Experimental Study On Delamination, Mechanical Loads and Tool Wear in Drilling of Woven Composite Laminates

(Experimentelle Untersuchungen zur Delamination, dem mechanischen Belastungskollektiv und dem Wekzeugverschleiß bei der Bohrungsherstellung in GFK- und CFK-Laminaten)

Faraz, A.

Die besonderen Werkstoffeigenschaften von faserverstärkten Kunstoffen (FVK) und ihr hohes Anwendungspotenzial für Leichtbaustrukturen führen zu einer zunehmenden Nachfrage im Bereich der Flugzeug- und Automobilindustrie, unter anderem um konventionelle Materialien zu ersetzen. Die hohen Anforderungen beim Bohren von FVK erschweren eine sichere Prozessbeherrschung, wobei die auftretenden Verschleißmechanismen am Werkzeug und die einsetzenden Schädigungsmechanismen im Werkstoff zu einer Beeinträchtigung der Werkstückqualität führen. Um ein erweitertes Prozessverständnis entwickeln und geeignete Verbesserungsmaßnahmen ableiten zu können, müssen zunächst die maßgeblichen Wirkmechanismen erfasst und beschrieben werden. Im Gegensatz zu metallischen Werkstoffen stellt bei der Bohrungsfertigung in FVK-Werkstoffe das Auftreten von Delaminationserscheinungen ein kaum beherrschbares Phänomen dar. Die Inhalte dieser Dissertation befassen sich deshalb mit der experimentellen Erforschung des Bohrprozesses an textilverstärktem Kohlenstoff- (CFK) und Glasfaserepoxidharz (GFK), sog. Composites. In den Untersuchungen wurden unbeschichtete Hartmetallbohrer mit unterschiedlicher Werkzeuggestalt eingesetzt und die beim Bohren auftretende Vorschubkraft und das Bohrmoment gemessen. Für eine genauere Quantifizierung der an Bohrungsein- und -austritt hervorgerufenen Delamination wurde ein optimiertes Beurteilungskriterium verwendet. Die Analyse des Kräfte- und Momentenverlaufs zeigt, dass für die finale Phase während der Erzeugung des Bohrungsdurchmessers beim Bohren von GFK die Belastung durch Einsatz einer angepassten Werkzeuggestalt maßgeblich reduziert werden kann. Die an CFK auf Basis eines vollfaktoriellen Versuchsplanes durchgeführten Bohrversuche führen nicht zu einer uneingeschränkten Bestätigung der in der Literatur angegebenen mathematischen und analytischen Modell zur Korrelation der Vorschubkraft mit der verursachten Delamination. Insgesamt kann gezeigt werden, dass positive Spanwinkel in Verbindung mit einem scharfen Schneidkantenzustand am besten geeignet sind, um Delaminationen zu reduzieren. Weiterhin konnte durch die qualitative Analyse von digitalen Hochgeschwindigkeitsvideoaufnahmen der Mechanismus der Austrittsdelamination an textilverstärktem CFK näher bestimmt und erklärt werden. Eine Gegenüberstellung der Prozessführung zum Vollbohren im Vergleich zum Aufbohren beweist, dass die Querschneide im Gegensatz zur bisher allgemeinen Annahme nicht die wesentliche Ursache bei der Entstehung von Delaminationen ist. Anhand von Standzeituntersuchungen wurde der Verschleißzustand mehrerer Bohrwerkzeuge analysiert. Dazu ist ein wichtiges Verschleißkriterium zu berücksichtigen, welches in Anlehnung an die Kantenverrundung eine Beurteilung der Schärfe der Schneidkante ermöglicht. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung der Entwicklung von Vorschubkraft und Bohrmoment sowie der auftretenden Delamination in Abhängigkeit von der Kantenverrundung. Durch die Auswertung des sich einstellenden Freiflächenverschleißes konnten die erzielten Ergebnisse einer Validierung unterzogen werden. Die in dieser Arbeit vorgestellten Methoden zur Analyse und Bewerrtung der Ursachen- und Wirkmechanismen zur Entstehung von Delaminationen stellen einen wichtigen Erkenntnisfortschirtt auf dem Weg zu einer prozessicheren Bohrungsfertigung in FVK dar.

Veröffentlicht als

Dissertation, Technische Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2011, ISBN 978-3-8027-8761-4