Delaminierung beim Fräsen von Verbundwerkstoffen: Ursachen und systematische Lösungen

Im Zuge der Entwicklung hin zu leichteren Konstruktionen in der Luft- und Raumfahrt, bei Fahrzeugen mit alternativen Antrieben und bei hochwertiger Sportausrüstung finden Verbundwerkstoffe immer breitere Anwendung.

Mit Kohlefaser und Glasfaser verstärkte Verbundwerkstoffe haben sich zu Kernmaterialien für die Gewichtsreduzierung bei High-End-Geräten entwickelt.

Sie zeichnen sich durch eine hervorragende spezifische Festigkeit, einen hervorragenden spezifischen Elastizitätsmodul und eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aus.

Dennoch stellen Delaminierung, Faserausbruch und Harzrisse nach wie vor eine Herausforderung beim CNC-Fräsen dar.

Selbst bei scheinbar vernünftigen Parametern treten häufig Schichtablösungen, Kantenunschärfen und Auslaufspaltungen auf.

Diese Mängel beeinträchtigen nicht nur das Aussehen der Teile.

Außerdem beeinträchtigen sie unmittelbar die mechanischen Festigkeitseigenschaften und verkürzen die Lebensdauer des Produkts.

Eine Delaminierung bei der Fräsbearbeitung von Verbundwerkstoffen ist niemals auf einen einzigen Faktor zurückzuführen.

Dies ergibt sich aus dem Zusammenspiel von Werkstoffeigenschaften, Werkzeugzustand, Parametern und Spannvorrichtung.

Daher ist eine systematische Optimierung des gesamten Prozesses erforderlich, um das Problem dauerhaft zu lösen.

1. Grundursachen für Delaminationen beim Fräsen von Verbundwerkstoffen

1.1 Inhärente strukturelle Eigenschaften von Verbundwerkstoffen

Die anisotrope Struktur von Verbundwerkstoffen ist die grundlegende interne Ursache für Delaminationen.

Im Gegensatz zu homogenen Metallen bestehen Verbundwerkstoffe aus Verstärkungsfasern und einer Harzmatrix.

Ihre interlaminare Haftfestigkeit ist weitaus geringer als die axiale Festigkeit der Fasern:

• Die Fasern tragen die Hauptlast, weisen jedoch eine geringe Querscherfestigkeit auf. Seitliche Scherkräfte führen leicht zu Faserrissen und zum Herausreißen der Fasern.
• Die Harzmatrix dient als Bindephase und weist nur eine begrenzte Hitzebeständigkeit und Zähigkeit auf. Lokale Schnittwärme kann leicht zu einer Erweichung und Rissbildung des Harzes führen.
• Interlaminare Grenzflächen sind mechanisch schwache Stellen. Eine senkrecht zu den Lagen wirkende Trennkraft bricht die Grenzfläche leicht auf und führt zum Ablösen.

Wenn die Schnittkraft die Haftfestigkeit der Grenzfläche übersteigt, geht der Materialabtrag von einer Scherung in einen Reißvorgang über.

Infolgedessen entstehen Delaminationsfehler, die sich ausbreiten.

Dies erklärt auch, warum das Prozessfenster bei Verbundwerkstoffen wesentlich enger ist als bei Metallen.

1.2 Dynamische Auswirkungen der Fräsmechanik

Der intermittierende Charakter des CNC-Fräsens führt zu periodischen Änderungen der Richtung der Schnittkraft.

Verbundwerkstoffe reagieren äußerst empfindlich auf die Belastungsrichtung, was ein wesentlicher dynamischer Auslöser für Delaminationen ist:

• Beim herkömmlichen Aufwärtsfräsen greift die Schneide von unten nach oben in das Material ein. Dabei neigt sie dazu, Oberflächenfasern abzuziehen und zu Verfilzungen und Rissen zu führen.
• Ein zu hoher Vorschub führt zu einer hohen Stoßbelastung pro Zahn. Dies beschleunigt das Risswachstum und verursacht Risse zwischen den Schichten.
• Eine abgenutzte Schneide verliert ihre Scherwirkung und führt stattdessen zu Extrusion und Reibung. Dies erhöht die Schnittkraft und die Reibungswärme, wodurch die Festigkeit des Kunststoffs weiter geschwächt wird.

1.3 Wechselwirkung zwischen Prozess und Werkzeugen

Eine unsachgemäße Prozessgestaltung und Spannvorrichtung erhöhen das Risiko einer Delaminierung.

