Zerspanungsinduziertes Temperaturfeld in CFK-Werkstoffen (TFC)

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Hintze
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461768523

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) werden wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit zunehmend in hoch belasteten Leichtbaustrukturen z. B. der Luftfahrt eingesetzt. Durch geeignete Anordnung unidirektionaler (UD-) Faserlagen können diese optimal den wirkenden Belastungsrichtungen angepasst werden. Aufgrund der geforderten Präzision ist im Anschluss an die Urformung zumeist eine Bearbeitung der Bauteilkonturen notwendig. Oft werden sie gefräst. Die mit der Zerspanung verbundene Werkstückbelastung birgt die Gefahr, die Funktionsflächen mechanisch und thermisch zu schädigen. Hierdurch werden teilweise hohe Reparatur- und Ausschusskosten verursacht.Die beim Fräsen erzeugte Wärme, ihre Ausbreitung in die Bauteilrandzone und die ggf. resultierende thermische Schädigung hängen u. a. wesentlich von der Faserorientierung gegenüber der Vorschubrichtung ab. In eigenen Vorarbeiten wurde ein für beliebige Faserorientierungswinkel gültiges analytisches Modell zur Berechnung des Temperaturfelds in orthotropen Bauteilen aus der dafür maßgeblichen (effektiven) Wärmequellenbreite und Wärmestromdichte entwickelt. Die letztgenannten Kenngrößen sind bis heute kaum erfassbar, sie konnten auf diesem Weg für exemplarische Einzelfälle aus Experimenten identifiziert werden.Das Ziel des Vorhabens ist, die Abhängigkeit der thermischen Prozesskenngrößen Wärmequellenbreite und Wärmestromdichte von den Eigenschaften des Werkstoffs und des Werkzeugs sowie von den Schnittbedingungen grundlegend zu erforschen. Dazu wird das für die CFK-Zerspanung vorhandene Bearbeitungszentrum zunächst zur thermomechanischen Prozesscharakterisierung messtechnisch optimiert. Auf der Grundlage der aus Experimenten identifizierten Kenngrößen sollen empirische Zusammenhänge abgeleitet und durch ein übergreifendes Gesamtmodell beschrieben werden. Auf diese Weise wird zukünftig die modellgestützte Simulation des Temperaturfelds und der thermischen Schädigung der Bauteilrandzone beim Fräsen von UD-CFK in Abhängigkeit der relevanten Einflussgrößen ermöglicht.Das für UD-CFK grundlegend entwickelte und im Rahmen des Projektes empirisch zu erweiternde Modell wird wichtige wissenschaftliche Erkenntnisse über die für die thermische Schädigung relevanten Wirkzusammenhänge beim Fräsen liefern. Es wird ein hoher Nutzen für die industrielle Praxis erwartet, da das für UD-CFK erarbeitete modellgestützte Simulationssystem zusätzlich Hinweise auf Prozessgrenzen beim Fräsen multiaxialer CFK-Gelege liefert. Die Übertragbarkeit auf multiaxiale CFK-Gelege sowie bislang vernachlässigte Effekte beispielsweise des Wärmeübergangs an der Bauteiloberfläche sollen in der zweiten Förderphase näher untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Rotierendes 4-Komponenten-Dynamometer
• Gerätegruppe: 8970 Kraftmeßgeräte (einschl. elektronischem Anzeigegerät)