Bewerken composietmateriaal

Nieuwe wegen bij het verwerken van composiet materiaal
Rhenus Lub: “Met een speciaal koelsmeermiddel dichter bij het optimum”

Composietmaterialen zoals koolstofvezelversterkte kunststof (CFK) of glasvezelversterkte kunststof (GFK) zijn vanwege hun bijzondere eigenschappen een belangrijk materiaal voor veel branches. Ze zijn echter moeilijk bewerkbaar. Boren en verspanen wordt hier traditioneel droog uitgevoerd – de werkstukken bezorgen de operators echter vaak hoofdbrekens door een minder goede kwaliteit en veel afgekeurd materiaal. De smeermiddelenfabrikant Rhenus Lub slaat wat betreft de CFK  bewerking een toekomstgerichte weg in: verspanen met speciaal ontwikkelde koelsmeermiddelen.

Lichter is beter

Branches zoals de auto-industrie, de luchtvaart- en ruimtevaartsector zijn aangewezen op lichtgewicht, maar tegelijkertijd uiterst sterke en duurzame materialen. De redenen liggen voor de hand: waar versnelling en snelheid een rol spelen, laat gewichtsreductie zich al snel vertalen in bedrijfskostenreductie. Naast de sterke lichtmetalen aluminium, magnesium of titanium nemen met name de vezelcomposietmaterialen een steeds belangrijkere plaats in. Prominente vertegenwoordigers daarvan zijn: de koolstofvezelversterkte kunststoffen. Deze zijn niet alleen uitzonderlijk licht, maar hebben ook een uitstekende stabiliteit.

Droge bewerking nader beschouwd: de nadelen overheersen

Zo gewild als composietmaterialen zijn, zo inefficiënt is de nog veel toegepaste droge verspaning van dit innovatieve materiaal. Hoewel onderdelen van CFK al bijna in hun definitieve vorm worden vervaardigd en er vaak alleen nog “eenvoudige” bewerkingen zoals boren of frezen nodig zijn, kunnen er bij droge verspaning problemen ontstaan met ernstige gevolgen. Voor veel kenners van deze materialen is dat al lang geen geheim meer. Maar omdat een werkelijk alternatief voor de droge bewerking ontbrak, werden de problemen en het daarmee verbonden meerwerk tot nu toe min of meer voor lief genomen.

Belangrijkste breekpunt: de hoge toegevoegde waarde van de bewerkte werkstukken – een allesbehalve te ontkennen nadeel. Dit komt tot stand doordat de onderdelen – hoewel de snelheid en aanvoerbeweging bij de bewerking zeer gering zijn – door delaminatie en vezelsplijting vaak kwalitatief ontoereikend zijn. Tegelijkertijd worden de gereedschappen zwaar belast: door de vezels in het composietmateriaal slijten boor-, frees- en schuurapparaten zeer snel en moeten de gereedschappen vaak gewisseld worden. Om deze sterke slijtage tegen te gaan, worden vooral hoogwaardige gereedschappen van polykristallijn diamant of met diamant-achtige coatings ingezet. Al snel doemt het bezwaar op van de hoge gereedschapskosten, die het concurrentievermogen van dit vernieuwende materiaal sterk kunnen beïnvloeden.

Maar ook wat betreft veiligheid en gezondheidsbescherming roept de droge CFK-bewerking veel vragen op. Met name het bij de verspaning vrijkomende fijnstof zorgt voor problemen. Grote hoeveelheden van de kleine deeltjes kunnen een negatieve invloed hebben op de gezondheid van de bij de productie betrokken medewerkers. Om de medewerkers niet in gevaar te brengen, moeten ondernemers in de werkruimte ventilatie- en filtersystemen installeren – een kostbare voorziening, die echter voor een adequate bescherming tegen vezelstof noodzakelijk en voorgeschreven is.

Als de aanzienlijke kosten en het mogelijke gezondheidsrisico in aanmerking worden genomen, dringt de vraag zich op: waarom überhaupt beginnen  met een droge bewerking van vezelversterkte kunststof?

Toekomstgerichte oplossing van Rhenus Lub

Omdat de droge bewerking van deze zeer sterke materialen een waagstuk is dat economisch en qua gezondheid moeilijk te rechtvaardigen is, kunnen alternatieve methoden de sleutel tot verbetering zijn. Voor smeermiddelenfabrikant Rhenus Lub, gespecialiseerd in hoogwaardige koelsmeermiddelen en -vetten, zijn moeilijk te bewerken materialen en de daarmee verbonden uitdagingen (hoge gereedschapsslijtage, minder goede werkstukkwaliteit, gezondheidsrisico’s) niet nieuw. Voor een toekomstbestendige bewerking van vezelcomposiet-kunststoffen introduceert het bedrijf uit Mönchengladbach een veelbelovende oplossing: het gebruik van speciaal voor  deze toepassing ontwikkelde koelsmeermiddelen.

