Mapal: Optimierte Fräswerkzeuge Kohlefaserverbund (CFK) zuverlässig bearbeiten

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MAPAL Schweiz AG

MAPAL Fabrik für Präzisionswerkzeuge Dr. Kress KG

Angehrn AG - Umformtechnik

Walter Meier (Fertigungslösungen) AG

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Um Bauteile zu bearbeiten, die aus mit Kohlefasern verstärkten Kunstharzen (CFK) bestehen, unterstützt der Werkzeughersteller Mapal Fertigungsbetriebe als Entwicklungspartner mit hoher Prozesskompetenz und umfangreichem Werkzeugprogramm bei der Erarbeitung und Umsetzung schlüsselfertiger Prozesse.

Bauteile aus Carbonfaser-verstärkten Kunststoffen (CFK) sind im Vergleich mit konventionellen metallischen Ausführungen bei gleicher Belastbarkeit erheblich leichter. Das bietet grosse Vorteile nicht nur in der Luft- und Raumfahrt. Auch in vielen weiteren Einsatzbereichen kommt es auf niedriges Gewicht, hohe Festigkeit und geringe Massenkräfte an. Bei Rennfahrzeugen, Highend-Fahrrädern oder Sportgeräten, im Maschinenbau sowie für Handlinggeräte oder Roboter wird zunehmend CFK verwendet.

Prototypen kostenträchtig

«Wir sind ein spezialisierter Industriedienstleister mit einer breiten Palette an technischen Produkten sowie Services und Lösungen. Der Bereich Composite umfasst verschiedenste Halbzeuge bis hin zu komplexen dreidimensionalen Bauteilgeometrien aus GFK und CFK», erläutert Wulf Wagner, Produktmanager der Geschäftseinheit Composite-Technologie der Eriks Deutschland GmbH. Gerade bei diesen Produkten erwarten die Kunden Unterstützung bei der gemeinsamen Entwicklung innovativer Lösungen für neue Produkte. Dank seiner schlagkräftigen Engineeringabteilung konstruiert, berechnet und fertigt das Unternehmen für seine Kunden auch komplette CFK-Komponenten als Prototypen oder in Serie. CFK-Formteile entstehen hierbei aus Prepregs. Dieses Faserhalbzeug ist bereits mit einem geeigneten, aber noch nicht ausgehärteten Harz getränkt. Bei der Serienfertigung presst das Compression-Molding-Verfahren übereinandergelegte Prepregs in Formhälften mit entsprechend gestalteten Geometrien zusammen. Das heisse Werkzeug härtet das Harz aus, es entsteht ein Bauteil mit der Kontur des gewünschten Teils. Für die metallischen Formhälften müssen allerdings fünfstellige Beträge investiert werden. Diese Kostenhürde erweist sich für viele potenzielle Anwender, die möglicherweise nur ein oder ein paar Bauteile benötigen, als Handicap.

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Wirtschaftlicher mit standardisierten Platten

Um speziell in der Startphase einer Entwicklung eine kostengünstige Alternative zu bieten, wurde das Standard-Plattenmaterial Epratex_CFS 100 entwickelt, wie Wulf Wagner erläutert. Dafür werden die gleichen Prepregs verwendet. Die einheitlich 100 mm dicken Platten sind in Abmessungen von bis zu 350 × 500 mm verfügbar. Aufgrund der wahllosen Orientierung der Fasern sind die Eigenschaften weitgehend isotrop. Der validierte Herstellprozess gewährleiste die sichere Einhaltung der im Datenblatt angegebenen Eigenschaften für die konstruktive Auslegung, so Wagner. Variationen bezüglich Abmessungen, Dicke und Matrixsystem seien auf Anfrage möglich. Durch Zerspanung auf geeigneten Bearbeitungszentren lasse sich jede gewünschte Stückzahl vom Einzelbauteil bis zur Kleinserie herstellen. «Während sich am Markt zahlreiche Anbieter von CFK-Laminatplatten mit geringer Wanddicke tummeln, sind 100 mm dicke Platten etwas Besonderes», sagt dazu Sven Frank, Global Head of OEM Management bei Mapal.