Sie sind die unmittelbare äußere Ursache für Bearbeitungsfehler:

• Eine nicht aufeinander abgestimmte Spindeldrehzahl und Vorschubgeschwindigkeit führen zu einer übermäßigen Belastung pro Zahn und zu Spannungskonzentrationen.
• Scharfe Kurven oder vertikale Eintauchbewegungen im Werkzeugweg führen zu plötzlichen Belastungsänderungen und lösen Risse zwischen den Schichten aus.
• Eine unzureichende Spannsteifigkeit und eine große Auskragung verstärken die Bearbeitungsschwingungen. Die schwankende Belastung wirkt wiederholt auf die Grenzfläche zwischen den Schichten ein.

2. Optimierung des Werkzeugsystems: Zentraler Schutz gegen Delaminierung

Die Werkzeugauswahl bestimmt unmittelbar den Materialabtragmechanismus.

Die Auswahl geeigneter Werkzeuge und die Aufrechterhaltung scharfer Kanten sind die erste Verteidigungslinie gegen Delaminierung.

2.1 Einsatz von Spezialwerkzeugen für die Bearbeitung von Verbundwerkstoffen

Spezialwerkzeuge zum Schneiden von Fasern sollten gegenüber allgemeinen Werkzeugen für die Metallbearbeitung den Vorzug erhalten.

Sie verringern das Risiko von Rissen bereits durch das Schneideprinzip selbst:

• PCD-diamantbeschichtete Werkzeuge: Weitaus verschleißfester als Standardbeschichtungen. Sie behalten ihre Schneidschärfe lange bei und verhindern eine durch Extrusion verursachte Delaminierung.
• Werkzeuge aus ultrafeinkörnigem Hartmetall: Bieten eine höhere Zähigkeit und Kantenstabilität. Sie reduzieren Mikroausbrüche und verhindern Fehler durch Faserausreißen.
• Scherenförmige Spiralfräser: Optimierte Schnittwinkel sorgen für einen sauberen Scherschnitt. Sie reduzieren das Herausreißen von Fasern und das Ablösen zwischen den Lagen erheblich.

2.2 Optimierung der geometrischen Parameter des Werkzeugs

Die Werkzeuggeometrie beeinflusst unmittelbar die Verteilung der Schnittkräfte und das Versagensverhalten des Werkstoffs.

Eine gezielte Parameteroptimierung kann die Neigung zur Delaminierung wirksam verringern:

• Den Spanwinkel moderat vergrößern: Den Extrusionseffekt der Schneidkante verringern, die Scherwirkung verstärken und die Seitenkraft verringern.
• Kleineren Steigungswinkel verwenden: Dies verringert die axiale Zugkraft während des Schneidvorgangs und senkt die Trennkraft senkrecht zu den Lagen.
• Hohe Kantenschärfe gewährleisten: Stellen Sie sicher, dass die Fasern sauber abgeschnitten und nicht herausgerissen werden, und reduzieren Sie die Flusenbildung an Oberflächen und Austrittsstellen.
• Optimierung der Spanabfuhrstruktur: Vermeidung von sekundärem Abkratzen der bearbeiteten Oberflächen und Verhinderung zusätzlicher Schäden zwischen den Schichten.

2.3 Den Verschleißzustand der Werkzeuge streng überwachen

Werkzeugverschleiß ist die am häufigsten übersehene Ursache für Delamination, und die dadurch verursachten Schäden summieren sich:

• Durch den Verschleiß der Schneidkanten verwandelt sich der Schneidvorgang allmählich in einen Extrusions- und Reibungsprozess. Das Risiko der Delaminierung steigt mit zunehmendem Verschleißgrad exponentiell an.
• Das Abblättern der Beschichtung erhöht die Reibungswärme und beschleunigt das Erweichen der Harzmatrix, wodurch die Schichtfestigkeit weiter verringert wird.
• Es muss ein Standard für das Werkzeuglebensdauermanagement festgelegt werden. Kombinieren Sie dies mit einer Verschleißüberwachung während des Produktionsprozesses, um einen rechtzeitigen Werkzeugwechsel zu gewährleisten und so eine Delaminierung der Charge zu vermeiden.

3. Optimierung von Prozessparametern und Werkzeugwegen: Präzise Laststeuerung

Die Steuerung der Größe und Richtung der Schnittkraft ist das Kernprinzip beim Fräsen von Verbundwerkstoffen.

Nur eine stabile und regelbare Last kann einen Schnittstellenausfall verhindern.

