfransungsfreie Bearbeitung des Materials. Im Gegensatz zu anderen Faserbundwerkstoffen mit Verstärkungen aus Kohlenstoff- oder Glasfasern sind bei diesem Werkstoff die Standzeiten von Hartmetallschneidstoffe völlig ausreichend. Der geringe Werkzeugverschleiß sowie die sehr geringen Zerspankräfte ermöglichten es bei der Auslegung der Werkzeuggeometrie alle Gestaltungfreiheiten zu nutzen.

Große Zielsetzung bei der Auslegung der Werkzeuge war der Verzicht auf Kühlschmierstoffe. Neben den grundsätzlichen Nachteilen wie Verunreinigung und Kosten war vor allem der geringe Einfluss des Schmierstoffs auf die Bearbeitungsqualität entscheidet. Es stellt weniger die thermische Belastung des Material eine Problem dar, mehr ist es das oft unzureichende Trennverhalten der Werkzeugschneide.

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Abbildung 2: Ergebnisse mit der angepassten Werkzeuge-Geometrie

 

Die neue Werkzeuggeneration ermöglicht eine hohe Schnittqualität bei völligem Verzicht auf Kühlschmierstoffe und bietet so eine auch wirtschaftliche interessante Alternative zum heute häufig eingesetzten Wasserstrahlschneiden. Im nächsten Schritt der Entwicklung gilt es die gewonnen Erfahrung auf Sandwich-Strukturen mit Decklagen aus diesen vergleichsweise neuen Werkstoffen zu übertragen um auch hier dem Kunden passenden Lösungen bieten zu können.

„Die rasante Weiterentwicklung im Bereich der Werkstoffe führt zu immer neuen Herausforderungen für die Hersteller von Zerspanungswerkzeugen. Unsere Kunden müssen wirtschaftlich produzieren, dazu benötigen Sie auch wirtschaftliche Werkzeuglösungen. Wir sehen dies als Chance uns durch angepasste Lösungen für unsere Kunden von unseren Marktbegleitern abzuheben.“

Sebastian Herkert, Geschäftsführer von C6 Composite Tooling.