Untersuchungen zum Bohren des Faser-Metall-Laminates Glare sowie von Glare-Schichtverbunden (PDF)

Das Faser-Metall-Laminat Glare ist ein neuer Werkstoff im Flugzeugbau und besteht aus dünnen Al-Blechen und GFK-Schichten. Er wurde an der TU Delft entwickelt und besitzt im Vergleich mit Aluminium ein verbessertes Verhalten gegenüber Werkstoffermüdung. Erstmals wird Glare beim Airbus A380 in Rumpfstrukturen serienmäßig verwendet. Daher war vor dem Hintergrund der Montage von Bauteilen durch Nieten eine Untersuchung der Zerspanbarkeit von Glare durch Bohrprozesse dringend erforderlich. Ergebnisse über Bohr-Untersuchungen zu diesem Themenkomplex unter Verwendung von VHM-Werkzeugen lagen nicht vor.

Ziel dieser Arbeit war, durch grundlegende Untersuchungen des Bohrprozesses von Glare sowie von Glare-Schichtverbunden unter Beteiligung von Titan, Aluminium und CFK, Erkenntnisse für die Gestaltung von Bohrwerkzeugen und Prozessdaten zu gewinnen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass im Vergleich zu früheren Untersuchungen über das Bohren von Schichtverbunden aus metallischen Blechen der Werkstoff Glare in sich schon ein geschichteter Verbund aus sehr dünnen Al-Blechen und GFK-Lagen ist. Die durchgeführten Bohr-Untersuchungen mit VHM-Werkzeugen beinhalten die Ermittlung von Zerspankräften und Zerspantemperaturen sowie der Bohrungsqualität mit Blick auf Bohrungsdurchmesser und Bohrungsaustritte bei Vermeidung von Delaminationen. Außerdem wurden die Spanbildung und der bei unterschiedlichen Schnittbedingungen auftretende Werkzeugverschleiß erfasst.

Zunächst wurden theoretische Überlegungen zum Verlauf von Schnittmoment und Vorschubkraft, zur Zerspantemperatur, zur Spanbildung und zum Auftreten von Delaminationen angestellt. Insbesondere der zu erwartende schwingungsförmige Verlauf der Zerspankraftkomponenten stand im Vordergrund der Betrachtungen und ist Folge der mit dem Bohrweg schwankenden Spanungsbreiten im Al und GFK. Hieraus ergibt sich, dass nur Werkzeuge mit einer Bohrerspitzenhöhe, die gleich der Schichtdicke aus einem Al-Blech und einer GFK-Schicht ist oder einem ganzzahligen Vielfachen dieser Schichtdicken entspricht, zu keinem schwingungsförmigen Verlauf führen werden. Somit haben der Werkzeugdurchmesser und der Spitzenwinkel einen entscheidenden Einfluss auf die Dynamik des Zerspankraftverlaufes. Diese Grundaussagen wurden im Rahmen der Bohruntersuchungen bestätigt. Aus den Ergebnissen der Zerspankraft-Untersuchungen konnten Hauptwerte kMc1.1 und kf1.1 sowie Anstiegswerte mMc und mf bestimmt werden, so dass zukünftig über mathematische Beziehungen die Mittelwerte von Schnittmoment und Vorschubkraft beim Bohren von Glare zu berechnen sind.

Die Versuche zur Zerspantemperatur in Glare ergaben Erkenntnisse über den Wärmefluss, der durch die isolierende Wirkung der GFK-Schichten in Bohrrichtung behindert wird. Eine thermische Schädigung der GFK-Lagen durch den Bohrprozess kann ausgeschlossen werden. Die Werkzeuge verschleißen im Wesentlichen abrasiv durch die Glasfasern, wobei festgestellt werden konnte, dass bei bestimmten Schnittbedingungen die Al-Verklebungen einen Schutz gegenüber abrasivem Verschleiß darstellen können. In diesem Zusammenhang ist auch die Frequenz des Zerspankraftverlaufes zu beachten, die bei zu hohen Werten zu Eckenausbrüchen führen kann. Bezüglich der Toleranzen wurde ermittelt, dass die Bohrungsdurchmesser in der Qualität H8 ohne Schwierigkeiten mit VHM-Werkzeugen zu fertigen sind. Ferner wurde im Rahmen vorliegender Arbeit eine Vorrichtung entwickelt, die es erlaubt, Bohrungen zerstörungsfrei mit Hilfe eines Boreskopes auf Schädigungen zu untersuchen. So konnten beim Bohren von Glare und Glare-Schichtverbunden keine Delaminationen festgestellt werden.