Neue Werkstoffe - Chance für neue effektive Produktionskonzepte

07.05.2015 

Mit ihrer enormen Belastbarkeit und ihrem geringen Gewicht werden kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe in Zukunft eine immer größere Rolle spielen. Für die abschließende Kantenbearbeitung der Werkstücken eignen sich vor allem die Hochleistungsspindeln der Zimmer Group, mit denen sich höchste Anforderungen an die Qualität der Fräsungen erfüllen lassen.

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) gewinnen kontinuierlich an Bedeutung: Sie bieten hervorragende mechanische Eigenschaften bei geringem Gewicht, sind in Zugrichtung 16 mal belastbarer als Stahl und bringen bei gleicher Belastbarkeit nur einen Bruchteil des Gewichts ihrer stählernen Pendants auf die Waage.

CFK-Bauteile lassen sich sehr einfach belastungsgerecht auslegen. Die werkstoffinterne Schwingungsdämpfung ist sehr viel höher als bei Stahl und lässt sich zudem durch gezielte Verrippung gut steuern. Je mehr Freiformflächen das Werkstück aufweist, umso eher lohnt sich der Einsatz von CFK-Bauteilen, und sie eröffnen Wandstärken- und Bauteilgewichtsbereiche, die mit Stahl nicht erreichbar sind.

Nicht zuletzt mit Blick auf die Umwelt- und Klimaschutzpolitik ist daher zukünftig mit einem Masseneinsatz von CFK-Werkstoffen im gesamten Leichtbausegment des Automobil-, Luftverkehrs- und Windenergiemarkts zu rechnen. Durch ihre Leichtbaueigenschaften, die hohen Freiräume bei der Konstruktion und die vielfältigen Möglichkeiten zur Funktionsintegration können kohlenstofffaserverstärkte

Kunststoffe einen maßgeblichen Beitrag zur Ressourceneffizienz beim Bau und Betrieb von Autos, Flugzeugen und vielen anderen Produkten leisten.

Der industrielle Einsatz an Kohlenstofffasern dürfte von 20.000 Tonnen im Jahr 2011 bis auf 500.000 Tonnen im Jahr 2030 steigen. Diese enorme Steigerung wird bis zum Jahr 2030 auch zu einer deutlichen Senkung der Kosten von CFK-Werkstoffen führen.
Im Jahr 2030 wird der durchschnittliche Preis von CFK-Bauteilen im Vergleich zu Stahl von heute 570% auf 90% sinken.

Dieser Wandel führt zu umfassenden Änderungen bei vielen Produkten und ihren Herstellungsprozessen, und viele Unternehmen aus allen industriellen Branchen werden sich auf die spezifischen Besonderheiten bei der Herstellung von Bauteilen aus CFK einstellen müssen.

Der Herstellungsprozess

Bei der Herstellung von Bauteilen aus CFK werden üblicherweise mehrere Lagen von CFK-Matten in eine Form eingelegt und mit einem speziellen Flüssigharz getränkt. Die Matten werden meist per Laser zugeschnitten und schichtweise von Hand in die mit Harz ausgestrichen Formen eingelegt. Jede neue Mattenlage wird ebenfalls mit Harz getränkt, so dass das Bauteil Schicht um Schicht wächst und dabei allmählich seine spätere Form annimmt. Allerdings weisen nicht alle Schichten die gleiche Außenkontur auf, da Bauteile zum Rand hin oft dünner werden. Zudem können neben den eigentlichen CFK-Matten auch andere Komponenten in die Form eingelegt werden, zum Beispiel Sensoren, Inserts für Schraubenverbindungen oder auch Gewebe aus anderen Materialien wie zum Beispiel Kevlar, mit denen das Bauteil gezielt an seinen Verwendungszweck angepasst werden kann.

Da die Formen anders als etwa bei Schmiedewerkzeugen keine nennenswerten Belastungen aufnehmen müssen, können sie kostengünstig aus leicht formbaren Materialien wie zum Beispiel Aluminiumblechen hergestellt werden. So lassen sich zum Beispiel mit geringem Aufwand belastungsgerecht geformte Bauteile aus CFK-Werkstoffen gewinnen, die bei traditioneller Stahlbearbeitung nur mit hohem Aufwand und dem Einsatz dreidimensionaler Schmiedetechnik hergestellt werden könnten.

Ist die Form fertig befüllt, wird sie in einen Vakuumofen eingebracht. Hier werden in einem Vakkuum zunächst die verbleibenden Luftblasen aus dem Harz herausgezogen und das Werkstück auf Temperaturen von rund 200°C erhitzt. Das Harz härtet dabei vollständig aus, so dass nach dem Abkühlen das nahezu fertige Bauteil aus der Form entnommen werden kann. Lediglich die Ränder müssen nun noch in die endgültige Form gebracht werden, denn hier laufen die CFK-Matten aus, und in den Fugen der Form können sich Grate aus dem ausgehärteten Harz gebildet haben.

