Bearbeitung von Kohlefasern: Werkzeuge, Techniken und Herausforderungen

Carbon zählt dank seiner einzigartigen Eigenschaften zu den fortschrittlichsten Werkstoffen unserer Zeit. Flugzeuge, Luftfahrzeuge, Formel-Rennwagen usw. müssen schnell sein und gleichzeitig einen möglichst geringen Kraftstoffverbrauch aufweisen. Die Welt erlebt derzeit einen Wandel: Bei Flugzeugkomponenten wird zunehmend Carbonfaser anstelle von Aluminium und Stahl verwendet. Es gibt viele weitere Möglichkeiten für Carbonfaser, die Sie in diesem interessanten Artikel kennenlernen werden. Hier ist eine kurze Einführung in Carbonfasern.

Was ist Kohlefaser? Warum ist sie in der Bearbeitung beliebt?

Faser bedeutet sehr dünne Filamente usw. Kohlefaser ist ein Verbundwerkstoff aus sehr dünnen Kohlefilamenten, die durch Epoxidharz verbunden sind. Kohlefaser wird nicht einzeln verwendet, sondern ist eher ein Verbundwerkstoff. Sie wird mit einer Epoxidmatrix verwendet und bildet so einen Kohlefaserverbundstoff. Aufgrund der hohen Nachfrage wird Kohlefaser üblicherweise in Form von Kohlefaserplatten oder Kohlefaserrohren verarbeitet.

Die Eigenschaften von Carbonfasern verstehen

Bevor man die Eigenschaften von Kohlenstofffasern kennt, ist es wichtig, sie anhand ihrer Zusammensetzung zu verstehen.

• Woraus besteht Kohlefaser?

Sie werden erstaunt sein, dass Kohlenstofffasern aus organischen Polymeren hergestellt werden. Ihre Hauptquelle ist Polyacrylnitril (PAN). Es besteht zu 90 % aus C-Atomen, die in einer kristallinen Struktur angeordnet sind.

• Was ist das Besondere an Carbonfasern?

Sie fragen zu Recht, was Carbonfaser so besonders macht. Die Antwort lautet: 90 % der Kohlenstoffatome sind kristallin angeordnet. Diese Kristallinität verleiht ihr außergewöhnliche Eigenschaften, beispielsweise ist sie im Vergleich zu Stahl stärker.

Leichtgewicht und Stärke

Die außergewöhnlichste und am höchsten bewertete Eigenschaft von Kohlefaser ist ihr hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Deshalb wird Kohlefaser bevorzugt in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und bei Sportgeräten eingesetzt.

Hoher Elastizitätsmodul und hohe Ermüdungsbeständigkeit

Kohlenstofffasern haben einen sehr hohen Elastizitätsmodul (200–800 GPa), der deutlich höher ist als der von Stahl. Flügel aus Kohlenstofffasern können Millionen von zyklischen Belastungen standhalten, bevor sie brechen (Ermüdungsfestigkeit).

Vorteile von Kohlefaser in der Fertigung

Kohlefaser erhöht die Haltbarkeit und Leistung eines Fahrzeugs, indem sie den Kraftstoffverbrauch senkt und somit die Kosten senkt. Sie hält hohen Temperaturen problemlos stand.

Gängige Anwendungen für bearbeitete Kohlefaserteile

Sie werden einen sehr interessanten Abschnitt dieses Artikels lesen, in dem Sie erfahren, in welchen Branchen bearbeitete Teile aus Kohlefaser eingesetzt werden können. Ihre Festigkeit und Leichtigkeit ermöglichen die Entwicklung von Strukturteilen.

Luft- und Raumfahrtindustrie

Das hohe Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht ist der Grund, warum wir C-Fasern in der Luft- und Raumfahrtindustrie einsetzen. Sie werden in kritischen Komponenten wie dem Rumpf und den Rotorblättern eingesetzt. Carbonfasern ermöglichen Treibstoffeinsparungen und hohe Geschwindigkeiten.

Automobilindustrie

Leichtes Hochleistungsauto, zB Formel-Teile wie Motorhauben, Fahrgestelle und Spoiler zur Verbesserung von Geschwindigkeit und Kontrolle.

Sportgeräte und Konsumgüter

Ja, wir verwenden Carbonfasern sogar in Sportgeräten und Konsumgütern wie:

• Fahrräder

In Rahmen, die leichter und steifer werden.

• Golf Clubs

Für mehr Geschwindigkeit und Genauigkeit können Sie in Golfschlägern Kohlefasern verwenden.

• Tennisschläger

Tennisschläger aus C-Faser erzeugen mehr Power und bieten eine bessere Kontrolle.

