Gestaltungsrichtlinien zur systematischen Verbesserung der Spanguterfassung bei der Fräsbearbeitung von CFK

Abstract

Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) sind High-End-Leichtbauwerkstoffe, mit einem hohen Potenzial zur Leistungssteigerung von Maschinen und Produkten sowie zur Energieeinsparung. Ihre Herstellung erfolgt typischerweise unter Einsatz trockener Fräsprozesse, deren Spangut eine besondere Gefährdung darstellt und sicher erfasst werden muss. Der Prozess der Spangutabsaugung stand bisher nicht im Fokus der Wissenschaft, obgleich er eine hohe wirtschaftliche und technische Relevanz aufweist. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher zunächst dem Stand der Technik in der fertigenden Industrie sowie den Anforderungen der CFK-zerspanenden Betriebe. Hieraus wird die Notwendigkeit dieser Arbeit aufgezeigt, die Absaugprozesse effektiver und effizienter zu gestalten und systematisches Grundlagenwissen zur Auslegung von Absaugsystemen zu schaffen. In einer theoretischen Betrachtung des Absaugprozesses werden die relevanten Einflussgrößen identifiziert und anschließend experimentell untersucht. In diesem Zusammenhang wird auf grundlegende Fragen zur Spanbildung von CFK eingegangen. Es folgen Untersuchungen zum Spangutauswurf und dessen Optimierung für eine verbesserte Erfassung. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse werden Gestaltungsrichtlinien für Absaugsysteme formuliert, die zur Optimierung dreier wesentlicher Varianten von Absaugsystemen genutzt werden. Diese werden abschließend anhand von zwei Schikanebauteilen bewertet. Diese Validierung zeigt das hohe Potenzial zur Steigerung der Spanguterfassung und zur Senkung des Energiebedarfs.

Carbon fibre reinforced plastics (CFRP) are high-end lightweight materials with a high potential for increasing the performance of machines and products and saving energy. CFRP is typically manufactured using dry milling processes, whose chips and dust particles pose a variety of hazards and must be safely collected. The peripheral process of particle extraction has not been in the focus of science so far, although it has a high economic and technical relevance. Therefore, this work first records the state of the art in the manufacturing industry and the requirements of CFRP manufacturers. From this, the necessity of this work is derived to make the extraction processes more effective and efficient and to create basic knowledge for the design of extraction systems. The relevant influencing variables are identified in a theoretical consideration of the extraction process and subsequently investigated experimentally. In this context, fundamental questions about the chip formation of CFRP are addressed. This is followed by investigations into particle ejection and its optimisation for improved collection. Based on all findings, design guidelines for extraction systems are formulated, which are used to optimise three fundamental extraction systems. Finally, these are evaluated based on two use cases. The validation shows the high potential for increasing chip extraction and reducing energy demand through the present work.