30/07/2021
Door Ad Spijkers
De TU Chemnitz en GBZ Mannheim deden onderzoek naar een nieuw proces voor het zonder delaminatie boren van koolstofcomposieten.
Met koolstofvezel versterkt kunststof (ook wel CFRP of carbon genoemd) is een composietmateriaal waarin koolstofvezels zijn ingebed in een kunststofmatrix. Dit materiaal wordt gekenmerkt door een lage dichtheid en een hoge belastbaarheid. Bij mechanische bewerking is echter gebleken dat het materiaal maar kleine krachten dwars op de vezelas kan opnemen.
Omdat bij het boren hoge krachten in axiale richting van het gereedschap optreden, kan het materiaal bij de booruitgang uitbreken. Deze schade is te wijten aan delaminatie van het composietmateriaal (links op de foto). CFRP wordt voornamelijk gebruikt in de luchtvaartindustrie, in elektromobiliteit of bij de bouw van windturbines. Bij producten voor deze toepassingsgebieden is het heel belangrijk om schadevrij te boren om perfecte, foutloze en veilige producten te produceren.
Tweetraps proces
De onderzoekers van TU Chemnitz en GBZ Mannheim hebben zich daarom tot doel gesteld een proces te ontwikkelen waarbij de krachten in de voedingsrichting worden geminimaliseerd. Dit om schade aan de boring te voorkomen. Behalve het lage draagvermogen in de richting van de werkstukdikte, vormt de naar verhouding hoge snijsnelheid bij het boren een extra uitdaging. De daarbij optredende hoge temperaturen kunnen de kunststofmatrix beschadigen.
De onderzoekers hebben daarom een gelaagd proces ontwikkeld. In de eerste stap wordt een klein gaatje voorgeboord, waarin een lichte delaminatie wordt geaccepteerd. De tweede stap is een ruimproces met een speciaal gereedschap, waarvan de geavanceerde microgeometrie is aangepast door innovatieve waterstraalvoorbereiding. Hierdoor is een hoge voedingssnelheid mogelijk bij een lage snijsnelheid en dus minder thermische materiaalbelasting. Hierbij worden tevens de door het voorboren beschadigde delen verwijderd.
Op deze manier kunnen hoogwaardige gaten worden geproduceerd zonder schade (rechts op de foto). Dankzij het nieuw ontwikkelde gereedschap en de speciale snijkantgeometrie zijn de voedingskrachten bijna nul, hoewel men eigenlijk hoge krachten zou verwachten gezien de hoge voeding.
Onderzoeksprogramma
Het onderzoekswerk maakte deel uit van een project in het kader van het Centraal Innovatieprogramma voor het MKB (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand, ZIM). Het werd gefinancierd door het Bundesministerium für Wirtschaft und Energie op basis van een resolutie van de Duitse Bondsdag. Verder wetenschappelijk werk bouwt voort op de resultaten van dit project. De samenwerking met GBZ Mannheim zal worden voortgezet. Dit bedrijf in Frankenthal (buurgemeente van Mannheim) produceert gereedschappen voor onder meer kabel- en buismontage, verspanende bewerkingen en kalibratie.
Foto: TU Chemnitz