CNC-Bearbeitung von Kohlefaser: Techniken und Werkzeuge

Kohlefaser ist aufgrund ihrer Eigenschaften ein ganz besonderes Material, ihre Bearbeitung ist jedoch ebenso schwierig. Sie benötigen sehr präzise Werkzeuge, wie zum Beispiel eine CNC-Maschine und sorgfältiges Schneiden dieser C-Fasern. Dieser Abschnitt bietet Einblicke in die Bearbeitung von Kohlenstofffasern, die Techniken bzw. Werkzeuge und ihre Vorteile.

CNC-Fräsen für Kohlefaserteile

CNC-Fräsen erstellt ein Objekt durch Schneiden das Material aus einer flachen oder quadratischen/rechteckigen Probe.

Vorteile des CNC-Fräsens für Präzisionsschnitte

Die Verwendung von CNC-Fräsen für Präzisionsschnitte bietet viele Vorteile, wie zum Beispiel:

Dank der Funktion „Automatischer Werkzeugwechsel“ wird die Zeit für den Werkzeugwechsel reduziert, sodass mehr Produktion in kürzerer Zeit möglich ist. Fortschrittliche CAM-Software reduziert die Zykluszeiten um 10 – 15 %.

Durch CNC-Fräsen können Sie eine enge Toleranz von bis zu ±0.025 mm und eine Oberflächengüte von Ra <0.8 µm erreichen.

CNC-Dreh- und Drehmaschinentechniken

Wenn Sie zylindrische oder röhrenförmige Komponenten aus Kohlefaser wie Verbindungsstücke, Buchsen oder Wellen bearbeiten müssen, empfiehlt sich der Einsatz von CNC-Dreh- oder Drehmaschinen. Diese Verfahren sind speziell für zylindrische Formen konzipiert. Bei diesen Maschinen rotiert das Werkstück, doch stationäre Werkzeuge tragen das Material von der Oberfläche ab, bis die endgültige Form erreicht ist.

Vorteile des CNC-Drehens für zylindrische Teile

Wenn Sie CNC- und Drehmaschinentechniken verwenden, haben Sie gegenüber anderen Maschinen folgende Vorteile:

• Mithilfe dieser Techniken können Sie Ihr Bauteil bei symmetrischem Design 30 % schneller herstellen als mit Fräs- oder anderen Maschinen.
• Diese Maschinen gewährleisten einen Rundlauffehler von 0.05 mm für ausgewuchtete rotierende Teile.
• Da bei diesen Techniken weniger Materialabfall anfällt, sind sie kostengünstigere Bearbeitungsverfahren, nämlich 25 % im Vergleich zum Fräsen.

Bohren und Schneiden von Carbonfaserplatten

Bohren bedeutet, mit Bohrwerkzeugen Löcher in Objekte zu bohren. Im Folgenden sind einige gängige Techniken zum Bohren und Schneiden von Carbonfaserplatten aufgeführt:

• Wichtige Techniken zum Bohren von Löchern

Bohrer: Bohrer bestehen aus Hartmetall und haben eine Drehzahl von 3,000–5,000 U/min, um ein Ausfransen (unerwünschtes Reißen oder Faserbrechen) zu verhindern. Diese Bohrer haben einen Winkel von 118°.

Tiefbohren: Bei dieser Bohrtechnik müssen Sie nach jedem 2-3 mm Bohrer zurückziehen (den Bohrvorgang anhalten), um Staub zu entfernen und die Temperatur unter 200 °C zu halten.^oC.

Um ein Splittern der Innenwand zu vermeiden, ist es besser, einen Dornbohrer für Kohlefaser zu wählen.

• Kantenschneiden in Kohlefaser

Verwenden Sie Spiralbohrer mit 18000 U/min, um Probleme wie die Delamination von Kohlenstofffasern von der Matrix zu vermeiden. Die Vorschubgeschwindigkeit von 0.5–1.5 mm/min hilft Ihnen, saubere Kanten zu erzielen. Vergessen Sie nicht, während des Schneidvorgangs Nebelkühlung oder Luftgebläse zu verwenden. Durch die Kühlung bleibt die Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Harzes.

Herausforderungen und Lösungen bei der Bearbeitung von Kohlefasern

Wie bereits erwähnt, wird nicht nur Kohlefaser allein verwendet, sondern auch eine Epoxidmatrix, d. h. kohlenstofffaserverstärkter Verbundwerkstoff (CFK). Aufgrund der Mischung aus Fasern und Harz bringt die Bearbeitung von Kohlefasern viele Herausforderungen mit sich. In diesem Abschnitt werden einige häufige Herausforderungen und deren Lösungen vorgestellt.