Besäumen mit Hochleistungsspindeln

Um den Rand zu besäumen und dem Bauteil letztendlich seine definierte Form zu verleihen, müssen die überstehenden Matten und Harzreste beseitigt werden – eine Aufgabe, für die sich vor allem das Hochgeschwindigkeitsfräsen anbietet.

Die Bauteile können für die Kantenbearbeitung beispielsweise auf eine Referenzmatritze aufgelegt und vakuumverspannt werden, um so eine präzise definierte Position zu gewinnen. Die Fräsbearbeitung kann je nach Anzahl der benötigten Bearbeitungsachsen durch einen Roboter, durch ein Bearbeitungsportal oder auch auf einem Holzbearbeitungszentrum erfolgen.

Um saubere Kanten zu erhalten, sind hohe Schnittgeschwindigkeiten erforderlich, so dass hier nur leistungsfähige Aggregate wie die Bearbeitungsspindeln der Zimmer Group in Frage kommen. Diese Motorspindeln sind das Kernelement moderner Werkzeugmaschinen, denn die direkt angetriebenen Spindeln tragen das Werkzeug und beeinflussen mit ihrer Leistung, ihrer Drehzahl, ihrer Flexibilität und der Qualität ihrer Lagerung entscheidend die Leistung und Präzision des Gesamtsystems.

Die Zimmer Group bietet ihren Kunden eine breite Palette an Motorspindeln, die kompakte, leistungsstarke Motorpakete mit automatischen Werkzeugwechselsystemen und lebensdauergeschmierten Präzisionslagerungen kombinieren.  Das Lieferprogramm umfasst sowohl luft- als auch flüssigkeitsgekühlte

HF-Spindeln, die überwiegend von hochwertigen Asynchronmotoren angetrieben werden. Mit Maximaldrehzahlen zwischen 18.000 U/min und 30.000 U/min, Leistungen zwischen 3 und 24 kW und Drehmomenten zwischen 3 Nm und 38 Nm eignen sich die Spindeln vor allem für die trockene Zerspanung von Nichteisenmetallen, Holz, Kunststoffen oder eben CFK-Materialien. Die wassgekühlten Varianten weisen trotz kleiner Abmessungen besonders hohe Leistungen auf, so dass auch in beengten Bauräumen mit hohen Zerspanungsleistungen gearbeitet werden kann.

Um höchste Rundlaufgenauigkeiten und damit eine optimale Fertigungsqualität zu erreichen, werden bei den Motorspindeln der Zimmer Group  hochwertige Hybrid-Lager eingesetzt. Es handelt sich dabei um Stahllager mit keramischen Kugeln, die in einer Lebensdauer-Fettschmierung laufen. Um eine größtmögliche Lebensdauer zu erreichen, sind die Lager zum Ausgleich von Wärmeausdehnungen dynamisch vorgespannt. Zudem durchläuft jede einzelne Spindel eine umfangreiche Prüfung, mit der alle Funktionen der Spindel abgeprüft und protokolliert werden. Hierzu gehören auch genau definierte Dauerlauf-Programme, die eine optimale Schmierstoffverteilung in den Lagern garantieren und auch die Erstellung eines Betriebsdatenprotokolls ermöglichen. Während der Dauerläufe werden permanent die Temperaturwerte und Schwingungsdaten überwacht, um Abweichungen vom gegebenen Sollwerten sofort zu erkennen und entsprechende Maßnahmen einzuleiten. Dadurch ist eine gleichbleibende Qualität gewährleistet.

Die luftgekühlten Spindeln sind durch berührungslose Labyrinth-Dichtungen nach außen abgedichtet und können zusätzlich mit Sperrluft beaufschlagt werden. Die flüssigkeitsgekühlten Spindeln sind durchweg mit einer raumsparenden Kühlhülse ausgestattet. Durch den gewonnene Bauraum innerhalb des Spindelgehäuses können größere, leistungsstärkere Motoren verbaut werden, ohne das Bauvolumen zu vergrößern - eine wichtige Voraussetzung für eine hohe Leistungsdichte und für die optimale Nutzung des vorhandenen Einbauraums.

Je nach Ausführung sind die Zimmer Group-Spindeln mit manuellem oder automatischem Werkzeugwechsel verfügbar, wobei der Kunde derzeit wahlweise die Spannsysteme HSK F63, HSK A63, HSK E63 und seit neuestem auch Solid Fix S3 nutzen kann. Die Spindeln nehmen mit ihren integrierten Spannsystemen aber nicht nur Werkzeughalter auf, sondern können auch als Aggregatträger fungieren, und mit dem passenden Zubehör ist auch die 5-Achsbearbeitung möglich. Die Zimmer Group bietet für zahlreiche Aufgabenbereiche eine breite Palette an passenden Wechselaggregaten, zum Beispiel Winkelaggregate, Aggregate zur Drehzahlverdoppelung, Tastaggregate oder auch kundenspezifische Wechselaggregate für das stufenfreie Kantenfräsen, wie sie in der CFK-Produktion benötigt werden.