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  • Firma: Walter Deutschland GmbH
  • Land: Deutschland
  • Autor(en): Dr. Mona Clerico
  • Artikel vom: 03 September 2014
  • Seitenaufrufe: 2960
  • Artikel Nummer: 049-038-d
  • Kategorie(n): Zerspanen, WERKZEUG ANWENDUNGEN
  • Freie Geometriewahl durch PKD-Vein

    Im Flugzeugbau spielen Kohlenstofffaser verstärkter Kunststoff (CFK) und Werkstoffverbunde aus CFK mit metallischen Komponenten eine immer wichtigere Rolle. Zu ihrer Bearbeitung kommen bevorzugt Werkzeuge aus Polykristallinem Diamant (PKD) und beschichtetem Vollhartmetall zum Einsatz. PKD-Werkzeuge der Walter AG sind mit der PKD-Vein-Technologie gefertigt, die zahlreiche Vorteile bei Schneidengeometrie und Prozesssicherheit bietet.

    In der Luftfahrtindustrie werden verschiedene Materialien eingesetzt, die unterschiedlichen Anforderungen entsprechen müssen. Um das Gewicht von Flugzeugen zu reduzieren, ist CFK auf dem Vormarsch. Neben seinem geringen Gewicht zeichnen den Werkstoff eine hohe Steifigkeit und Festigkeit in Faserrichtung aus. Wenn die Zuglast allerdings nicht in Faserrichtung stattfindet, ist die Zugfestigkeit erheblich reduziert. Dies ist mit ein Grund, weshalb in der Struktur von Flugzeugen mit hohem CFK-Anteil häufig Stacks aus CFK-Metall-Verbunden vorhanden sind. Hierfür kommt vor allem Titan in Frage. Der Hauptvorteil des Titans liegt in seiner richtungsunabhängigen hohen Zugfestigkeit, wodurch die Konstruktion verstärkt wird. Bei dieser Mischbauweise besteht die Flugzeugstruktur zu etwa 20 Prozent aus Titan, das sich in Türrahmen, einigen Spanten und Verbindungselementen findet. Vertreter dieser Bauweise sind der Airbus A350 und A400M sowie die Boeing 787 Dreamliner.

    Schichtaufbauten, sogenannte Stacks, aus CFK und Titan sind typisch für Hightech-Branchen wie die Luft- und Raumfahrt. Titan wird gerne mit CFK kombiniert, weil die Wärmeausdehnungskoeffizienten beider Werkstoffe ähnlich sind. Unterschiede bei Temperaturänderungen im Außenbereich des Flugzeugs können deshalb besser abgefangen werden als etwa bei Aluminium, das wegen seiner geringen elektrochemischen Verträglichkeit nur durch eine Isolierschicht mit CFK in Verbindung gebracht werden kann.

    Herausforderung

    Nietlöcher bei CFK-Stacks

    Die primäre Fügetechnik im Flugzeugbau ist das Nieten. Bevor der Niet gesetzt werden kann, müssen zwei oder mehrere Werkstoffe mit Hilfe eines Stufen-/Senkbohrers bzw. Bohrsenkers einmal komplett durchbohrt werden. Da die Bohrungen Teil der Verbindungselemente sind, haben sie Einfluss auf strukturelle Ermüdungserscheinungen. Die Herstellung geometrisch runder Bohrungen und einwandfreier Senkungen ist deshalb auch in puncto Sicherheit und Langlebigkeit entscheidend. CFK wirkt stark abrasiv, das heißt die Schneidkanten verschleißen bei der Bearbeitung dieses Werkstoffs sehr schnell. Maximale Leistungsfähigkeit und Reproduzierbarkeit bei der Durchbohrung abrasiver Materialien und Stacks bietet Polykristalliner Diamant (PKD). Dabei handelt es sich um eine Verbindung aus Diamantpartikeln und metallischem Bindemittel. PKD-Schneiden bieten mit die höchste Standzeit und sind meist die wirtschaftlichere Lösung.

    Spezielles Herstellungsverfahren für PKD-Vein-Bohrer

    Die sogenannte PKD-Vein-Technologie wird von Walter seit vier Jahren angeboten. Vein, englisch für Vene, bezeichnet speziell ausgelegte Schlitze im Hartmetall-Kopf, in die der polykristalline Diamant implementiert wird. Dazu wird PKD-Pulver in den Hartmetall-Kopf eingefüllt und in einer Presse unter einem Druck von 60.000 bar und einer Temperatur von 1.500 Grad Celsius gesintert. Dabei bildet sich der feste Polykristalline Diamant. Dieser Hartmetall-Kopf mit der PKD-Schneide wird auf den Werkzeugschaft aufgelötet. Im Anschluss werden der Schaft- und Grunddurchmesser, der Spanraum, Bohrerrücken sowie die Stirngeometrie des Werkzeuges geschliffen und erodiert, wodurch das Werkzeug seine endgültige Geometrie erhält. Dieser CNC-gesteuerte Prozess bietet höchste Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit, mit der auch das 100-Prozent-Reconditioning garantiert werden kann. Bohrer mit Hartmetallkörper und PKD-Schneide werden heute als die beste Option für CNC-Prozesse in der Luftfahrtindustrie angesehen.

