Ziel der Entwicklung

Die Bearbeitung von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) erfolgt gegenwärtig hauptsächlich durch Vollhartmetallwerkzeuge oder PKD-Werkzeuge. Der Einsatz von Hartmetall (HM) als Schneidstoff ermöglicht preisgünstige und geometrisch sehr variable Werkzeuglängen. Auf Grund der relativ geringen Härte des Schneidstoffs kommt es jedoch zu einem schnellen Verschleiß der Schneide und somit zu Qualitätsproblemen (Delaminationseffekte) am FVK. Der Einsatz von PKD als Schneidstoff führt auf Grund der sehr guten Eigenschaften (sehr hohe Härte) zu deutlich längeren Standzeiten. Jedoch wird dieser positive Effekt durch die wesentlich höheren Werkzeugkosten wieder kompensiert.
Durch die Verwendung von Keramik als Schneidstoff bietet sich die Möglichkeit, beim Bearbeiten von FVK hohe Standzeiten bei vertretbaren Werkzeugkosten zu realisieren.
Zielstellung des Projektes ist daher die Entwicklung einer neuen Generation von Verbundwerkzeugen zum Bohren von faserverstärkten Kunststoffen. Wegen der guten Dämpfungseigenschaften, der geringen Wärmebeeinflussung und auch der Möglichkeit Schneideinsatz und Hartmetall-Schaft wieder zerstörungsfrei voneinander zu lösen, wird als Fügeverfahren das Kleben zum Einsatz kommen.
In Abhängigkeit vom zu bearbeitenden FVK sind Werkzeuglösungen mit dafür geeigneten Schneidenmakrogeometrien zu erarbeiten. Dabei kommt es vor allem auch auf die fügegerechte Konstruktion der Klebestellen (Lage, Gestaltung) an.
Des Weiteren ist die Mikrogeometrie, d. h. Radius der Schneidkantenrundung und Schneidkantenschartigkeit bei den Keramikplatten so definiert bzw. gezielt und reproduzierbar herzustellen, sodass dadurch das Leistungspotenzial dieser Keramik-Verbundwerkzeuge gegenüber derzeit am Markt befindlichen Hartmetallwerkzeugen wesentlich erhöht wird.
Für die Kantenpräparation kommen das Bürstpolieren und das Schleppschleifen zur Anwendung.
Die Erprobung der neuartigen Verbundwerkzeuge mit eingeklebten mikrogeometrieoptimierten Keramikschneiden erfolgt sowohl an glasfaserverstärkten als auch kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen. Als ein Teilergebnis des Projektes werden die dafür anwendbaren Schnittparameter erarbeitet, die den Erfordernissen des Werkstoffes und des Werkzeuges Rechnung tragen. Die Qualität der Bohrungen (Delaminationseffekte, Ausfransungen) ist an Bohrereintritts- und Bohreraustrittsseite auszuwerten und mit Ergebnissen von zu testenden handelsüblichen Werkzeuglösungen auf Hartmetallbasis zu vergleichen.

