Bolek
Die Zerspanungstechnik ist die zentrale Anwendung für die Umformung fertiger Halbzeuge aus CFK, GFK oder NE-Metallen. Wie bei Stahl, Aluminium, Holz und Kunststoff auch, kann mit dem entsprechenden Werkzeug nahezu jede beliebige Kontur hergestellt werden. Welche Möglichkeiten der Zerspanung es gibt, erfahren Sie hier.
Die weite Welt der Zerspanungstechnik
Im Wesentlichen geht es beim Zerspanen darum, Material von einem kalten und festen Grundwerkstoff abzutragen. Das abgetragene Material wird in Form von Spänen abgeführt. Die Größe der Späne kann dabei sehr unterschiedlich sein. Produzieren Drehmaschinen beim Verarbeiten von NE-Metall meist sehr lange und große Späne, sind die von Schleifmaschinen oder Sägen häufig mikroskopisch klein. Das gilt vor allem beim Verarbeiten von CFK und GFK. Je kleiner die Späne werden, desto präziser wird die Oberfläche der Halbzeuge bearbeitet.
Zerspanungstechnik ist sehr vielseitig und es gibt viele verschiedene Werkzeuge für die Zerspanung. Für jeden Bearbeitungsschritt stehen dem Anwender die passenden Maschinen zur Auswahl. Diese Maschinen können:
- Kürzen: Bandsägen, Kappsägen, Kreissägen
- Bohren und Gewindebohren
- Abdrehen: Drehmaschinen
- Formfräsen: Oberfräsen, Mehrachs-Fräsen
- Schleifen und Polieren: Bandschleifer, Tellerschleifer, Handschleifgeräte, Poliermaschinen
Grobe Vorfertigung durch Sägen
Das Sägen, auch Ablängen genannt, ist ein Trennungsvorgang. Um ein durchgängiges Material auf eine bestimmte Länge zu begrenzen, wird der Grundwerkstoff an einer bestimmten Stelle linear abgetragen. Das unterscheidet das Sägen vom Schneiden bzw. Stanzen. Bei diesen Vorgängen wird die Scherfestigkeit des Materials überwunden und die Stücke verlustfrei abgetrennt. Das Sägen wird vor allem für die Konfektionierung der Halbzeuge für die weitere Verarbeitung eingesetzt. Diese Art der Zerspanung kommen bei stärkeren Platten und massivem Langmaterial wie Messingprofilen und Ähnlichem zum Einsatz.
Sack-, Durchgangs und Gewindelöcher mit Bohrmaschinen
Die Bohrmaschine bzw. Ständer-Bohrmaschine ist auch für Kompositwerkstoffe ein geeignetes Gerät, um Bohrungen aller Art an Halbzeugen durchzuführen. Die Zerspanungstechnik hat heute Präzisionen erreicht, mit denen selbst stabile Gewinde direkt in einen Block aus GFK oder CFK eingebohrt werden kann.
Kontur auf Länge bringen durch Drehen
In einer Drehmaschine wird ein Langmaterial eingespannt und entlang seiner Längsachse bearbeitet. Ein präzise geführter Meißel trägt an den gewünschten Stellen Material ab. Durch die schnelle Drehung um seine Längsachse wird das Langmaterial stets rotationssymmetrisch zerspant. Bei NE-Metall ist die Zerspanung ebenfalls weitestgehend problemlos möglich. CFK-Profile und Profile aus GFK neigen bei diesem Vorgang allerdings zu einer starken Staubentwicklung. Darum ist beim Zerspanen von Kompositmaterialien stets eine Absaugung notwendig. Zum einem sind die von Glas- oder Kohlefaser-Verbundwerkstoffen entstehenden Stäube gesundheitsschädlich, des Weiteren ist Kohlenstaub elektrisch leitend. Ohne eine zuverlässige Absaugung kann dies zu Kurzschlüssen in angrenzender Elektronik führen.
Beliebige Formkontur durch Fräsen
Das Fräsen von Halbzeugen ist neben dem Drehen das zweite große Feld der Zerspanungstechnik für die Endfertigung. Bei dieser Art der Zerspanung fährt eine Drehspindel mit angeschlossenem Fräswerkzeug entlang einer vor programmierten Bahn durch einen fest eingespannten Block. Die heute verfügbaren Maschinen können höchste Präzision bei nahezu beliebigen Konturen herstellen.
Auch beim Fräsen ist die Absaugung der entstehenden Stäube sehr wichtig. Beim Fräsen von NE-Metall sollte stets eine Kühlschmierung eingesetzt werden, damit während der Zerspanung keine Überhitzung im Material oder im Werkzeug stattfindet. Bei der Bearbeitung von GFK oder CFK ist dies nicht notwendig.
In mehreren Schritten zum Erfolg
Beide Verfahren, Drehen und Fräsen, arbeiten in zwei Stufen. Die erste Stufe nennt man Räumen oder Schruppen. Hierbei wird das zu verarbeitende Werkstück bis auf wenige Zehntel Millimeter an seine gewünschte Toleranzgrenze heran zerspant. In der zweiten Stufe wird das Werkstück geschlichtet. Das eingesetzte Werkzeug ist feiner und dreht sich schneller. Dafür ist der Vorschub der Werkzeuge langsamer. Auf diesem Weg wird eine erstaunliche Präzision erreicht.
