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Prüftechnik

Fehler der spanenden Bearbeitung von CFK-Bauteilen vermeiden

Ein Forschungsvorhaben untersucht die Prozessdynamik bei der spanenden Bearbeitung von CFK-Bauteilen. Das Ziel: Nebeneffekte wie Schwingungen verhindern.

CFK-Bauteile (kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe) sind auf Grund der weitgehend offenen und großflächigen Bauteilgestaltung meist labil und neigen trotz der hohen Steifigkeit zu Schwingungen bei der spanenden Bearbeitung. Dadurch werden sowohl die Standzeit der eingesetzten Werkzeuge als auch die Bearbeitungsqualität beeinträchtigt. Um derartige Effekte bei der spanenden Bearbeitung zu vermeiden, werden typischerweise Spannschablonen eingesetzt, die ein Negativabbild des CFK-Bauteils darstellen. Damit liegt das Bauteil vollflächig auf und kann per Vakuum schwingungsarm aufgespannt werden. Nachteilig wirkt sich aus, dass die Spannschablone jeweils nur für eine Bauteilgeometrie genutzt werden kann. Bereits kleinste konstruktive Änderungen des Bauteilrohlings kann eine Neukonstruktion erforderlich machen.

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Das Spannsystem setzt sich je nach Geometrie aus mehreren Einheiten frei konfigurierbarer Vakuumspanner in Kombination mit arretierbaren Abstützstiften zusammen.

Modulares Spannsystem für CFK-Bauteile soll Fehler vermeiden

Im Rahmen des vom BMBF geförderten Forschungsvorhabens CFK Complete wurde daher ein modulares Spannsystem aufgebaut, das für die Endbearbeitung unterschiedlicher CFK-Bauteilgeometrien eingesetzt werden kann. Dieses Spannsystem setzt sich je nach Geometrie aus mehreren Einheiten frei konfigurierbarer Vakuumspanner in Kombination mit arretierbaren Abstützstiften zusammen und lässt sich den verschiedensten Bauteilkonturen optimal anpassen.

Um die Eignung des modularen Spannsystems für die spanende Bearbeitung von CFK-Bauteilen zu untersuchen, wurde das dynamische Verhalten der mit dem modularen Spannsystem aufgespannten Werkstücke während der Bearbeitung der Bauteilkontur mithilfe des Beschleunigungs-Datenloggers MSR165 aufgezeichnet. Mit dem vom Schweizer Messtechnikunternehmen MSR Electronics GmbH entwickelten Mini-Datenlogger sind Schockmessungen bis ±200 g möglich. Hierzu wurde der Datenlogger bauteilmittig platziert und mit Schrauben mechanisch fixiert. Als Referenz wurden Zerspanversuche durchgeführt, bei denen die Werkstücke mit einer konventionellen Spannschablone aufgespannt wurden.

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Mit dem von MSR Electronics entwickelten Mini-Datenlogger sind Schockmessungen bis ±200 g möglich.

Wie sehr eignet sich das System als Alternative für die spanende Bearbeitung?

Die Untersuchungen ergaben, dass die Werkstücke beim Spannen mit dem modularen Spannsystem während der Bearbeitung der Kontur ein deutlich stärkeres dynamisches Verhalten aufwiesen als dies beim Spannen mit der konventionellen Spannschablone der Fall war. Die Ergebnisse lassen sich damit erklären, dass das modulare Spannsystem im Vergleich zur Spannschablone eine geringere Auflagefläche bietet, sodass das Bauteil bei der Bearbeitung aufgrund der dynamischen Einflüsse der Zerspankräfte stärker aufschwingt. Dies führt in der Folge zu niedrigeren Werkzeugstandzeiten und schlechteren Bearbeitungsqualitäten. Vor diesem Hintergrund erweist sich das modulare Spannsystem insbesondere bei Kleinserien und im Prototypenbau als wirtschaftliche Alternative, während bei großen Stückzahlen und in der Serienfertigung eine konventionelle Spannschablone zu bevorzugen ist.

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Spanende Bearbeitung der CFK-Bauteile einmal mit einer Spannschablone (links) und einmal mit dem modularen Spannsystem (rechts).