Vibrationsunterstützte Bohrbearbeitung von Faserverbundwerkstoffen in Metall-Schichtverbunden unter Anwendung einer speziellen Kühl- und Schmierstrategie (MANUNET-VibroCool)

Problemstellung
Innovative Leichtbaumaterialien in Form faserverstärkter Verbundwerkstoffe ermöglichen bei neuen Flugzeugen, beispielsweise dem Airbus A350 XWB, eine signifikante Gewichtsreduktion. Dabei machen sie bis zu 60 v. H. der Flugzeuggesamtmasse aus. Die Verarbeitung der Materialien, insbesondere das Fügen mit metallischen Komponenten, wie beispielsweise Titan, stellt eine besondere Herausforderungen dar. So bedarf es für die Herstellung formschlüssiger Nietverbindungen einer Vielzahl hochgenauer Bohrungen, die den strengen Qualitätsvorgaben der Flugzeugindustrie gerecht werden. Die Bohrbearbeitung der unterschiedlichen Werkstoffschichten erfolgt dabei möglichst in einer einzigen Operation, in einem sogenannten One-Shot-Verfahren. Bislang erweist sich dies aufgrund der stark unterschiedlichen, teilweise gegenläufigen Eigenschaften der eingesetzten Werkstoffe als problematisch. Geringe Werkzeugstandzeiten, niedrige Produktivität und prozessinduzierte Bauteilschädigungen sowie unerwünschte Toleranzabweichungen sind die Folge.

Zielsetzung
Das transnationale Forschungsprojekt VibroCool hatte sich zum Ziel gesetzt, einen neuartigen Bearbeitungsprozess und die hierfür erforderliche Produktionsanlage zur effektiven Bohrbearbeitung von modernen Schichtverbunden zu entwickeln. Das System sollte dabei möglichst einfach gestaltet und mit geringem Aufwand in moderne Werkzeugmaschinen integrierbar sein.

Vorgehensweise
Zentraler Bestandteil war dabei die Entwicklung eines Werkzeughalters mit einer integrierten piezoelektrischen Vibrationseinheit, die das Bohrwerkzeug in eine hochfrequente Vibration im Ultraschallbereich versetzt. Davon werden Minderungen der erforderlichen Bearbeitungskräfte, eine verbesserte Bearbeitungsqualität und ein geringer Werkzeug-verschleiß erwartet. Es sollen Diamantwerkzeuge mit getrennter Zufuhr von Schmiermittel und Kühlmedium sowie eine Werkzeugspindel speziell für die Bearbeitung von Schichtverbunden entwickelt werden. Dies ermöglicht, gezielt die Kühl- bzw. Schmierwirkung zu variieren und an die Anforderungen der jeweiligen Werkstoffschicht anzupassen. Darüber hinaus erfolgen Prozessuntersuchungen im Hinblick auf die erzielbare Bearbeitungsqualität und Werkzeugstandzeiten. Die zu entwickelnden Komponenten werden in einer Demonstratoranlage zusammengesetzt und erprobt.

Verwertungspotenzial
Durch die optimierte Bohrbearbeitungsperformance bei gleichzeitig verbesserter Bearbeitungsqualität leistete VibroCool einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung der Fertigungstechnik für die Endbearbeitung von Faserverbundwerkstoffen und Schichtverbunden. Über den Einsatz in der Luftfahrt hinaus reicht das Anwendungspotenzial in weitere Industriesektoren, wie beispielsweise die Automobilindustrie oder Windkraftanlagen im Energiesektor. Durch die transnationale Kooperation kommt es dabei zu einem länderübergreifenden Technologie- und Wissenstransfer von Produktionstechnik für den internationalen Wachstumsmarkt der faserbasierten Leichtbauwerkstoffe.

• Chiron-Werke GmbH & Co. KG
• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• SN Spindeltechnik Steffen Nitschke
• son-x GmbH
• Zeller + Gmelin GmbH & Co. KG