Wenn Schlichten für die Zerspanung von Halbzeugen nicht genügt
Das Zerspanen hört beim Drehen und Fräsen eines Werkstücks nicht auf. Wenn nicht die gewünschte Präzision der Oberflächengüte erreicht wird, kommen die Schleifmaschinen zum Einsatz. Besonders bei Kompositwerkstoffen wie CFK oder GFK ist das Herstellen einer glatten und ebenmäßigen Oberfläche durch grobes Zerspanen kaum möglich. Erst mehrere Durchgänge mit der Schleifmaschine mit immer feiner werdenden Schleifmitteln schaffen es, auch bei Verbundwerkstoffen interessante Toleranzen zu erreichen. Zum Schleifen kommen viele verschiedene Maschinen zum Einsatz. Üblich sind Bürsten, Schleifpapiere oder Schleifsteine.
Noch mehr Oberflächengüte durch Polieren
Das Polieren ist schließlich die feinste Zerspanungstechnik. Arbeiten Schleifmaschinen noch mit trockenen und groben bis feinen Schleifmitteln, kommt beim Polieren meist eine Flüssigkeit zum Einsatz. Bei Glas- und Kohlefasern muss man jedoch sagen, dass diese Kompositmaterialien sich bei weitem nicht so gut polieren lassen, wie NE-Metall. Dennoch ist es möglich, auch Blöcken, Platten und Profilen aus Glas- oder Kohlefasern durch dieses Verfahren eine besonders feine Oberfläche zu verleihen.
Zerspanungstechniken bei Kompositmaterialien
Metall, Holz und monolithischer Kunststoff verhalten sich bei einer Zerspanung sehr gutmütig. Der Widerstand des Grundwerkstoffs ist konstant. Ebenso sind Härte und Zähigkeit über den ganzen Block entlang gleichförmig. Komposite verhalten sich bei der Zerspanung völlig anders. Sehr weiche und sehr harte Materialien wechseln sich ständig ab. Weiches Material verstopft schnell eine Klinge, hartes Material lässt sie stumpf werden. Dies lässt sich nicht einfach durch Einstellungen in der Drehgeschwindigkeit der Spindel oder mit der Wahl besonders hochwertiger, aber konventioneller Werkzeuge lösen. Denn bei der Zerspanung von GFK und CFK muss noch eine weitere Schwierigkeit bewältigt werden: die Auswirkung der angewendeten Zerspanungstechnik auf das Grundmaterial.
Großes Problem: Delaminieren
Kompositmaterialien neigen im ungünstigen Fall zum Delaminieren. Dabei löst sich das Bindegewebe von ihrer Umhüllung aus Kunstharz. Aufgrund dessen fransen nicht nur die Ränder der Fräskante unschön aus. Bei dieser Art Fehlern kann sich ein Riss längs zur Faser unbemerkt tief in das Material einarbeiten. Die Präzision ist damit nicht mehr zu erreichen und man hat eine permanente Schwachstelle im Grundwerkstoff.
Schnelle Drehung, geringer Wärmeeintrag: Gutes Ergebnis
Besonders schwierig beim Zerspanen von Verbundwerkstoffe ist, dass zwei gegensätzliche Bedingungen erfüllt werden müssen. Um präzise Konturen herstellen zu können, muss sich das Werkzeug besonders schnell drehen. Gleichzeitig muss der Wärmeeintrag in das Grundmaterial so gering wie möglich gehalten werden. Je wärmer das Kunstharz in einer Glas- oder Kohlefaserplatte wird, desto weicher wird es auch. Das fördert wieder die Delaminierung und das Ausfransen.
Eine Kühlschmierung ist auf den Kompositmaterialien nur bedingt einsetzbar. Diese in der Zerspanungstechnik für Metalle übliche Maßnahme wird zwar auch für die Verbundwerkstoffe eingesetzt, ihre Umsetzung ist aber recht teuer und umständlich.
Bei der Komposit-Zerspanung kommt es auf das Werkzeug an
Moderne Zerspanung erlaubt den Einsatz von konventionellen Bearbeitungsmaschinen. Wo aber besonders die Kompositmaterialien empfindlich reagieren, ist das Werkzeug. Bohrer, Fräsen oder Kronen müssen vor allem in der Geometrie der Schneiden genau auf die anspruchsvollen Verbundwerkstoffe abgestimmt sein. Verwendete man konventionelle Werkzeuge, wie sie auch für Metalle zum Einsatz kommen, richtet man meist mehr Schaden als Gutes an. Die Klingen sind nicht für das relativ weiche Kunstharz ausgelegt. Zum Bohren, Fräsen und Abdrehen der Halbzeuge aus Verbundwerkstoffen sollten deshalb spezielle Werkzeuge eingesetzt werden. Die Bohrer und Fräsköpfe für Kompositmaterialien zeichnen sich durch eine besondere Geometrie der Schneidwinkel aus. Sie unterscheidet sich erheblich von der Gestaltung von Werkzeugen für Metalle oder Holz. Erstaunlicherweise sind sie jedoch recht günstig und standfest. Wenn Platten aus Glas- oder Kohlefasern mit einer bestimmten Zerspanungstechnik bearbeitet werden sollen, dann versprechen die Spezialwerkzeuge die besten Ergebnisse.