3.1 Befolgen Sie das Prinzip „hohe Geschwindigkeit, geringer Vorschub, geringe Schnitttiefe“

Eine geeignete Parameterkombination kann die Schnittkräfte wirksam reduzieren und das Materialversagen stabilisieren:

• Die Spindeldrehzahl moderat erhöhen: Dies senkt die Schnittbelastung pro Zahn, hält die Fasern unter ständiger Scherbeanspruchung und verringert Stoßschäden.
• Vorschubgeschwindigkeit regeln: Die momentane Stoßbelastung reduzieren und ein plötzliches Versagen der Schnittstelle aufgrund von Belastungsspitzen verhindern.
• Wenden Sie das schichtweise Fräsen mit geringer Schnitttiefe an: Verteilen Sie die Schnittspannungen, halten Sie die Kraft pro Durchgang unterhalb der Grenzwerte der Grenzflächenfestigkeit und entfernen Sie das Material schrittweise.

3.2 Entwurf von Werkzeugwegen mit geringer Belastung

Der Werkzeugweg bestimmt unmittelbar die Spannungsverteilung und die Ausbreitungsrichtung des Bruchs.

Optimierte Wege können das Risiko einer Delaminierung auf der Ebene der Lastübertragung verringern:

• Schneiden Sie vorzugsweise in Faserrichtung: Dadurch wird die seitliche Zugkraft auf die Fasern verringert und die Oberflächenqualität der bearbeiteten Fläche verbessert.
• Vermeiden Sie scharfe Kurven: Scharfe Kurven führen zu plötzlichen Belastungsänderungen, lokalen Spannungskonzentrationen und interlaminaren Rissen.
• Verwenden Sie das spiralförmige Rampeneintauchen: Ersetzen Sie den vertikalen Eintauchstoß, um ein sanftes Einrasten zu gewährleisten und eine anfängliche Delaminierung zu verringern.
• Aufstiegsfräsmodus anwenden: Die Kante fräst von oben nach unten, drückt das Oberflächenmaterial nach unten und verhindert so ein Ablösen, wie es beim Aufwärtsfräsen der Fall ist.

3.3 Besondere Maßnahmen für Hochrisikogebiete

An den Kanten der Teile, an den Austrittsseiten und an den Lochrändern besteht das höchste Risiko einer Delaminierung.

Sie erfordern differenzierte Prozessstrategien:

• Verringern Sie den Vorschub an Kanten und im Auslaufbereich, um die Stoßbelastung beim Durchbruch des Werkzeugs zu verringern.
• Bringen Sie auf der Austrittsseite Trägerplatten oder Opferschichten an, um Durchbruchstöße zu absorbieren und ein Aufspalten am Austritt zu verhindern.
• Führen Sie die Bohrbearbeitung schrittweise durch – Vorbohren, Reiben und Schlichten –, um eine Delaminierung am Bohrungsrand durch einmaliges Bohren zu vermeiden.
• Führen Sie an stark beanspruchten Stellen lokale Schlichtbearbeitungsdurchgänge durch, um die Kantenfestigkeit durch leichten Materialabtrag zu verbessern.

4. Spann- und Stützsystem: Der oft übersehene Schlüsselfaktor

Verbundwerkstoffe weisen eine geringere Steifigkeit auf als Metallwerkstoffe.

Die Aufspannsteifigkeit und die Anordnung der Aufspannpunkte wirken sich unmittelbar auf die Bearbeitungsstabilität aus.

Dies ist ein häufig übersehener, aber äußerst einflussreicher Faktor für die Delaminierung.

4.1 Verbesserung der Gesamtspannsteifigkeit

Eine stabile Auflage ist die Grundlage für die Reduzierung von Schwingungen und Verformungen:

• Vakuumspannfutter verwenden: Sorgt für eine gleichmäßig verteilte Stützkraft, verhindert Spannungsverformungen durch punktuelle Klemmung und verbessert die Gesamtsteifigkeit der Verbindung.
• Bringen Sie unterhalb des Bearbeitungsbereichs lokale Stützblöcke an, um den Werkstücküberhang zu verringern und die Schwingungsverstärkung zu unterdrücken.
• Vermeiden Sie große, nicht abgestützte Spannweiten, um ein Flattern des Werkstücks und eine Verschlimmerung der Ermüdungsschäden zwischen den Schichten zu verhindern.

4.2 Begrenzung von Verformungen und Schwingungen beim Spannen

Eine falsche Spannkraft führt zu inneren Spannungen.

Der Spannungsabbau nach der Bearbeitung kann leicht zu Delaminierung und Verformung führen:

• Verwenden Sie eine symmetrische Klemmung, um eine gleichmäßige Kraftverteilung zu gewährleisten und ein Verziehen durch unausgewogene Belastung zu vermeiden.
• Regeln Sie die Stärke der Klemmkraft. Sorgen Sie für einen sicheren Halt und vermeiden Sie gleichzeitig Schäden an der Harzmatrix sowie den Aufbau innerer Spannungen durch zu starkes Festklemmen.
• Optimieren Sie die Anordnung der Stützpunkte, um die Stützpositionen an die Schnittlastpositionen anzupassen und die strukturelle Stabilität zu verbessern.

