Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Kühlschmierstoffe für die Nasszerspanung faserverstärkter Kunststoffe

Die Gewichtsreduzierung bewegter Massen ist eines der primären Zukunftsziele im Automobil- und Luftfahrtbereich. Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) bieten aufgrund ihrer hervorragenden gewichtsbezogenen Steifigkeiten ein enormes Potenzial dieses Ziel zu erreichen. Jährliche Wachstumsraten zwischen 10 und 13 % sowie eine Verdopplung des FVK-Bedarfs bis zum Jahr 2022 werden erwartet. Die FVK-Branche wird von kleinen bis mittleren Unternehmen (KMU) dominiert, da FVK-Bauteile zumeist Spezialprodukte ohne etablierte Massenfertigung sind.

Bei der trotz endkonturnaher Herstellung notwendigen Zerspanung besitzt die Trockenbearbeitung gravierende Nachteile. Glas- bzw. Kohlenstofffasern führen zu hohem Werkzeugverschleiß und FVK-Stäube stellen eine Gefährdung für die Prozess- und Maschinensicherheit dar. Bei Einsatz von Kühlschmierstoffen (KSS) hingegen wird der Staub direkt gebunden und abtransportiert.

Der Schwerpunkt des Forschungsvorhabens liegt daher auf der Entwicklung eines für die FVK-Zerspanung maßgeschneiderten KSS und der Demonstration der Produktionskette.

Die Projektdaten zur Kunststoffverträglichkeit, Klebe- und Lackierbarkeit, sowie Gleitreibungszahlen in Kombination mit ausgewählten FVK-Werkstoffen stehen Fachleuten nach dem Projekt in Form einer Datenbank zur Verfügung. Darüber hinaus werden geeignete Nasswerkzeuge identifiziert, die in Wechselwirkung mit dem optimalen KSS zu höheren Werkzeugstandzeiten bei gesteigerter Bearbeitungsgeschwindigkeit und damit zu kostengünstigen hoch qualitativen FVK-Bauteilen führen.

Der projektbegleitende Ausschuss (PA) ist mit dem Verband Leichtbau, mit Werkzeug- und KSS Herstellern, Anbietern von KSS Echtzeitüberwachung und einem KSS Filtrationsanbieter besetzt und unterstreicht mit seiner Zusammensetzung die KMU-Relevanz dieses Projektes. Dem PA wird durch die Projektergebnisse eine wirtschaftliche Teilnahme am schnell wachsenden CFK-Markt ermöglicht.

Ergebniszusammenfassung:

Die im Rahmen des Forschungsvorhabens erarbeiteten Ergebnisse, haben für alle an der Wertschöpfungskette des Kühlschmierstoffes beteiligten Branchen sowie Endanwender Relevanz. So wurde zur Entkräftung des Vorbehalts der Endanwender die Quellung von FVK-Probeplatten gezielt mit 6 verschiedenen Kühlschmierstoffen (KSS) in der maximalen Einsatzkonzentration von 10 Gew. % durchgeführt. Hierbei stellte sich keine Interaktion der Kühlschmierstoffe mit dem Material ein und eine Anwendung ist ohne zu erwartende negative Effekte möglich. Auch wurde die Reinigung der Bauteile nach der Bearbeitung mittels KSS untersucht und bei Anwendung eines milden alkalischen Reinigers ist ein anschließende Lackierung oder Verklebung ohne Probleme möglich.

Den KSS-Formulierern wurden passierend auf den verschiedenen Grundtypen eine Entscheidungshilfe zwischen PAG, Ester und Mineralöl basierten KSS aufgezeigt. So wurde als finales Konzept der KSS VSI034 ausgewählt, da er hinsichtlich Werkzeugverschleiß und Bauteilqualität die besten Ergebnisse erzielt wurden. Hierbei zeichnet sich der VSI034 durch seine Mineralölbasis mit einer Biozid freien Formulierung durch ein pH-Puffer Amin aus. Auch wurde die Einsatzkonzentration sowie die Zugabe von verschiedenen Additiven hinsichtlich Ihres Einflusses analysiert. Hierbei stellte sich eine Einsatzkonzentration von 5% und eine Formulierung ohne extrem Presssure oder Antiwear Additive als bester Kühlschmierstoff für die FVK Zerspanung heraus.

Den Filteranlagenbauer wurden die verschiedenen Möglichkeiten der Partikelrückhaltung durch Einsatz verschiedener Beutelfilter und Filtervliese aufgezeigt. So ist mit einem Beutelfilter mit mittlerer Feinheitsklasse und einer hohen Schmutztragefähigkeit in Kombination mit einem 300g/m² Vlies mit einer niedrigen Luftdurchlässigkeit die höchste Rückhalterate zu realisieren.