Wie man diamantbeschichtete Werkzeuge für die CFK-Bearbeitung ohne Delamination auswählt

Das Problem bei der Bearbeitung von Bauteilen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) besteht darin, dass diese leicht, fest und schwer gleichmäßig zu bearbeiten sind. Die Fasern im Bauteil können die Schneidkante abreiben, und die Harz- und Laminatstruktur kann beim Austritt des Werkzeugs Fasern herausziehen. Ein Werkzeug, das zu Beginn seiner Schicht noch scharf aussieht, kann sich bereits nach kurzer Bearbeitungsdauer abnutzen und zu veränderten Bohrungsgrößen, reduzierter Kantenqualität und erhöhten Schnittkräften führen.

Die Auswahl diamantbeschichteter Werkzeuge für die Bearbeitung von CFK sollte mit den relevanten Bauteilmerkmalen und dem gewünschten Versagensverhalten beginnen. Bohren, Kantenschneiden, Nutenfräsen und Taschenformen weisen jeweils unterschiedliche optische Eigenschaften hinsichtlich Schneidkantenschärfe, Werkzeugsteifigkeit, Spanabfuhr und Nutzung der Diamantbeschichtung auf.  TSHZ Es werden CVD-diamantbeschichtete Schneidwerkzeuge sowie spezielle Geometrien für abrasive Verbundwerkstoffe entwickelt.

Warum CFK gewöhnliche Schneidwerkzeuge beschädigt

Kohlenstofffasern in CFK sind hart und abrasiv und in eine Polymermatrix eingebettet. Je nach Laminatzusammensetzung eines gewebten oder multidirektionalen Laminats verlaufen die Fasern in unterschiedliche Richtungen. Beim Einsatz einer scharfen Schneide erweicht das Harz vor der Schneide durch die Hitze, und die Schneide dringt in das Laminat ein. Eine stumpfe Schneide hingegen schiebt das Laminat weg, bevor sie einschneidet.

Typische Schäden sind beispielsweise Faserausrisse, Ausfransungen, Delaminationen, Grate sowie zu große oder konische Bohrungen. Verschleiß der Schneidkanten verändert zudem die Schnittgeometrie. In einer Fertigungszelle kann dies zu zusätzlichen Kontrollen, manuellem Entgraten und Ausschuss führen, bevor ein Werkzeugausfall offensichtlich wird.

Was eine CVD-Diamantschicht beiträgt

CVD-Diamant wird mittels chemischer Gasphasenabscheidung auf einem Hartmetall- oder Keramiksubstrat hergestellt. Er weist eine Härte von 9.000–10.000 HV, einen Reibungskoeffizienten von etwa 0,05–0,1 und eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Diese Eigenschaften tragen dazu bei, dass die Schneidkante abrasivem Verschleiß widersteht und die Wärme aus der Schnittzone abgeführt wird.

Wir müssen Beschichtungen als Werkzeug und nicht als Universallösung für Geometriefehler betrachten. Eine sehr harte Beschichtung an einer Kante mit ungünstiger Geometrie, falschem Spanwinkel, falscher Spitzenform oder sogar falschem Rundlauf kann Laminate weiterhin schwer beschädigen. CVD-Beschichtungen sind besonders nützlich bei der Bearbeitung stark abrasiver Materialien und erfordern eine sehr scharfe Schneide für den Dauereinsatz.

Werkzeug nach Funktion auswählen

Bohren von Löchern in laminierte Platten

Messen Sie beim Bohren den fertigen Durchmesser, die Stapelhöhe, den Ein- und Austrittszustand sowie alle erforderlichen Oberflächeneigenschaften. Die Verwendung eines kurzen und steifen Bohrers ist wichtig, um den Rundlauffehler zu minimieren. Ein Bohrer mit Spitze und Nut sollte verwendet werden, um Späne von der Laminatoberfläche abzutragen, ohne sie zu beschädigen. Dokumentieren Sie die Beschädigungen des Bohrlochs nach dem Bohren genauso detailliert wie den Zustand des Eintritts, da Delaminationen häufig dort beginnen, wo das Bohrloch am wenigsten gestützt wurde.

