CFK-Bearbeitung optimiert mit dem OptiMill-Composite-Speed-Plus

Verbesserte Spanntechnik für große CFK-Bauteile ermöglicht es der Luftfahrtindustrie schneller zu zerspanen. MAPAL unterstützt diese Entwicklung mit neuen Werkzeugen. Der OptiMill-Composite-Speed-Plus gewährleistet mit seiner Diamantbeschichtung und optimierter Geometrie die Prozesssicherheit.

Funktionierende und bereits auditierte Prozesse werden in der Aerospace-Industrie aufgrund des großen Aufwands nur ungern nochmals verändert. Doch der wachsende Kostendruck zwingt auch diese Branche dazu, ihre Produktion möglichst effizient zu gestalten. Flugzeughersteller haben bislang die eingesetzte Spanntechnik als Hemmnis auf dem Weg zu höherer Performance ausgemacht. Große CFK-Bauteile werden üblicherweise mittels Vakuumspanntechnik fixiert. Die begrenzten Haltekräfte der Saugnäpfe bedingen relativ niedrige Schnittgeschwindigkeiten, um ein Aufschwingen zu verhindern. Das kann zu Qualitätseinbußen und Abweichungen von Form- und Lagetoleranzen führen.

Neue Spanntechnologien versetzen die Hersteller nun in die Lage, die Schnittwerte zu erhöhen. Damit trat aber ein neues Problem auf: Unter den veränderten Prozessbedingungen zeigte sich durch die stärkere Belastung bei Fräsern, die zuvor einwandfrei gearbeitet hatten, eine erhöhte Bruchgefahr. „Auch sehr große Hersteller waren von Werkzeugbruch betroffen, nachdem sie mit den Werkzeugen bis an deren Grenzen gefahren sind“, berichtet Tim Rohmer, Produktmanager für Vollhartmetall Fräswerkzeuge bei MAPAL. Der Werkzeughersteller sah Handlungsbedarf und entwickelte als Antwort auf die Marktanforderung den OptiMill-Composite-Speed-Plus.

Größerer Kern, weniger Spanraum

Um die Biegebruchfestigkeit zu erhöhen, hat MAPAL den Kerndurchmesser seines VHM-Eckfräsers erhöht. Das geht zwar auf Kosten des Spanraums, hat aber keinerlei negativen Auswirkungen, da bei der CFK-Bearbeitung keine Späne entstehen, sondern lediglich eine Art feiner Staub. Bei Werkzeugtests mit verschieden großen Durchmessern wurden keine Unterschiede festgestellt, was die Abführung dieses Staubs und die Prozesswärme angeht. Mit dem größeren Kerndurchmesser erhöht MAPAL die Biegebruchfestigkeit spürbar.

Bei den Anforderungen an das Nutprofil zeigen sich ebenfalls Unterschiede zur Bearbeitung von Metall, wo Vorschub, Zustelltiefe und Schnittbreite die Spandicke beeinflussen. Da der Spanwinkel bei CFK aufgrund eines niedrigen Zahnvorschubs nur gering im Eingriff ist, hat MAPAL den Schneidkeil auf maximale Stabilität ausgelegt.

Zur Verringerung von Hebelkräften und damit für eine erhöhte Bruchresistenz weist der neue OptiMill-Composite-Speed-Plus zudem eine optimierte Hüllkontur auf. In der Praxis kommt man damit gut zurecht, wie Rohmer erläutert: „Typische Bauteile für die Luftfahrt bestehen aus Stacks, also Verbundplatten, bei denen üblicherweise fünf bis 15 mm zerspant werden. Da reichen kürzere Werkzeuge vollkommen aus.“ Waren die Vorgängerwerkzeuge noch länger als in der DIN6527 festgelegt, so entspricht die neue Werkzeugreihe weitestgehend der Norm. MAPAL bietet die Werkzeuge in den Durchmessern von 4 bis 20 mm an.

Durch seinen vergrößerten Kerndurchmesser weist der OptiMill-Composite-Speed-Plus eine höhere Bruchfestigkeit auf. ©MAPAL

Gleichmäßige Diamantschicht

Für hohe Standwege bei der Bearbeitung der abrasiven Kohlefasern sorgt der OptiMill-Composite-Speed-Plus zudem mit einer innovativen Diamantbeschichtung. Außergewöhnlich ist dabei die gleichmäßige Schichtdickenverteilung und die hohe Wiederholbarkeit, mit der MAPAL den Diamant im CVD-Verfahren aufbringt. Herkömmliche Beschichtungstechnologien erzeugen häufig unregelmäßige Schichten, die an der Spitze dicker sind als hinten an der Schneide. Dieser Verlauf sorgt für unterschiedliche Kantenverrundungen und damit schwankenden Schnittdruck und Verschleiß.

