CNC-Zuschnitt von Karbonplatten: Werkzeuge, Verfahren, Staub

Warum der Zuschnitt von Karbonplatten anders ist

Eine kohlenstofffaserverstärkte Platte ist kein homogener Werkstoff wie Metall oder Holz; sie besteht aus harten, spröden Fasern in einem vergleichsweise weichen Harz. Dieser Aufbau verändert das Schneidverhalten in mehrfacher Hinsicht (Teti, 2002; Sheikh-Ahmad, 2009):

• Abrasivität: Kohlenstofffasern stumpfen die Schneide eines Werkzeugs schnell ab. Ein stumpfes Werkzeug zerdrückt den Werkstoff, statt ihn zu schneiden; Faserüberstände, Ausfransen und Wärme an der Kante nehmen zu.
• Spanform: Es entsteht kein zusammenhängender Span wie bei Metallen. Die Fasern brechen zu feinem Staub und Bruchstücken, was sowohl die Standzeit als auch den Arbeitsschutz betrifft.
• Decklagen: In Laminaten werden die oberste und die unterste Lage nur durch Harz mit den darunterliegenden Lagen verbunden. Schnittkräfte können diese Lagen anheben und an der Kante eine Delamination auslösen.
• Wärme: Harz erweicht bei hoher Temperatur. Nähert sich die Temperatur in der Schnittzone der Glasübergangstemperatur (Tg) des Harzes, zeigen sich an der Kante aufgeschmolzenes Harz, Brandspuren und Oberflächenschäden.
• Faserorientierung: Ändert sich der Winkel zwischen Schnitt- und Faserrichtung, ändern sich auch Schnittkräfte und Kantenqualität. Verschiedene Kanten desselben Bauteils können daher unterschiedliche Kantenqualität aufweisen.

Schneidverfahren

CNC-Fräsen

Das gängigste Verfahren, um Bauteile aus Karbonplatten zu schneiden. Komplexe Konturen, Taschen und Bohrungen lassen sich in einer Aufspannung mit hoher Maßgenauigkeit bearbeiten. Der Erfolg hängt vom richtigen Werkzeug, geeigneten Schnittparametern und einer wirksamen Staubabsaugung ab.

Abrasiv-Wasserstrahlschneiden

Schneidet mit Hochdruckwasser und Abrasivpartikeln; es gibt keine Wärmeeinwirkung, und dicke Platten lassen sich schneiden. In Laminaten kann dort, wo der Strahl die Platte zuerst durchsticht, ein interlaminarer Schaden entstehen; der Einstichpunkt wird daher oft außerhalb des Bauteils gelegt oder vorgebohrt. Die Kante kann leicht konisch sein, und geschnittene Teile müssen getrocknet werden.

Laser

Da Faser und Harz sehr unterschiedliche thermische Eigenschaften haben, zieht sich beim Laserschneiden das Harz an der Kante zurück; es bleiben Verkohlungen und eine Wärmeeinflusszone. Für Strukturbauteile wird es daher allgemein nicht empfohlen.

Diamanttrennscheiben und Handwerkzeuge

Für gerade Schnitte und Prototypenarbeiten verwendbar. Die Kantenqualität hängt weitgehend vom Bediener ab, und der Staub ist schwer zu beherrschen.

Werkzeugwahl

Schneidstoff

• Vollhartmetall: wirtschaftlich, stumpft aber an abrasiven Kohlenstofffasern schnell ab. Geeignet für Kleinserien und Probeschnitte.
• Diamantbeschichtetes Hartmetall (CVD): Eine Diamantbeschichtung auf einem Hartmetallkörper hält das Werkzeug wesentlich länger scharf. Die gängigste Wahl zum Fräsen von Verbundwerkstoffen.
• PCD (polykristalliner Diamant): Schneiden aus Diamantsegmenten; sehr standfest und in der Serienfertigung bevorzugt. Die Geometrieoptionen sind eingeschränkter.

Werkzeuggeometrie

• Kompressionsfräser: Der untere Teil des Werkzeugs schneidet aufwärts, der obere abwärts. Die beiden Spiralbereiche drücken die Fasern in die Platte und hinterlassen auf beiden Seiten eine saubere Kante. Der Übergangspunkt muss innerhalb der Plattendicke liegen; die Zustelltiefe wird deshalb nach der Werkzeuggeometrie festgelegt.
• Diamantverzahnungsfräser (Burr-Fräser) für Verbundwerkstoffe: viele kleine Schneidzähne, gebildet durch sich kreuzende links- und rechtsgängige Spiralnuten. Er verteilt die Schnittkraft und ist zum Fräsen von Verbundwerkstoffen weit verbreitet.
• Aufwärts schneidender Fräser: führt Späne gut ab, kann aber Fasern an der Oberseite anheben.
• Abwärts schneidender Fräser: hinterlässt eine saubere Oberseite, kann aber an der Unterseite Ausfransen verursachen und Späne in der Schnittfuge verdichten.