Der CVD-diamantbeschichtete Schneideinsätze Diese Seite zeigt TSHZs breiteres Angebot an superharten Werkzeugen für Nichteisenmetalle und abrasive Werkstoffe. Für einen CFK-Bohrer oder ein kundenspezifisches Mikrowerkzeug senden Sie uns bitte den Laminataufbau, den Lochdurchmesser, die Dicke und den aktuellen Defekt, damit wir die Geometrie optimal an Ihren Auftrag anpassen können.

Kanten und Öffnungen beschneiden

Zum Trimmen ist eine Schneide erforderlich, die die Fasern sauber durchtrennt, anstatt sie zu reiben. Wählen Sie den kürzesten möglichen Überstand und stützen Sie das Werkstück nahe der Schnittstelle ab. Eine abgenutzte Oberfräse erhöht tendenziell Staubentwicklung, Hitze und Kantenausbrüche. Wenn das Werkstück eine sichtbare Kante aufweist, führen Sie einen Probelauf mit dem tatsächlichen Laminat durch, anstatt sich auf eine Katalogbeschreibung zu verlassen.

Ein kundenspezifisches Profil kann hilfreich sein, wenn das Bauteil eine Stufe, einen schmalen Flansch oder eine nicht standardmäßige Kante aufweist. TSHZ bietet diese Funktion an. Kundenspezifischer CVD-Diamantwerkzeugservice ist für Zeichnungen gedacht, die mit einem Standard-Schaftfräser oder einer Oberfräse nicht bearbeitet werden können.

Steck- und Taschensysteme

Das Nutenfräsen erhöht die Belastung für den Späneabtransport und die Werkzeugstabilität. Achten Sie auf einen gleichmäßigen Werkzeugeingriff und begrenzen Sie die Werkzeuglänge nach Möglichkeit. Prüfen Sie, ob die Nutrille einbricht, da dies zu Staubansammlungen führen kann. Bei engen Wandstärken ist ein Schlichtzugabe einzuplanen und der letzte Schnitt mit einer scharfen Schneide auszuführen. Dabei darf das gelöste Material nicht mitgerissen werden.

Geometrieprüfungen, die wichtiger sind als ein Katalogname

Bei der Auswahl eines Schneidwerkzeugs für CFK sollten zunächst Durchmesser, Schneidenzahl, Steigung, Spanwinkel und Länge festgelegt werden. Mehr Schneiden sind zwar im Allgemeinen vorteilhafter, verringern aber den Platz für Späne und Staub. Dieser Faktor muss bei der Festlegung des Vorschubs sowie von Durchmesser, Schnitttiefe und der Schnittart (offen oder geschlossen) berücksichtigt werden.

Prüfen Sie den Rundlauf des Werkzeugs an der Spitze, reinigen Sie den Halter und halten Sie den Überstand so kurz wie möglich. Bei Werkstücken mit kleinem Durchmesser übertragen sich bereits wenige Mikrometer Rundlauffehler auf eine Schneide und führen dazu, dass diese den Großteil des Schnitts übernimmt. Dadurch kann sich die Hitze an dieser einen Schneide konzentrieren und selbst bei intakter Beschichtung zu übermäßigem Verschleiß führen.

Bei komplexen Kanten lässt sich die Dicke der CVD-Diamantschicht im Bereich von 1–30 μm steuern. Bei Mikrowerkzeugen ist eine gleichmäßige Beschichtung wichtig, da zu große Abweichungen den fertigen Werkzeugdurchmesser, das Nutenspiel und die Ziehtoleranz beeinträchtigen können. Es wäre hilfreich, eine Zeichnung des Werkzeugs zu sehen und zu erfahren, wie es vor der Freigabe einer Charge geprüft wird.

Prozesseinstellungen für sauberere Verbundkanten

Beginnen Sie mit den vom Maschinenhersteller vorgegebenen Grenzwerten und arbeiten Sie sich von dort aus vor. Dokumentieren Sie die Spindeldrehzahl, den Vorschub pro Zahn, die axiale und radiale Schnitttiefe, die Absaugung (Luft oder Vakuum) sowie die Anzahl der bearbeiteten Teile. Obwohl das Trockenschneiden von CFK zulässig ist, muss der Staub unbedingt aus dem Bearbeitungsbereich und aus der Maschine selbst abgesaugt werden.