    „Mit PKD Vein können wir Geometrien für Faserverbundwerkstoffe, Kunststoffe und NE-Metalle für verschiedene Bearbeitungsumgebungen realisieren, die bei herkömmlichen PKD-Bohrern nicht möglich wären“, erläutert Stefan Benkóczy, Innovation Manager bei Walter. „Ein weiterer Vorteil: Lotversagen, das bei direkt gelöteten PKD-Schneiden mitunter auftreten kann, gibt es bei PKD Vein nicht.“ Das Verfahren ist zudem eine Option, um die Kosten pro Bohrung zu reduzieren. „Die Standzeiten lassen sich damit bis zum 40-fachen im Vergleich zu Standard-Hartmetall-Werkzeugen erhöhen; anschließend können die PKD-Vein-Bohrer bis zu fünf Mal nachgeschliffen werden, wobei zu 100 Prozent die gleiche Qualität wiederhergestellt wird“, berichtet Benkóczy. Vollhartmetall-Werkzeuge mit Diamantbeschichtung haben zwar auch eine hohe Standzeit, sind jedoch Ein-Weg-Werkzeuge. Unbeschichtete Vollhartmetallwerkzeuge können nachgeschliffen werden, aber ihre Standzeit ist kurz. Die größere Schnittgeschwindigkeit bei PKD Vein im Vergleich zu Vollhartmetall-Werkzeugen trägt zusätzlich zur höheren Wirtschaftlichkeit bei.

    Walter bietet PKD-Vein-Werkzeuge als Bohrer und Nietsenker sowohl in Standard- und in Semi-Standardausführung als auch als Sonderlösung. PKD-Vein-Bohrer ohne Innenkühlung sind in Durchmessern von 2,5 bis 12,8 Millimetern verfügbar, mit Innenkühlung ab 4,7 Millimetern. PKD-Vein-Stufen-/Senkbohrer werden ohne Innenkühlung in Durchmessern von 4 bis 10 Millimetern angeboten, mit Innenkühlung ab 4,7 Millimetern.

    Faserausrichtung und Matrix bestimmen Vorschübe

    Bei CFK ist zwischen unidirektionaler und multidirektionaler Legeform der Fasern zu unterscheiden. Weil sich die einzelnen Fasern nicht gegenseitig stützen können, neigen unidirektional aufgebaute Faserstrukturen stärker zur Delamination als multidirektionale Gewebe. Während bei multidirektionalem CFK je nach Matrix Vorschübe von 0,08 bis 0,35 Millimetern realisierbar sind, können bei unidirektionalem CFK nur maximal 0,2 Millimeter Vorschub erreicht werden. Die Matrix besteht meistens aus Epoxidharz oder einem Thermoplast, und die interlaminare Scherfestigkeit gibt an, wie gut die Fasern in der Matrix gebunden sind bzw. wie leicht sie sich herauslösen lassen. Die Schnittgeschwindigkeit bewegt sich bei beiden Strukturen je nach Bohrer zwischen 80 und 300 m/min. „Kurze Bearbeitungszeiten unter Einhaltung aller Qualitätsmerkmale und ein konstant hoher Standweg bei der Bearbeitung von CFK sind das Ergebnis langjähriger Entwicklung“, sagt Benkóczy. „Die Schneidkante, die wir durch PKD Vein erreichen, hält auch abrasivsten Werkstoffen gut stand und zeichnet sich durch einen sehr gleichmäßigen und langsamen Verschleiß aus. Die Schneidkantenverrundung ist bei diesen Werkzeugen über die Zeit wesentlich geringer als bei Vollhartmetall, das Werkzeug bleibt länger scharf.“ Entscheidend für die erfolgreiche Bohrung ist die Auswahl des für den Einzelfall passenden Werkzeugs. Aus diversen Projekten bei renommierten Herstellern verfüge Walter über umfassende Erfahrungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie und ist in der Lage, das ganze Spektrum möglicher Bearbeitungsaufgaben der in dieser Branche gängigen Werkstoffkombinationen abzudecken.

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