Die über die Schneidenlänge homogene Schichtdicke trägt zur Prozesssicherheit bei. Das ermöglicht eine gleichbleibende Performance unabhängig davon, welche Stelle der Schneide im Eingriff ist. Damit sind die Werkzeuge auch höhenunabhängig zur Umfangbearbeitung eines Stacks einsetzbar: Anwender nutzen den Fräser teilweise bis zum Verschleißende, setzt ihn dann nach und arbeitet mit einem frischen Teil der Schneide weiter. Der Eckfräser eignet sich für ein breites Anwendungsfeld. Neben der Umfangsbearbeitung werden mit ihm auch Nuten, Kanten und Taschen erzeugt.

Eine perfekte Schnittqualität ist in der Luftfahrtbranche sehr wichtig. Sobald die Fasern nicht mehr sauber getrennt werden und das Bauteil damit nicht mehr die gewünschte Qualität erreicht, werden die Werkzeuge gewechselt, auch wenn sie erst wenig verschlissen erscheinen. Seine hervorragende Schnittqualität erreicht der OptiMill-Composite-Speed-Plus durch seine speziell angeordneten „Fibrecatcher“ an den Schneiden, die eine Doppelkompression bewirken und damit die Faserüberstände an den Werkstücken extrem sauber trennen. Die Doppelkompression entsteht zusätzlich durch die Spiralisierung des Werkzeugs.

Ziehen oder Drücken: Verbesserungen um bis zu 30 Prozent

Zu den Besonderheiten der CFK-Zerspanung gehört, dass die heute verfügbaren Werkzeuge unterschiedliche Bearbeitungsqualitäten an den Werkstücken erzeugen. Der Anwender muss nach vorhandenem Werkstoffverbund entscheiden, welche Qualitätsanforderungen an das Bauteil gestellt sind und demnach die ideale Werkzeugwahl treffen. Oftmals sind es Verbindungsstellen, für die besonders saubere Kanten verlangt werden. MAPAL bietet seine Fräser in zwei verschiedenen Varianten an. Das rechtsspiralisierte Modell erzeugt eine ziehende Wirkung und dadurch axiale Zugkräfte, während die linksspiralisierte Variante schiebend wirkt und somit Druckkräfte in axialer Richtung bildet. Die Fibrecatcher arbeiten der durch die jeweilige Spiralisierung entstehenden Kräftewirkung entgegen.

Das Vorgängermodell verfügte noch über eine dritte, neutrale Variante. Mit der Weiterentwicklung entfällt diese, da die neuen Werkzeuge die Axialkräfte um bis zu 40 Prozent reduzieren. Damit übernehmen die beiden Ausführungen des Neuprodukts auch alle Aufgaben, für die bisher die neutrale Version zum Einsatz kam. In punkto Standzeit, Laufruhe, Produktivität und Schnittqualität sind die neuen Werkzeuge um bis zu 30 Prozent besser als ihre Vorgänger.

Während sich die Luftfahrt-Branche noch von der Corona-Delle erholt, wächst der Einsatz von CFK in anderen Bereichen rasch an. Neben dem Automobilbau und Rennsport rückt hier der Consumer-Bereich in den Fokus. Hersteller von Sportgeräten wie Fahrrädern, Skiern, Snowboards oder Angeln bedienen sich immer häufiger des modernen Materials.

Mit seinen scharfen Schneiden bietet sich der OptiMill-Composite-Speed-Plus darüber hinaus auch für die Zerspanung von Thermoplasten und Duroplasten an. Da diese Kunststoffe nicht abrasiv sind, wird hier auf eine Beschichtung verzichtet und mit scharfen Schneidkanten gearbeitet. Die unbeschichteten Fräswerkzeuge lösen die bisherigen Routerwerkzeuge ab, denen sie vor allem in der Schnittqualität weit überlegen sind. Auch für die Bearbeitung von Glasfaserwerkstoffen empfiehlt MAPAL die unbeschichteten Werkzeuge.

Mit beschichteten und unbeschichteten Varianten spielt der OptiMill-Composite-Speed-Plus seine Vorteile neben CFK-Werkstoffen auch bei Thermoplasten, Duroplasten sowie Glasfaserwerkstoffen aus. ©MAPAL