Zerspanen ohne Fransen

Durch neue Bearbeitungsmethoden versuchen Forscher an der TU Wien, die Fertigung von Produkten aus Faserverbundwerkstoffen ähnlich kostengünstig und einfach zu machen wie die Fertigung von Metallteilen. Das Forschungsteam um Richard Zemann vom Institut für Fertigungstechnik und Hochleistungslasertechnik verwendet Kohlenstofffasern, die nur einige Mikrometer dick sind. Damit sie ihre Form behalten, bettet man sie in Harz ein. So entsteht eine leichte, aber extrem steife Struktur.

„Durch die festen Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen erzielt man in Faserrichtung extrem gute mechanische Eigenschaften“, erklärt Zemann. Die Werkstücke wiegen nur ein Viertel dessen, was ein Stahlwerkstück desselben Volumens auf die Waage bringt, und trotzdem können sie Stahl in ihrer Steifigkeit sogar übertreffen.

Trotz großen Interesses in der Industrie haben sich die Fasern in der Fertigung von Massenprodukten aber noch nicht durchgesetzt, denn die feine Endbearbeitung der Werkstoffe ist sehr schwierig. Gut erprobte Verfahren aus der Metallindustrie wie das Zerspanen, Bohren oder Fräsen schädigen das Material. Es entstehen unbrauchbare Bohrlöcher und Schnittlinien, die aufwendig per Hand nachbearbeitet werden müssen – und das ist für Massenproduktion natürlich viel zu teuer. Zemann gründete daher die Initiative Fibrecut – ein Projekt, das neue Methoden für die automatisierte Endbearbeitung von Faserverbundwerkstoffen hervorbringt.

Dafür entwickeln die Forscher ein theoretisches Modell, das die physikalischen Vorgänge beim Zerspanen beschreibt. Damit lässt sich dann abschätzen, wie in einer bestimmten Situation das beste Ergebnis erzielt werden kann. Parameter wie Drehzahl und Vorschubgeschwindigkeit eines Bohrers richtig lassen sich anpassen, so dass plötzlich bessere Ergebnisse erhalten werden. Die Wissenschaftler testen auch Assistenzsysteme wie einen Schwingtisch, der das Werkstück während eines Schneide- oder Bohrprozesses in Bewegung versetzt. An weiteren Verbesserungen wird gearbeitet: Ganz neue Bearbeitungswerkzeuge mit Beschichtungen zum Beispiel, die speziell auf Faserverbundwerkstoffe ausgelegt sind.

Die Ergebnisse sind eindeutig: Mit den richtigen Zerspanungsmethoden lassen sich die Faserverbundwerkstoffe tatsächlich bearbeiten. „Es ist nicht unmöglich, man braucht einfach viel Know-How, das es in der Industrie heute einfach noch nicht in ausreichendem Maß gibt“, erklärt Richard Zemann.

Faserverbundwerkstoffe werden allerdings für geraume Zeit noch teurer sein als herkömmliche Materialien. Doch für viele Teile in Autos oder in der Flugzeug- und Raumfahrtindustrie ist das Material besonders attraktiv. Und auch eine Papierwalze, die aufgrund des leichteren Materials größer dimensioniert werden kann, oder ein Hydraulikzylinder aus Karbonfasern sind weitereAnwendungsmöglichkeiten.

„Dass sich Faserwerkstoffe durchsetzen werden, steht für mich heute außer Frage“, sagt Zemann. „Einen Technologievorsprung werden jene Unternehmen haben, die als erste die richtigen Bearbeitungsmethoden einsetzen.“

Weitere Informationen: Kontakt zu Robert Zemann