Vorteile und Lösungen

Ein großes Potenzial der hier dargestellten Werkzeug- und Technologielösungen liegt sowohl auf Seiten der Werkzeughersteller als auch beim Anwender. Zum einen sind es die Hersteller von Bauteilen, insbesondere für den Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik und des Automobilbaus, die durch eine qualitätsgerechte und kostengünstige Herstellung bzw. Bearbeitung von Präzisonsbohrungen ihr Fertigungs- bzw. Angebotsspektrum enorm erweitern können; zum anderen begründen sich die wirtschaftlichen Erfolgsaussichten bei werkzeugherstellenden Unternehmen dadurch, dass die Ergebnisse aus der Projektbearbeitung, insbesondere aus den Arbeitsschritten Konstruktion, Werkzeugherstellung, Optimierung und Erprobung die Grundlage für neuartige Verbundwerkzeuge mit einem hohen Gebrauchswert bilden.
Indem werkzeugherstellende Unternehmen ihr Erzeugnisprogramm um diese neuen und hochwertigen Verbundwerkzeuge erweitern, versprechen sie sich neue und erweiterte Marktchancen sowie auch eine Stärkung ihrer Innovationskraft.
Zudem ist es auf Basis der Ergebnisse aus den umfangreichen Untersuchungen auch möglich, durch die Erhöhung von Bearbeitungsparametern (Schnittgeschwindigkeit) die Fertigungszeiten und -kosten entscheidend zu beeinflussen. Im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit beim Anwender führt das zu enormen Einsparpotenzialen (Bearbeitungzeit, Energie usw.).
Als Kundennutzen sind die sich ergebende Einsparungen bei der Prozesszeit sowie auf der Kostenseite zu sehen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Mit der Klärung der Zusammenhänge zwischen dem Kleben des Keramikschneideinsatzes in der Hartmetall-Werkzeugschaft sowie der reproduzierbaren Schneidenmikrogeometriegestaltung der Keramikschneiden und den konstruktiv erstellten bzw. als Prototyp gefertigten Verbundwerkzeugen zum Bohren von FVK wurde der Nachweis der Praxistauglichkeit durch umfangreiche Zerspanungstests erbracht.
Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die entwickelten Bohrwerkzeuge in Verbundbauweise mit eingeklebten Keramikschneiden zur Herstellung qualitätsgerechter Bohrungen in glasfaserverstärkte und kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe sehr gut geeignet sind und eine erfolgversprechende Alternative zu herkömmlichen Werkzeuglösungen darstellen.
Es wird somit dem Anwender durch Nutzung der Ergebnisse aus diesem Projekt die Möglichkeit geboten, seinen Kunden ein leistungsstarkes Produkt anzubieten und seine Marktposition weiterhin zu festigen.
Im Rahmen des durchgeführten Projektes wurde ein wesentlicher Beitrag geleistet, um die Innovationskraft Zerspanwerkzeug herstellender KMU zu steigern und gleichzeitig positive wirtschaftliche Effekte sowohl beim Werkzeuganwender als auch vor allem beim Werkzeughersteller zu realisieren.
Bei dem gegenwärtigen Potenzial und gesteigertem Bedarf an Bohrwerkzeugen zeichnet sich ab, dass die vorgestellten Lösungen kurz- bzw. mittelfristig in völlig neuartige Werkzeugsysteme Eingang finden werden. Daraus ergeben sich weitreichende Möglichkeiten, vor allem anwenderseitig weitere Einsatzpotenziale zu erschließen. Diese werden vor allem auch in den sog. Zukunftstechnologien, wie beispielsweise in der Energietechnik bzw. der Solarbranche gesehen, wo es letztlich auch in zunehmendem Maße um das qualitätsgerechte und wirtschaftliche Einbringen von Bohrungen geht. Hierin finden sich für die Zukunft gesehen auch eine Reihe weiterer Nutzungs- bzw. Innovationspotenziale für die erarbeiteten Werkzeug- und Technologielösungen.
Des Weiteren stellt der Einsatz von Bohrwerkzeugen mit eingeklebten keramischen Schneideinsätzen zur Bearbeitung von faserverstärkten Kunststoffen auf Grund der Wechselbarkeit der Schneiden gleichzeitig eine zukunftsweisende Entwicklung zur Wiederverwendbarkeit von Material und damit zur Ressourcenschonung dar.
Gleichzeitig stellen die Forschungsergebnisse eine wesentliche Erkenntniserweiterung für die GFE Schmalkalden e.V. selbst dar. Die im Rahmen des Vorhabens geschaffene Wissensbasis wird künftig mit als Basis für die Erfüllung weiterer anspruchsvoller Zielstellungen im Rahmen von Werkzeug- und Technologie-Innovationen dienen.