Delaminationen am Austritt können durch mangelnde Unterstützung des Werkstücks, die Schneidrichtung oder den letzten Schnittabschnitt verursacht werden. Ausgefranste Fasern an der Werkstückkante können durch eine stumpfe Schneide, eine fehlerhafte Steigung oder Werkzeugreibung am Werkstück entstehen. Eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit oder des Vorschubs ohne vorherige Fehlerursachenermittlung führt lediglich zu instabileren Ergebnissen.

Messen Sie den Lochdurchmesser bzw. die Schnittbreite zu Beginn, in der Mitte und am Ende eines Versuchs. Fotografieren Sie die Ein- und Austrittspunkte des Lochs/der Schnittbreite mit einem Fotogitter, das auf dieselbe Vergrößerung wie zuvor eingestellt ist. So können Sie einen Austausch basierend auf der Teilequalität und nicht willkürlich zeitbasiert vornehmen.

Vergleichen Sie die Kosten pro fertigem Teil

Werkzeuge mit Diamantbeschichtung sind teurer als solche aus normalem Hartmetall. Der relevanteste Kostenvergleich bezieht sich auf die Kosten pro Gutteil, d. h. Werkzeugkosten, Bearbeitungszeit, Rüstzeiten, Prüfung, Entgraten, Ausschuss usw. Die wichtigsten wirtschaftlichen Vorteile ergeben sich aus der längeren Standzeit der Werkzeuge und der geringeren Anzahl an Werkzeugwechseln. Diese Vorteile sollten gegen die tatsächliche Bearbeitungszeit, Prüfung, Entgratung, den Ausschuss und die Austauschhäufigkeit abgewogen werden.

Führen Sie denselben Vergleichstest mit demselben Laminat und Programm durch. Ein Werkzeug, das zwar länger hält, aber beschädigte Kanten hinterlässt, ist langfristig nicht günstiger. Ein Werkzeug, das die gleiche Schnittbreite beibehält und weniger manuelle Nachbearbeitung erfordert, könnte sogar günstiger sein als ein scheinbar günstigeres Werkzeug mit einem deutlich höheren Stückpreis – sogar um ein Vielfaches teurer.

Wann sollte man ein kundenspezifisches CFRP-Werkzeug anfordern?

Eine kundenspezifische Geometrie ist dann sinnvoll, wenn das Bauteil einen schmalen Flansch, eine Stufenkante, einen kleinen Innenradius, eine tiefe Bohrung oder eine Toleranz aufweist, die mit Standardwerkzeugen nicht eingehalten werden kann. Bitte teilen Sie uns die Materialgüte, die Faserorientierung, die Lagenanzahl, die Dicke, die Zeichnung, die Spindeldetails und die genaue Fehlerbeschreibung mit.

TSHZ kombiniert CVD-Beschichtung mit fünfachsiger Kantenbearbeitung und unkonventioneller Werkzeugkonstruktion. Bearbeitungsservice für CFK und Verbundwerkstoffe ist ein praktischer Ausgangspunkt für die Prüfung von Zeichnungen. Für eine Beispiel- oder Anwendungsbesprechung verwenden Sie bitte TSHZ-Kontaktseite.

Häufig gestellte Fragen

Sind diamantbeschichtete Werkzeuge für alle CFK-Sorten geeignet?

Sie eignen sich für viele abrasive CFK-Bearbeitungen, jedoch bestimmen Laminat, Struktur und Maschine weiterhin die Geometrie und die Schnittdaten. Validieren Sie das Werkzeug vor der endgültigen Freigabe am Serienmaterial.

Wie kann ich die Delamination von CFK während des Bohrens reduzieren?

Verwenden Sie ein scharfes, stabiles Werkzeug, achten Sie auf geringen Rundlauf, stützen Sie die Austrittsseite ab und kontrollieren Sie den letzten Teil des Schnitts. Messen Sie während des Versuchs sowohl die Eintritts- als auch die Austrittsqualität.

Sollte ein CVD-Diamantwerkzeug nachgeschliffen werden?

Nachschleifen wird generell nicht empfohlen, da dadurch die funktionelle Diamantschicht entfernt und die Schneidkante verändert werden kann. Das Werkzeug sollte je nach Verschleiß, Maßabweichung und Schneidkantenqualität ausgetauscht werden.