Kühlschmierstoffe für die Nasszerspanung faserverstärkter Kunststoffe

Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) sind leicht und weisen hervorragende Steifigkeiten auf, weshalb sie vermehrt im Automobil‑ und Luftfahrtbereich eingesetzt werden. Die letzten Verarbeitungsschritte erfolgen zerspanend, wobei Stäube harter Glas‑ oder Kohlenstofffasern entstehen. Ziel des Vorhabens ist es, durch den Einsatz von Kühlschmierstoffen den Werkzeugverschleiß zu reduzieren und gleichzeitig den Arbeitsschutz und die Maschinensicherheit zu verbessern.

Staubentwicklung bei der Trockenzerspanung von faserverstärktem Kunststoff.
© Fraunhofer IGB

Staubentwicklung bei der Trockenzerspanung von faserverstärktem Kunststoff.

Ausgangssituation und Herausforderung

Die Gewichtsreduzierung bewegter Massen ist eines der primären Zukunftsziele im Automobil‑ und Luftfahrtbereich. Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) bieten aufgrund ihrer hervorragenden gewichtsbezogenen Steifigkeiten ein enormes Potenzial, dieses Ziel zu erreichen. Trotz endkonturnaher Herstellung faserverstärkter Kunststoffe durch Resin Transfer Moulding (RTM)‑ oder auch Prepregverfahren muss nach der Aushärtung ein Randbeschnitt erfolgen (z. B. die Entfernung reiner Harzbereiche an den Bauteilrändern). Weiterhin werden Fügestellen sowie Ausschnitte und Durchbrüche eingebracht. In einem Großteil der verarbeitenden Betriebe erfolgt dieser Beschnitt auf Computerized Numerical Control (CNC)‑Bearbeitungszentren – also spanend. Derzeit spielt der industrielle Einsatz von Kühlschmierstoffen (KSS) in der spanenden Bearbeitung von faserverstärkten Kunststoffen nur eine untergeordnete Rolle.

Die Trockenbearbeitung besitzt jedoch einige gravierende Nachteile:

  • Glas‑ bzw. Kohlenstofffasern sind sehr hart und führen zu einem hohen Werkzeugverschleiß sowie daraus resultierenden sehr hohen Werkzeugkosten
  • Stäube faserverstärkter Kunststoffe sind eine Gefährdung für die Prozess‑ und Maschinensicherheit. Des Weiteren besteht in Deutschland eine Verunsicherung über mögliche Gesundheitsgefährdungen.

Ein Vorteil aus dem Kühlschmierstoff‑Einsatz ergibt sich hierbei, da der Staub direkt an den Kühlschmierstoff gebunden wird. Eine energieaufwendige Absaugung, welche den Staub nie vollständig erfassen kann, entfällt somit.

Ziel

Ziel ist es, durch den Einsatz von Kühlschmierstoffen einen geringeren Werkzeugverschleiß und eine erhöhte Produktivität und somit eine Kostenreduktion in der Endbearbeitung zu erzielen und parallel hierzu den Arbeitsschutz und die Maschinensicherheit zu verbessern.

Vorhabenbeschreibung

Der Schwerpunkt des Forschungsvorhabens liegt auf der Entwicklung eines für die Zerspanung von faserverstärkten Kunststoffen maßgeschneiderten Kühlschmierstoffes und eines darauf abgestimmten Zerspanungsprozesses. Anhand von Labortests werden u. a. die Kunststoffverträglichkeit, die Klebe‑ und Lackierbarkeit, sowie Gleitreibungszahlen in Kombination mit ausgewählten FVK‑Werkstoffen analysiert. Aufbauend auf den Ergebnissen der Labortests erfolgt die Komposition geeigneter KSS‑Grundkonzentrate. Diese werden im Zerspanungsversuch hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Werkzeugstandzeit, Bearbeitungsqualität und Zerspan‑Performance bewertet. In Rückkopplung mit Labortests an bearbeiteten faserverstärkten Kunststoffproben erfolgt die iterative Feinkomposition. Parallel hierzu werden die Anforderungen an den Filtrationsgrad des Kühlschmiermittels ermittelt. Darüber hinaus sollen geeignete Nasswerkzeuge identifiziert werden, die in Wechselwirkung mit dem optimalen Kühlschmiermittel zu höheren Werkzeugstandzeiten bei gesteigerter Bearbeitungsgeschwindigkeit führen.

Projektinformationen

Projekttitel

Kühlschmierstoffe für die Nasszerspanung faserverstärkter Kunststoffe

 

Projektlaufzeit

Oktober 2018 – März 2021

 

Projektpartner

  • DGMK Deutsche Wissenschaftliche Gesellschaft für Erdöl, Erdgas und Kohle e.V. (Koordinator)
  • Fraunhofer‑Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart
  • Fraunhofer‑Institut für Grenzflächen‑ und Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart

Förderung

Wir danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) und der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) für die Förderung des Projekts »Kühlschmierstoffe für die Nasszerspanung faserverstärkter Kunststoffe«, Förderkennzeichen IGF 20284 N.