Der Werkzeugdurchmesser bestimmt den kleinsten fräsbaren Innenradius: Eine Innenecke mit kleinerem Radius als dem Werkzeugradius lässt sich nicht fräsen. Werkzeuge mit kleinem Durchmesser erlauben feine Details, brechen aber leichter und laufen mit geringerem Vorschub.

Schnittparameter

Vorschubgeschwindigkeit, Spindeldrehzahl und Vorschub pro Zahn hängen wie folgt zusammen:

Vorschubgeschwindigkeit (mm/min) = Spindeldrehzahl (min⁻¹) × Schneidenzahl × Vorschub pro Zahn (mm)

Ist der Vorschub pro Zahn (Spandicke) zu gering, reibt das Werkzeug, statt zu schneiden; die Wärme steigt, und das Werkzeug stumpft schneller ab. Ist er zu hoch, steigen die Schnittkräfte, und die Kante franst aus oder das Werkzeug bricht. Ausgangswerte stammen aus den Tabellen des Werkzeugherstellers für Verbundwerkstoffe und werden anschließend durch Probeschnitte feinabgestimmt.

Allgemeine Grundsätze:

• Verweilt das Werkzeug an einer Stelle, staut sich Wärme, und es entstehen Brandspuren; halten Sie die Verweilzeit an Ecken und Eintrittspunkten minimal.
• Rampen- oder helikales Eintauchen ist senkrechtem Eintauchen vorzuziehen.
• Gleich- und Gegenlauffräsen wirken sich unterschiedlich auf die Kantenqualität aus; vergleichen Sie beide Richtungen in einem Probeschnitt. Wo Maßgenauigkeit wichtig ist, folgt auf einen Schruppdurchgang ein leichter Schlichtdurchgang.
• Trockenschnitt mit starker Staubabsaugung ist gängige Praxis. Druckluft kühlt das Werkzeug und entfernt Späne aus der Schnittzone.

Werkstückspannung

Die Platte muss eben liegen und vollflächig unterstützt sein; Vibrationen verschlechtern die Kantenqualität unmittelbar. Eine gängige Lösung ist eine Opferplatte auf einem Vakuumtisch. Bei durchgehenden Schnitten dringt das Werkzeug geringfügig in die Opferplatte ein.

Kleine Teile können sich am Ende eines Schnitts lösen, gegen das Werkzeug schlagen oder aus dem Vakuum rutschen. Um dies zu verhindern, werden kleine Haltestege an der Kontur belassen oder im letzten Durchgang eine dünne Restschicht stehen gelassen und das Teil danach abgetrennt. Stegansätze werden durch Schleifen oder einen leichten Fräsdurchgang versäubert.

Bohren

Beim Bohren entsteht in Verbundbauteilen am häufigsten Delamination. Auf der Eintrittsseite zieht der Bohrer die oberen Lagen entlang seiner Spannuten nach oben und schält sie ab (Peel-up); auf der Austrittsseite drückt die Vorschubkraft die letzten Lagen auseinander (Push-out). Die Austrittsdelamination setzt ein, sobald die Vorschubkraft einen kritischen Wert überschreitet; jede Maßnahme, die die Vorschubkraft senkt, verringert daher den Schaden (Hocheng und Tsao, 2005; Liu et al., 2012).

• Verwenden Sie scharfe, für Verbundwerkstoffe ausgelegte Bohrer (zum Beispiel mit Zentrierspitze oder Doppelwinkel-Anschliff).
• Legen Sie auf der Austrittsseite eine steife Unterlegplatte unter.
• Verringern Sie den Vorschub, wenn sich der Bohrer dem Austritt nähert.
• Für große oder genaue Bohrungen nutzen Sie die Zirkularinterpolation mit einem Schaftfräser; die Vorschubkraft ist gering, und der Durchmesser lässt sich an der CNC einstellen.

In 3D-gewebten Platten verbinden Bindefäden die Decklagen mit den darunterliegenden Lagen, was deren Neigung zur Trennung verringert. Eine Unterlegplatte und ein kontrollierter Vorschub bleiben dennoch gute Praxis.

