Innovative Prozessstrategien zur mechanischen Bohrbearbeitung faserverstärkter Kunststoffe unter gezielter Richtung der Prozesskräfte ins Werkstückinnere
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden analytische und experimentelle Untersuchungen zur Ermittlung von Bearbeitungsstrategien, bei denen die Prozesskräfte gezielt ins Werkstückinnere gerichtet sind, durchgeführt. Hierzu wurden zu Beginn des Forschungsvorhabens bestehende Verfahren untersucht und neue Verfahren entwickelt, die die Anforderung der gezielten Richtung der Prozesskräfte ins Werkstückinnere erfüllen. Neben der Entwicklung neuer Verfahren war es auch erforderlich, bestehende Verfahren zu untersuchen, um die Potentiale der neuen Verfahren darstellen zu können. Folgende Verfahren wurden im Rahmen dieses Projektes untersucht: Axiales Bohren mit unterschiedlichen Werkzeuggeometrien; Zirkularfräsen; Kombinierter Prozess bestehend aus Zirkular- und Spiralfräsen; Taumelfräsen. Diese Verfahren wurden nach deren Identifikation teilweise einer experimentellen Untersuchung unterzogen. Anschließend wurden durch eine analytische Betrachtung der entstehenden Kraftrichtungen die Verfahren untersucht. Die Ergebnisse der analytischen Betrachtungen wurden in ein kinematisches Simulationsmodell integriert, mit dem die unverformten Spangeometrien und die Verläufe der Prozesskräfte dargestellt werden können. Mit diesem Modell können die Prozessabläufe sowie die Werkzeuggeometrien und Prozessparameter als Eingangsgröße variiert und die Kennwerte errechnet werden, die für eine Verfahrensauswahl erforderlich sind. Die Materialkennwerte, die zur Berechnung der spezifischen Prozesskräfte erforderlich sind, wurden in Stoßversuchen ermittelt, in denen die materialabhängigen Prozesskräfte direkt erzeugt werden konnten. Aus den Ergebnissen der Versuche wurde ein multivariates Regressionsmodell erstellt und in die kinematische Simulation integriert. Des Weiteren wurden Versuche durchgeführt, in denen Prozesskräfte isoliert erzeugt werden können, um den Einfluss der jeweiligen Prozesskraft auf die entstehende Werkstückschädigung abzubilden. Mit diesen Versuchen konnten ebenfalls relevante Merkmale für die Entstehung von Schädigungen an faserverstärkten Kunststoffen abgeleitet werden. Mit einem Schnelltest wurden mehrere Materialien und Materialaufbauten auf ihre Bearbeitbarkeit hin untersucht. Mit diesen Ergebnissen kann nun in einem erstellten Auswahlprogramm eine Auswahl der zu bevorzugenden Prozesse erfolgen. Nach Bearbeitung der ersten Bohrung wird diese ausgewertet und ebenfalls mithilfe dieses Auswahlprogramm mögliche Optimierungen der Prozessparameter dargestellt. Die Ergebnisse der experimentellen und analytischen Untersuchungen der neu entwickelten Strategien haben die Überlegenheit dieser gegenüber den bisher bekannten Bearbeitungsstrategien gezeigt. Mit den durchgeführten Forschungsarbeiten konnte ein wesentlicher Beitrag zur Bohrbearbeitung faserverstärkter Kunststoffe geleistet werden. Insbesondere das Verständnis der Bearbeitungsstrategien in Bezug auf deren resultierende Prozesskraftrichtungen konnte deutlich erweitert werden und ermöglicht es nun, durch gezielte Beeinflussung der Wirkrichtung der Prozesskräfte die entstehenden Schädigungen deutlich zu reduzieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Analysis of machining strategies for fiber reinforced plastics with regard to process force direction. 1st CIRP Conference on Surface Integrity (CSI) 2012, 30.1.2012- 1.2.2012, Bremen, Germany, Procedia Engineering 19 (2011) 312-317
Schulze, V.; Becke, C.
- Experimentelle Untersuchung von Bauteilschädigung und Werkzeugverschleiß bei der FVK-Bearbeitung. Spanende Fertigung 6. Ausgabe, 2012, Essen, S. 330-337, ISBN 978-3-8027-2965-2
Schulze, V.; Klotz, S.; Zanger, F.
- Verschleißbedingte Parameteranpassung bei der Bohrungsherstellung in faserverstärkten Kunststoffen. 19. Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde 2013, 3.7.2013-5.7.2013, Karlsruhe, Deutschland, Tagungsband S. 958-967, ISBN 978-3-9816002-3-0
Schulze, V.; Zanger, F.; Klotz, S.