De  gespecialiseerde ontwikkelingsafdeling test al  sinds enige tijd de bewerking van CFK met koelsmeermiddelen en heeft zich voor dit onderzoeksproject vanaf het begin aan sterke partners gelieerd waarmee synergieën voor dit innovatieve project  gegenereerd worden. Zo wordt het bedrijf uit Mönchengladbach voor het testen van nieuw ontwikkelde koelsmeermiddelen bijgestaan door het Onderzoeks- en Transfercentrum van de Westsächsische Hochschule in Zwickau (FTZ). Het FTZ onderzoekt in geschiktheidstests die de productie zo getrouw mogelijk simuleren, gereedschappen en werkstukken op slijtage en bewerkingskwaliteit. Daarnaast is er een nauwe samenwerking met het Duitse centrum voor lucht- en ruimtevaart (DLR), waarimee materiaaltests en effectonderzoeken op vezelversterkte kunststoffen worden uitgevoerd.

Logische volgende fase in de evolutie

Dit veelbelovende alternatief voor de conservatieve bewerkingsmethode zal bepaalde marktpartijen wellicht verrassen. Voor Rhenus Lub met zijn omvangrijke marktkennis, jarenlange onderzoeksexpertise en chemische knowhow is het echter de logische volgende fase in de evolutie, zoals Dr. Hans Jürgen Schlindwein, hoofd R&D, Kwaliteitscontrole koelsmeermiddelen bij Rhenus Lub, weet: “Wij streven ernaar om met onze producten- en dienstverlening voor onze klanten het optimum van de meest uiteenlopende bewerkingsoperaties altijd zo dicht mogelijk te benaderen. Het gebruik van speciale koelsmeermiddelen kan  precies dat bereiken voor de CFK-verspaning, zoals onze groot opgezette praktijktests bevestigen. Op de oude voet doorgaan, zou daarbij een echte belemmering van de innovatie zijn.” De eerste uitgekristalliseerde producten zijn de twee speciale koelsmeermiddelen rhenus XY 190 FC en rhenus XT 46 FC. “Ze kunnen worden gebruikt voor de bewerking van vezelcomposiet-kunststoffen zoals koolstof- of glasvezel en zorgen ervoor dat het prestatievermogen van droge bewerkingsprocessen onder bepaalde omstandigheden sterk in twijfel wordt getrokken”, aldus Schlindwein.

Overtuigende praktijkresultaten

Industriële veldonderzoeken met geselecteerde klanten uit de auto-industrie laten zien dat het gebruik van speciale koelsmeermiddelen voor de bewerking van CFK en GFK onmiddellijk de kwaliteit van de sneden en boringen, de kosten per boring, de proces- en afkeuringskosten alsmede verdere proceskarakteristieken positief beïnvloedt.

De directe vergelijking in de industriële veldtest (1) toont de voordelen van CFK-bewerking met koelsmeermiddelen ten opzichte van de traditionele droge bewerking: met koelsmeermiddel werden in de uitgevoerde tests tot vier keer langere standtijden van de gereedschappen bereikt. Door hogere aanvoersnelheden (tot 60% meer) konden de productietijden aanzienlijk worden verkort. De hoge warmteafvoer en het zeer goede smeervermogen van het speciale koelsmeermiddel maken daarbij snijwaarden mogelijk die bij een droge verspaning ondenkbaar zouden zijn.

Gereedschap Snijgegevens zonder koelsmeermiddel Snijgegevens met koelsmeermiddel Zonder koelsmeermiddel Met speciaal koelsmeermiddel
Massief hardmetalen frezen, met piramidevormige vertanding, Ø6 8.500 1/min
1.200 mm/min
13.500 1/min
2.000 mm/min
6 werkstukken
= 42 m
40 werkstukken
= 150 m
Massief hardmetalen frezen, Ø4,8 7.600 1/min
700 mm/min
7.600 1/min
700 mm/min
10 werkstukken
= 1,7 m
40 werkstukken
= 6,8 m

(1) Snijgegevens met elkaar vergeleken (zonder koelsmeermiddel en met speciaal koelsmeermiddel)

Ook de bewerkingsnauwkeurigheid en maatvastheid werden door het gebruik van speciale koelsmeermiddelen beter, zoals (2) en (3) laten zien. Met de speciale koelsmeermiddelen rhenus XY 190 FC en rhenus XT 46 FC werkten de gereedschappen vergeleken met de droge bewerking wezenlijk nauwkeuriger en bleven ze ook wat betreft maatvastheid duidelijk vaker binnen het gedefinieerde tolerantiebereik.