4.3 Verbesserung der Gestaltung der Unterstützung beim Austritt

In der Durchbruchphase des Werkzeugs tritt Delaminierung am häufigsten auf.

Es muss eine eigene Verteidigungslinie zur Endunterstützung aufgebaut werden:

• Bringen Sie auf der Austrittsseite eine starre Stützplatte an, um den momentanen Durchbruchstoß zu dämpfen und ein Ablösen zwischen den Schichten zu verhindern.
• Verwenden Sie eine Opferschicht aus einem ähnlichen Material, um Kantenausbrüche und Risse beim Durchstoßen des Werkzeugs zu vermeiden.
• Kombinieren Sie dies mit einer reduzierten Vorschubgeschwindigkeit im Auslaufbereich, um die Durchbruchkraft weiter zu senken und die Kantenqualität zu verbessern.

5. Umstellung auf einen ganzheitlichen Ansatz: Von der passiven Reparatur zur aktiven Prävention

Der Kern der High-End-Bearbeitung von Verbundwerkstoffen liegt in der präzisen Steuerung des Versagensverhaltens des Materials.

Es sollte sich niemals auf Nachbesserungen und Nachbearbeitungen nach der Fertigung verlassen.

5.1 Vorrang für die Vermeidung an der Quelle

Die meisten Delaminationsfehler bei Verbundwerkstoffen sind irreversibel.

Sobald es zu einer Ablösung der Zwischenschicht kommt, können Polieren oder Ausbessern lediglich das Erscheinungsbild verbessern.

Die ursprüngliche mechanische Festigkeit der Struktur kann dadurch nicht wiederhergestellt werden:

• Die Prozessoptimierung muss Vorrang vor jeglichen Methoden zur Oberflächenreparatur haben.
• Eine auf Prävention ausgerichtete Qualitätskontrollstrategie etablieren und die Kontrolle der Delaminierung bereits in die Prozessplanungsphase verlagern.

5.2 Eine mehrstufige Bearbeitungsstrategie anwenden

Durch die Aufteilung des Prozesses in mehrere Phasen lässt sich Stress schrittweise abbauen und das Gesamtrisiko verringern:

• Schruppphase: Entfernen Sie den Großteil des Materials mit höheren Parametern, wobei der Schwerpunkt auf der Effizienz des Materialabtrags liegt.
• Halbfertigbearbeitung: Gleichmäßiges Fertigbearbeitungsmaterial belassen, innere Spannungen aus der Schruppbearbeitung abbauen und die Werkstückstruktur stabilisieren.
• Endbearbeitungsphase: Wenden Sie optimierte Parameter mit geringer Belastung an, wobei der Schwerpunkt auf der Oberflächenqualität und der Kantenintegrität liegt.

5.3 Aufbau eines geschlossenen Regelkreises für die In-Process-Überwachung

Die Prozessüberwachung in Echtzeit verbessert die Prozessstabilität zusätzlich und beugt Qualitätsmängeln bei den Chargen vor:

• Setzen Sie Systeme zur Überwachung der Schnittkraft ein, um Laständerungen in Echtzeit zu verfolgen und Werkzeugverschleiß sowie ungewöhnliche Belastungen frühzeitig zu erkennen.
• Passen Sie die Bearbeitungsparameter dynamisch auf der Grundlage von Rückmeldungen zum Werkzeugzustand an, um den Zerspanungsprozess stabil und kontrollierbar zu halten.
• Richten Sie Warn- und Abschaltmechanismen für Störfälle ein, um zu verhindern, dass durch außer Kontrolle geratene Bearbeitungsvorgänge zu Ausschuss durch Delaminierung der gesamten Charge führen.

Schlussfolgerung

Die Delaminierung beim Fräsen von Verbundwerkstoffen ist auf das Zusammenspiel von Materialeigenschaften, Werkzeugzustand, Prozessparametern und Spannvorrichtung zurückzuführen.

Eine Anpassung einzelner Parameter oder ein Werkzeugwechsel können das Problem nicht grundlegend lösen.

Nur ein System zur Optimierung des gesamten Prozesses, das die Werkzeugauswahl, die Prozessauslegung, die Spannvorrichtungen und die Prozesssteuerung umfasst, kann die Delaminierung zuverlässig unter Kontrolle halten.

Auf diese Weise können Hersteller ein Gleichgewicht zwischen Bearbeitungsqualität und Produktionseffizienz herstellen.

PartsMastery verfügt über fundiertes Fachwissen im Bereich der CNC-Bearbeitung von hochwertigen Verbundwerkstoffen.

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Autor: Das technische Team von PartsMastery