1. Abrasivität und schneller Werkzeugverschleiß

Kohlefaser ist ein abrasives Material, d. h. 5-10-mal abrasiver als Glasfaser. Herkömmliche Schneidwerkzeuge können die Materialoberfläche innerhalb weniger Minuten nach der Bearbeitung zerstören. Eine unebene Oberfläche führt zu Ermüdungsbrüchen.

Lösung: Verwendung stärkerer Werkzeuge

Um Probleme mit der Oberflächenrauheit zu vermeiden, sollten Sie Standard-Schneidwerkzeuge verwenden. Diese Werkzeuge können diamantbeschichtet oder Hartmetall sein. Diese Werkzeuge sind deutlich härter als herkömmliche Schneidwerkzeuge, z. B. Schnellarbeitsstahl.

2. Staub und gefährliche Dämpfe

Wenn Ihre Probe Kohlenstaubpartikel von (<5 µm), dann ist dieser Staub problematisch. Diese Partikel gelten als potenziell krebserregend, da sie die Lunge reizen können. Sind diese Partikel leitfähig, können sie während des Bearbeitungsprozesses Kurzschlüsse in der CNC-Elektronik verursachen.

Lösung: Staub mit Staubsauger und Wasser bekämpfen

Um dieses Problem zu mildern, können Sie HEPA-Staubstaubsauger oder Nassschneiden verwenden. Der Staubsauger fängt 99.66 % der Staubpartikel auf, sodass das Risiko reduziert wird. Nassschneiden kann diese Partikel um bis zu 90 % reduzieren.

3. Hohe Kosten durch die Verschrottung von Teilen

CFK ist ein teures Material und erfordert daher eine sehr sorgfältige Bearbeitung. Werden die Schnittgeschwindigkeiten oder andere Standards nicht eingehalten, kann die Ausschussrate um 15–25 % steigen, was bei diesem Material nicht akzeptabel ist.

Lösung: Schnitteinstellungen optimieren

Wenn Sie diese optimierten Parameter einhalten, kann Ihre Ausschussrate auf 5 % gesenkt werden.

4. Delamination und Oberflächenschäden

Wenn sich bei Bearbeitungsprozessen wie Bohren oder Kantenbesäumen Faserschichten von der Matrix lösen, spricht man von Delamination. Die mechanischen Eigenschaften werden dadurch beeinträchtigt. Die Festigkeit verringert sich um 50–60 %.

Schwierigkeiten beim Erzielen präziser Schnitte

Wir wissen, dass Kohlefaser ein anisotropes Material ist, d. h. seine mechanischen Eigenschaften unterscheiden sich in verschiedenen Richtungen. Dieses Verhalten schränkt die sorgfältige Bearbeitung von Kohlefaserverbundwerkstoffen ein. Harzabbau oder Schichttrennung sind ein weiteres Problem.

Lösung: Hochpräzise CNC-Maschinen

CNC-Maschinen sind hochmoderne Maschinen mit automatischem Werkzeugwechsel, extrem stabilen Werkstücken und fortschrittlichen Schneidstrategien. Sie gelten als Lösung für hochpräzise Bearbeitung. Im Falle von Kohlenstofffasern spricht man von CNC-Services für Kohlenstofffasern.

Schneiden von Carbonfasern: Methoden und Ausrüstung

Wie bereits erwähnt, reagieren die Schichten eines kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffs (CFK) unterschiedlich auf Schneidwerkzeuge. Es handelt sich um ein hoch abrasives Material, und seine Matrix, d. h. aus Harz, ist hitzeempfindlich. Diese Faktoren erschweren das Schneiden von Kohlefaser.

Wasserstrahlschneiden für Kohlefaser

Wie der Name schon sagt, wird Wasser zum Schneiden von Kohlefasern verwendet, obwohl es sich unglaublich anfühlt, wie Wasser Kohlefasern schneiden kann. Es ist nicht wie normales Wasser; es steht unter sehr hohem Druck, etwa 60,000 – 90,000 psi, und ist zudem mit Schleifpartikeln vermischt. Der Wasserdruck zerschneidet die Kohlefasern.

Warum ist Wasserstrahlschneiden ideal für präzise Schnitte?

Aus folgenden Gründen halten wir es für ein ideales Schneidwerkzeug für Kohlenstofffasern:

• Keine Wärmeeinflusszone im CFK-Verbund
• Keine mechanische Belastung der angrenzenden Teile
• Hochwertige und präzise Schnitte

Laserschneiden von Kohlefaser: Vor- und Nachteile

Beim Laserschneiden werden Kohlenstofffasern mithilfe eines energiereichen Laserstrahls geschnitten. Dieser Strahl trifft auf die Zielfläche, brennt sich durch die Dicke und schneidet den Verbundwerkstoff.