Diagram bewerkingsnauwkeurigheid

(2) Bewerkingsnauwkeurigheid bij CFK-boringen

Diagram CFK-boringen

(3) Maatvastheid bij CFK-boringen

Gereedschap:

Ongecoate boor van
massief hardmetaal 6,0h7
Vc = 120 m/min
fu = 0,06 mm
280 boringen
Prijs/stuk: < 10 €

CFK:

10 mm dik
0/90° vezelvlies
HTA-vezels

De betere kwaliteit van de met speciaal koelsmeermiddel uitgevoerde boringen was in test runs al met het blote oog duidelijk zichtbaar: (4), (5), (6) en (7).

Standlengte

(4) Industriële veldtest wijst kwalitatief beter resultaat uit met koelsmeermiddel-bewerking

(5) In- en uitgaan bij het boren – minder delaminaties door speciaal koelsmeermiddel

Aanvoerlengte

(7) Oppervlaktekwaliteit bij het frezen: betere resultaten door speciaal koelsmeermiddel

Boorwand

(6) Gladde en glanzende boorwand bij bewerking met koelsmeermiddel

Geringere afwijkingen en een hogere maatvastheid zorgen niet alleen voor minder afgekeurde onderdelen, maar tegelijkertijd voor een hogere kwaliteit van de onderdelen. Delaminatie wordt voorkomen en er hoeven minder delen te worden nabewerkt.

Ondanks de hogere aanvoer, de verbeterde snijsnelheid en de nauwkeurigere bewerking hadden in de veldtests gereedschappen zoals boren en frezen minder te lijden (8). Positieve gevolgen: een hogere standtijd van de gereedschappen en lagere kosten door verminderde gereedschapsslijtage.

zonder koelsmeermiddel

met speciaal koelsmeermiddel

(8) Industriële veldtest: gereedschapsslijtage bij CFK-bewerking zonder  en met speciaal koelsmeermiddel

Met medewerking van het Duitse centrum voor lucht- en ruimtevaart werden bovendien in test runs onder worst-case-omstandigheden (opslag van het CFK gedurende een week bij 60 graden Celsius in het koelsmeermiddel, tests tot -50 graden Het resultaat is positief: de korte inwerktijd van het koelsmeermiddel tijdens de verspaning zal de materiaalspecificaties van het CFK niet veranderen, en ook binnendringen van het koelsmeermiddel in het composietmateriaal kon niet worden waargenomen.

Door het gebruik van koelsmeermiddelen wordt het stof optimaal gebonden, hetgeen bijdraagt aan een verbeterde gezondheidsbescherming. Daardoor is deze methode bij procesverantwoordelijken en machine-operators in hoge mate geaccepteerd. Tegelijkertijd blijven machineruimtes door de bijzondere spoelwerking van de speciale koelsmeermiddelen schoner.

Met speciale koelsmeermiddelen als voorloper in de verspaning van vezelcomposietmaterialen

Ir. Meinhard Kiehl, directeur Marketing en Productmanagement bij Rhenus Lub, ziet zijn bedrijf met deze innovatieve methode en de bijbehorende hoogwaardige koelsmeermiddelen als voorloper: “Met ons streven om koolstof en andere composietmaterialen met speciaal ontwikkelde koelsmeermiddelen te bewerken, luiden we een nieuw tijdperk in. Dat is niet alleen interessant voor de procesverantwoordelijken, die tot dusverre regelmatig met de deels zeer onbevredigende resultaten van de droge koolstofbewerking werden geconfronteerd. Zelfs bedrijven die momenteel weliswaar koelsmeermiddelen inzetten maar nog geen koolstof bewerken, kunnen met onze speciaal voor vezelcomposietmaterialen ontwikkelde vloeistoffen dit uiterst sterke materiaal nu ook probleemloos met hun bestaande machines bewerken en zo hun dienstenportfolio uitbreiden. Dat biedt een groot potentieel voor toekomstige bedrijvigheid. “Als het gaat om een gezondheidsvriendelijke en economisch verantwoorde verspaning van vezelcomposietmaterialen en om een duurzaam concurrentievermogen van deze veelbelovende materialen, is het motto: op den duur kunnen we niet om koelsmeermiddelen heen.”

Hans Jürgen SchlindweinDr. Hans Jürgen Schlindwein
Hoofd O&O, afdeling Kwaliteitscontrole KSM

Telefoon +49 2161 5869-249

schlindwein@rhenusweb.de

Artikel downloaden