Piezo-Schwingtisch für die schwingungsüberlagerte Bearbeitung von CFK

Zielbranchen

Werkzeugmaschinenbau, Metallerzeugung und -bearbeitung

Problemstellung

Mit dem zunehmenden Einsatz von Hochleistungsverbundkunststoffen steigen auch die Anforderungen für deren Bearbeitung. Immer komplexere Bauteile sollen mit höchster Qualität gefertigt werden. Die Materialeigenschaften, die gerade während des Betriebes von Vorteil sind und den Verwendungszweck ausmachen, sind für die spanende Bearbeitung von Carbon Fiber Reinforced Plastics bzw. CFRP problematisch. Carbonfaserwerkstoffe sind heterogene Verbunde aus verflochtenen Carbonfasern mit einer Kunststoffmatrix. Aufgrund ihrer Anisotropie und Inhomogenität kommt es beim Bohren dieser Werkstoffe zu Schäden, wie Faserbruch, Rissbildung in der Matrix, Faser/Matrix-Grenzflächenenthaftung, bis hin zum Abplatzen oder Abreißen von Carbonfasern. Delamination ist einer der Hauptgründe für Schädigungen während des Bohrens und reduziert nicht nur den Strukturzusammenhalt, sondern verursacht auch einen längerfristigen Leistungsabfall. Das macht es schwer effizient Bohrungen mit guter Qualität durch konventionelle Verfahren zu produzieren. Ein axial schwingungsüberlagerter Zerspanprozess verspricht nicht nur bessere Werkstückqualitäten, sondern auch längere Werkzeugstandzeiten.

Lösung

Für die Erforschung der schwingungsüberlagerten Bearbeitung von CFK wurde ein axial wirkender Schwingtisch mit Piezoaktoren entwickelt. Das System wurde nach Festlegung der Prozessparameter durch die Finite Element Methode simulationsgestützt konzeptioniert. Anschließend wurde das Vorzugskonzept nach einer Dimensionierung auf Basis von virtuellen Versuchsreihen konstruiert und gefertigt. Vor Übergabe wurden verschiedene Funktionstests des piezoelektrischen Schwingtisches sowie erste Testbearbeitungen unter realen Bedingungen durchgeführt.