Bearbeitung erfordert spezielle Prozesse

Da die Bearbeitung von CFK allerdings nicht ganz einfach ist, suchte Eriks nach einem schlüsselfertig validierten und optimierten Bearbeitungsprozess. Und es kam zum Kontakt mit Mapal. Neben einem umfangreichen Werkzeugprogramm für die Bearbeitung von CFK-Werkstoffen verfügt der Präzisionswerkzeughersteller über hohe Kompetenz in der Prozessauslegung und -umsetzung. «Darüber hinaus steht unser technisch wie personell hervorragend ausgestattetes Forschungs- und Entwicklungszentrum für Testbearbeitungen zur Verfügung», erläutert Sven Frank und betont: «All diese Ressourcen bringen wir gerne in gemeinsam mit Kunden durchgeführte Entwicklungsprojekte ein.» Dabei stelle man sich jeder Herausforderung. Bei dem von Eriks gewählten Testbauteil handelt es sich um einen Winkel in Standardgeometrie aus dem Euro-Greifer-Tooling(EGT)-System, das in Aluminiumausführung in der deutschen Automobilindustrie in grossen Stückzahlen verwendet wird. Der RCG-​Omega-Winkel ist um 30 Prozent leichter und ermöglicht signifikante Vorteile bei der Konstruktion von Euro-Greifer-Tooling(EGT)-Systemen. «Der Kohlenstoff in den Carbonfasern des CFK weist teils diamantähnliche Strukturen auf. Unbeschichtete Vollhartmetallwerkzeuge halten diesem extrem abrasiven Material nicht lange stand», erklärt Dr.-Ing. Oliver Pecat, Teamleiter Entwicklung Aerospace beim Werkzeughersteller: «Innerhalb eines Meters Fräsweg im Vollschnitt schnellt der Schneidkantenradius eines frisch geschliffenen Vollhartmetallfräsers von 2 µm auf 15 bis 20 µm hoch, während sich die Zerspankräfte verdreifachen.» Kostenintensivere Werkzeuge mit PKD-Einsätzen (polykristalliner Diamant) hielten besser, liessen dem Werkzeugkonstrukteur aber wesentlich geringere Freiheitsgrade bei der Geometrie. Für die CFK-Bearbeitung setzt Mapal daher bevorzugt auf diamantbeschichtete Vollhartmetallwerkzeuge. Die hier eingesetzte, hochharte und abrasionsbeständige CVD-Beschichtung stellt der Hersteller seit Anfang des Jahres 2021 im eigenen Haus her. «Insgesamt haben wir die Bearbeitung des Winkels von Eriks mit zehn Werkzeugen ausgelegt», so Oliver Pecat. «Neben dem Eco-Feed-Planfräser mit PKD-Fräseinsätzen kommen verschiedene Ausführungen des Optimill-Composite-Speed in Schrupp-Schlicht-Ausführung sowie des Mega-Drill-Composite-UDX zum Einsatz, allesamt in der Bearbeitung von Verbundmaterialien bewährte und prozesssichere Werk­zeuge.»

Bearbeitungsprozess optimiert

Im Rahmen des Projekts konnte die R&D-Abteilung ihre umfassenden Möglichkeiten zur Konzipierung und Validierung eines optimalen Bearbeitungsprozesses voll ausspielen. Die CAD-Geometriedaten wurden mithilfe von zwei der vier im Hause vorhandenen CAD/CAM-Programmen – Siemens NX und Solidcam – übernommen. In umfassenden Einsatzsimulationen führten die Entwickler alle Bearbeitungsabläufe durch. Berücksichtigt wurden auch Maschineneigenschaften und Spannsituationen. Die Entwicklung der Prozessschritte erfolgte iterativ – Idee, Simulation, Versuch und Auswertung. SMM

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