Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines zweistufigen Bohrwerkzeugs für die beidseitige Bearbeitung hybrider

FVK-Metall-Verbundwerkstoffe durch einen binäraktorischen Aussteuermechanismus -"HyDrill"

In vielen Industriebereichen ist seit einiger Zeit ein Trend zum Leichtbau mit faserverstärkten Kunststoffen (FVK) zu erkennen. Aufgrund ihres hohen Leichtbaupotenzials stellen sie in Integration mit kostengünstigen metallischen Werkstoffen (hybride Bauteile) eine wirtschaftliche Anwendung für den Fahrzeug- und Flugzeugbau dar. Die spanende Bearbeitung hybrider FVK-Metall-Verbunde birgt enorme technische Herausforderungen für die Werkzeugtechnologie. Besonders die Fertigung qualitativ einwandfreier Durchgangsbohrungen ist dabei von großem industriellem Interesse, da hier grundlegende Fertigungsschritte für spätere Fügeprozesse durchgeführt werden. Die konzeptionellen Grenzen monolithischer Werkzeuge liegen bislang in einer fehlenden Anpassungsfähigkeit auf wechselnde Werkstoffeigenschaften in heterogenen Materialverbunden, die nach individuellen Schneidenkonfigurationen verlangen. Ziel des Forschungsprojekts ist, bei der Fertigung von Durchgangsbohrungen in hybriden FVK-Metall-Verbunden eine erhebliche qualitative Verbesserung hinsichtlich Werkzeugstandzeit und Bohrungsqualität durch die Entwicklung eines angepassten mehrstufigen Werkzeugs zu erreichen. Durch den Einsatz werkstoffangepasster Schneidstoffe und Schnittparameter wird die Fertigung delaminationsfreier Durchgangsbohrungen bei größtmöglicher Werkzeugstandzeit ermöglicht. Dafür wird ein mehrteiliges Werkzeug entwickelt, welches eine werkstückunabhängige Schneidenkonfiguration sowie eine zweiseitige Bohrbearbeitung erlaubt. Die stark mittelständisch geprägte deutsche Werkzeugindustrie sowie hochspezialisierte Auftragsfertiger erhalten durch die angestrebten Forschungsergebnisse somit Zugang zu neuen Supply Chains großer Automobilhersteller und Unternehmen der Luft- und Raumfahrttechnik, für die das entwickelte Werkzeugkonzept einen vielversprechenden Ansatz zur Integration hybrider Bauteile in industrielle Prozessketten darstellt.

Ergebniszusammenfassung:

Ein Werkzeugkonzept wurde entwickelt, gebaut und getestet, mit dem eine qualitätsgerechte Bohrbearbeitung von Hybridwerkstoffen aus CFK und Metall in einem Arbeitsgang ohne anschließende Nacharbeit ermöglicht wird. Dies wird gewährleistet durch mehrere, voneinander unabhängige Schneidensätze, die den jeweiligen Werkstoffkomponenten angepasst sind. Durch den Einsatz eines im Prozess beweglichen Schneidensatzes arbeitet das Werkzeug in zwei Wirkrichtungen während eines Bohrhubs. Dadurch ist eine anschließende Nacharbeit der Bauteile nicht erforderlich.

Zwei unterschiedliche Wirkprinzipien wurden verwendet, den beweglichen Schneidensatz im Bohrprozess zuzustellen und wieder zurückzuziehen. Ein Werkzeug arbeitet elektromechanisch mit einem im Grundkörper verschraubten Schrittmotor, während das zweite Werkzeug den Schneidensatz pneumatisch/hydraulisch mit einem Stellkeil bewegt.

Es gibt keine optimalen Werkzeuge und Prozessparameter für eine gleichzeitige Zerspanung beider Werkstoffe des Hybridwerkstoffs. Bei der Wahl geeigneter Schnittparameter können die Schäden im CFK-Werkstoff jedoch in einem Bereich von 1 mm um die Bohrungskante gehalten werden. Die bewegliche Schneide, welche die Finishbearbeitung des CFK durchführt, entfernt diesen beschädigten Bereich. Somit kann man mit einem zweistufigen Bohrwerkzeug hybride FVK-Metall-Verbundwerkstoffe in einem Arbeitsgang bohren.

Da jede Schneide des zweistufigen Bohrwerkzeuges individuell dem zu zerspanenden Material angepasst werden kann, ist eine Auslegung des Bohrers für verschiedenste Verbundschichtsysteme möglich.