Vorbereitung der DXF-Datei

• Speichern Sie die Zeichnung im Maßstab 1:1 in Millimetern.
• Zeichnen Sie Außenkontur und Bohrungen als geschlossene Polylinien oder Kreise. Entfernen Sie offene Enden, überlappende Linien und doppelte Linien.
• Versehen Sie Innenecken mit einem Radius von mindestens dem Werkzeugradius. Wo eine scharfe Innenecke erforderlich ist, fügen Sie an der Ecke eine Freimachung im Werkzeugdurchmesser (Dog-Bone) hinzu.
• Zu fräsende Bohrungen müssen größer als der Werkzeugdurchmesser sein; kleinere Bohrungen werden gebohrt.
• Geben Sie Maßtoleranzen und Anforderungen an die Kantenqualität auf der Zeichnung oder im Bestellhinweis an.
• Platzieren Sie die Teile innerhalb der Plattengrenzen und lassen Sie am Plattenrand einen Bearbeitungsrand.

Arbeitsschutz und Karbonstaub

Staub aus der Bearbeitung von Karbonplatten birgt zwei getrennte Risiken. Das erste ist elektrischer Art: Karbonstaub ist elektrisch leitfähig und kann Kurzschlüsse verursachen, wenn er in Maschinenelektronik, Antriebe oder Steckdosen gelangt. Das zweite betrifft die Gesundheit: Feiner Staub kann lungengängig sein und Haut und Augen reizen.

• Saugen Sie den Staub an der Entstehungsstelle ab, mit einer Haube nahe am Werkzeug und einem gefilterten Abscheider, der Feinstaub zurückhält.
• Schneiden Sie nach Möglichkeit in einer Einhausung.
• Bediener tragen partikelfiltrierenden Atemschutz geeigneter Klasse (FFP2 oder FFP3), Schutzbrille und Handschuhe.
• Reinigen Sie Maschine und Umgebung mit einem gefilterten Sauger statt mit Druckluft, die den Staub wieder aufwirbelt.

Beachten Sie die in Ihrem Land geltenden Arbeitsschutzvorschriften zur Staubexposition; in der Türkei sind diese in der Staubschutzverordnung (Tozla Mücadele Yönetmeliği) und den zugehörigen Rechtsvorschriften festgelegt.

Prüfung nach dem Zuschnitt

Prüfen Sie das geschnittene Teil entlang der Kanten auf Faserüberstände, Ausfransen, Brandspuren und abgehobene Decklagen. Kontrollieren Sie die Maße mit Messschieber oder Koordinatenmessgerät. Scharfe Kanten können leicht angeschliffen werden; bei Teilen, die in feuchter Umgebung arbeiten, verringert eine Versiegelung der Kanten mit Harz das Eindringen von Feuchte. Bei der Herstellung von Prüfkörpern können die Grundsätze zur Probenvorbereitung nach ASTM D5687 angewendet werden.

In der Praxis

Die OWC-Karbonplatte misst 500 × 250 × 6,5 mm, die Glasübergangstemperatur (Tg) des Harzes beträgt 140 °C; die Kantentemperatur beim Schneiden muss unter diesem Wert bleiben. Sie können die Platte auf Ihren eigenen Anlagen bearbeiten oder Ihre DXF-Datei beim CNC-Zuschnittservice hochladen, um den Preis zu sehen; die Teile werden aus der Platte geschnitten und versandt.

Häufig gestellte Fragen

Quellen

• Sheikh-Ahmad, J. Y. (2009). Machining of Polymer Composites. Springer.
• Teti, R. (2002). Machining of composite materials. CIRP Annals, 51(2), 611–634.
• Hocheng, H., Tsao, C. C. (2005). The path towards delamination-free drilling of composite materials. Journal of Materials Processing Technology, 167(2–3), 251–264.
• Liu, D., Tang, Y., Cong, W. L. (2012). A review of mechanical drilling for composite laminates. Composite Structures, 94(4), 1265–1279.
• Davim, J. P. (ed.) (2010). Machining Composite Materials. ISTE / Wiley.
• ASTM D5687/D5687M. Standard Guide for Preparation of Flat Composite Panels with Processing Guidelines for Specimen Preparation. ASTM International.
• Tozla Mücadele Yönetmeliği (Dust Control Regulation, Türkiye). Resmî Gazete, 5 November 2013, No. 28812.