Trocken-Scherschneiden von Sandwichblechen

Trocken-Scherschneiden von Sandwichblechen

 

Motivation

Im Bereich der Luftfahrtindustrie spielt der konstruktive Leichtbau bereits seit Jahren eine entscheidende Rolle. Hintergrund ist dabei durch gewichtsoptimierte und formoptimierte Konstruktionen das Gewicht und in Folge dessen den Treibstoffverbrauch der Flugzeuge zu reduzieren. Neben konstruktiven Optimierungen finden hierzu vor allem Verbundwerkstoffe in Sandwichbauweise Anwendung [Abbildung 1].

Abbildung 1: Beispielhafter Aufbau eines Verbundwerkstoffs
Abbildung 1: Beispielhafter Aufbau eines Verbundwerkstoffs

Durch die Kombination verschiedener Werkstoffe, in den Deckhäuten und dem Kern, können Halbzeuge erzeugt werden, deren Eigenschaften an die jeweiligen Anforderungen optimal angepasst sind. Neben einer Gewichtsersparnis lassen sich zudem, an die Belastung, angepasste Steifigkeiten und Festigkeiten einstellen.

Immer neue Abgasnormen für PKWs und das gesteigerte Umweltbewusstsein der Bevölkerung zwingen auch die Konstrukteure in der Automobilindustrie neue Konstruktions- und Werkstoffkonzepte zu untersuchen. Im Gegensatz zur Luftfahrtindustrie, sind in der Automobilindustrie jedoch deutlich größere Stückzahlen gefordert. Fertigungsverfahren wie das Sägen oder Fräsen zum Zerteilen von Verbundwerkstoffen sind jedoch nur bei geringen Stückzahlen wirtschaftlich einsetzbar. Ein für große Stückzahlen geeignetes Verfahren stellt das Scherschneiden dar. Erste Versuche zeigten jedoch, dass sich mit dem derzeitigen Prozesskenntnissen nur bedingt fehlerfreie und geometrisch einwandfreie Schneidkanten herstellen lassen. Die größten Probleme stellen dabei der Deckblecheinzug und die Delamination (Ablösen der Deckhäute vom Kernmaterial) dar [Abbildung 2].

Zielsetzung

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, das Scherschneiden hinsichtlich der Anforderungen beim Schneiden von Sandwichblechen zu optimieren. In dem vorliegenden Forschungsvorhaben sollen die dazu nötigen Verfahrensparameter ermittelt werden. Da die Entfernung von Schmierstoffen vor der Weiterverarbeitung den Einsatz von oft umweltschädlichen Reinigungsmitteln bedeutet, sollen zudem sämtliche Versuche ohne Zusatzstoffe durchgeführt werden.

Zusätzlich zur Verfahrensanpassung, sollen zerstörungsfreie Prüfmethoden zur Detektion von Delamination auf ihre Tauglichkeit hinsichtlich einer kontinuierlichen Werkstückprüfung untersucht werden. Hierzu werden die Verfahren Thermographie, Ultraschall und Vibrometrie untersucht.

Abbildung 2: Schliffbild eines schergeschnittenen Sandwichblechs
Abbildung 2: Schliffbild eines schergeschnittenen Sandwichblechs

Lösungsweg

Zunächst werden die zerstörungsfreien Prüfverfahren hinsichtlich ihrer Tauglichkeit zur Detektion von Delamination an delaminierten Proben untersucht. Die Prüfverfahren werden anhand verschiedener Kriterien wie kleinste zu detektierende Fehlergröße, Reproduzierbarkeit der Messungen, Aufwand und Messzeit bewertet.

Zur Anpassung des Scherschneidverfahrens an die Bearbeitung von Sandwichblechen wird im Rahmen eines parallel laufenden DFG-Projekts ein Konterschneidwerkzeug konstruiert. Auf diesem Werkzeug werden die Auswirkungen verschiedener Prozessparameter wie Schneidgeschwindigkeit und Schneidspalt auf das Schneidergebnis, im Detail die Schneidkantengeometrie, untersucht.

 

Wesentliche Erkenntnisse

Bezüglich der Delaminationsdetektion erwiesen sich sowohl die Prüfung mittels Ultraschall, Thermographie und Computertomographie als geeignete Verfahren. In Abhängigkeit der Qualitätsanforderungen, der Umgebungsbedingungen sowie der Taktzeit weist jedes der Verfahren Stärken und Schwächen auf. Einzig die Vibrometrieprüfung ist aufgrund des stark dämpfenden Kerns nicht für die Delaminationsdetektion geeignet.

Die Untersuchungen zur Bestimmung wesentlicher Schneidparameter zeigten, dass sowohl der Kanteneinzug als auch der Bruchflächenwinkel positiv durch kleine Schneidspalte beeinflusst werden. Darüber hinaus konnte in Zusammenarbeit mit dem DFG-Projekt „Intelligente Werkzeuge für das Trocken-Scherschneiden von Verbundwerkstoffen“ eine Abhängigkeit des Schneidkraftverlaufs vom verwendeten Schneidspalt und dem damit verbundenen Kanteneinzug ermittelt werden.

 

Danksagung

Für die Unterstützung im Rahmen des Projektes dankt das PtU der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF), der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA) und den nachstehenden Projektpartnern:

- 3A Composites

- F&K Werkstoffprüfung und Labor

- FILZEK TRIBOtech

- Graepel AG

- Oerlikon Balzer Coating Germany

- ThyssenKrupp Steel Europe AG

- Volkswagen AG