• Vorteile:
• Die Produktionsrate ist sehr hoch, d. h. 10x von Wasserstrahl
• Wird für Großserienproduktionen verwendet
• Präzisere Schnitte als mit Wasserstrahl
• Nachteile:
• Erzeugt eine Wärmeeinflusszone
• Giftige Dämpfe
• Bevorzugt für Dicken bis zu 3 mm

Abrasivschneiden: Ein umfassender Überblick

Die folgende Tabelle bietet einen umfassenden Überblick über abrasive Schneidtechniken.

Wichtige Bearbeitungswerkzeuge für Kohlefaserteile

In diesem Abschnitt des Artikels besprechen wir einige wichtige Bearbeitungswerkzeuge für Kohlefaserteile.

Top1-Diamantbeschichtete Schneidwerkzeuge

Da Kohlefaser ein sehr abrasives Material ist, ist es wichtig, ein Werkzeug zu wählen, das eine glatte Oberfläche erzeugt. Diamantbeschichtete Schneidwerkzeuge gelten in dieser Hinsicht als die besten Werkzeuge, um den Verschleiß zu minimieren und die Oberflächengüte zu verbessern.

Top 2 CNC-Maschinen mit hoher Drehzahl und Steifigkeit

• CNC-Maschinen sind in diesem Fall sehr gut, warum, das wollen wir herausfinden:
• Sehr hohe Drehzahlen, 25,000 – 60,000 U/min, helfen Ihnen, den Faserauszug zu kontrollieren.
• Durch die harmonische Steuerung werden Vibrationen an der Schnittstelle des Verbundwerkstoffs eliminiert.
• Sie können eine Oberflächengüte von bis zu 0.1 µm Ra erreichen.

3 Spezial-Verbundschneider für Kohlefaser

Zu den neuesten Innovationen beim Schneiden von Kohlenstofffasern gehören:

• Diamantähnliche kohlenstoffbeschichtete Werkzeuge
• Durchlaufende Kühlmittelzufuhr
• Ultraschallunterstützt

Sicherheitsmaßnahmen bei der Bearbeitung von Kohlefasern

Für ein optimales Ergebnis bei der Bearbeitung von Kohlefaser ist es wichtig, Sicherheitsmaßnahmen zu beachten. Einige davon werden in diesem Abschnitt erläutert:

Verwenden von Schutzausrüstung gegen Staub und Dämpfe

Bei der Bearbeitung von Kohlenstofffasern, insbesondere mit Lasern, werden giftige Dämpfe und sehr kleine Kohlenstoffpartikel freigesetzt. Diese Dämpfe verursachen Lungenreizungen und Hautausschläge. Um dies zu vermeiden, tragen Sie PSA (Schutzbrille, Brille, Maske usw.).

Lüftungssysteme und Luftfilterung

• Verwenden Sie geeignete Belüftungs- und Luftfiltersysteme. Wie zum Beispiel,

• Umgebungsluftmonitore wie VOC (flüchtige organische Verbindungen)

Abfallentsorgung und Umweltauswirkungen

Um die Abfallentsorgung zu kontrollieren und die Umweltbelastung zu verringern, sollten Sie Abfälle recyceln und die örtlichen Vorschriften und Bestimmungen für gefährliche Abfälle einhalten.

Fazit

Nach all dieser Diskussion kommen wir zu dem Schluss, dass Kohlefaser ein vielversprechendes Material ist, das in wichtigen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie eingesetzt wird. Da ihre Bearbeitung sehr schwierig ist, liegt die Zukunft der Bearbeitung in der CNC-Technik. Industrie 4.0 versucht, die Zukunft der Kohlefaserbearbeitung durch Automatisierung und KI-Optimierung zu gestalten. Um am Markt führend zu bleiben, ist es wichtig, mit intelligenteren Innovationen Schritt zu halten.

FAQs

Welches ist das beste Werkzeug zum Schneiden von Kohlefaser?

Verwenden Sie für sauberste Schnitte diamantbeschichtete Schneidwerkzeuge.

Kann man Kohlefaser staubfrei bearbeiten?

Ja, beim Wasserstrahlschneiden entsteht beim Schneiden der Kohlefaser kein Staub.

Warum lieben Autofans Kohlefaser?

Weil es leicht und robust ist, für hohe Geschwindigkeit und Kontrolle sorgt und Kraftstoff spart.