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Fakultät Maschinenbau

Leichte und schwingungsdämpfende hybride FVK-Metall-Rohre mit strukturintegrierter Sensorik für BTA-Tiefbohrprozesse

Das BTA-Tief­bohren ist ein Verfahren zur Erzeugung von Bohrungen mit hohen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnissen. Die erforderlichen Werkzeuglängen führen hierbei jedoch zu einer erhöhten Schwingungsneigung des Werkzeug­systems. Starke Torsionsschwingungen beim Bohren, die vor allem bei der Bearbeitung hochlegierter Werkstoffe entstehen, führen zu erhöhtem Verschleiß der Schneiden und Führungsleisten sowie zu einer reduzierten Bohrungsgüte. Eine Möglichkeit zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens ist der Einsatz von Bohrrohren aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK). Die aus der heterogenen Struktur aus Glas- bzw. Kohlenstofffasern und der polymeren Matrix resultierende Schwingungsdämpfung wirkt sich positiv auf das Verschleißverhalten und die Bohrungsqualität aus. Aufgrund der  typischer­weise hohen Bauteilkosten stellt zudem die damit einhergehende Steigerung der Prozesssicherheit einen großen Vorteil dar.

Aufgrund vielversprechender Voruntersuchungen mit einem CFK-Prototypen (s. Abbildung) soll daher in diesem Kooperationsprojekt des Instituts für Spanende Fertigung (ISF), des Leibniz-Instituts für Polymerforschung Dresden (IPF) und des Fraunhofer-Instituts für Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP) ein hybrides FVK-Bohrrohr mit strukturintegrierter Sensorik entwickelt werden. Neben den Erfahrungen aus Grund­lagen­unter­suchungen zum BTA-Tief­bohren und zur Herstellung, zum Einsatz und zur messtechnischen Überwachung von Metall-CFK-Leichtbaustrukturen ist durch die Kooperation mit den Firmen carbovation, BGTB und Kaiser Maschinenbau und Zerspanungstechnik von der Entwicklung über die Konstruktion und Herstellung der Bohrrohre bis zur Einsatzvalidierung die Unterstützung und der Einfluss der Expertise industrieller Partner sichergestellt. Zur Qualifizierung für den industriellen Einsatz stehen bei der Entwicklung des FVK-Bohrrohrs neben dem direkten Einfluss auf den Tiefbohrprozess und damit auf den Werkzeugverschleiß und die Bohrungsgüte zudem die materialspezifischen Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen (Laminataufbau, KSS-Einfluss, hybride Verbindungselemente) und die senso­rische Erfassung der im Verbund wirkenden Belastungen im Fokus. Der Einsatz von FVK für Werkzeugsysteme erfordert Untersuchungen der Wechsel­wirkungen der Matrix und der Fasern mit anderen Maschinenkomponenten, z.B. im Bereich von Dichtstellen oder Kontaktstellen am Dämpfungssystem, sowie mit KSS und Spänen. Zudem muss für den Einsatz strukturintegrierter Sensorik der Faserwickelprozess hinsichtlich der Anbindung der Sensorfasern bei möglichst geringem Einfluss auf den Faserverbund entwickelt werden.

Es erfolgen im Rahmen des Projekts umfassende experimentelle und simula­tionsgestützte Untersuchungen zur Schwingungsoptimierung und zur Anpas­sung des Laminataufbaus an den Zerspanprozess. Korrosionsvorgänge bei direktem Kontakt zwischen Fasern und Metall machen zur dauerhaften Anbindung von metallischen Komponenten die Entwicklung hybrider Verbindungssysteme erforderlich. Mithilfe einer Datenleitung zu Sensoren im Bohrkopf und Sensoren im Laminat des Bohrrohrs werden die prozessparallele Erfassung wichtiger Prozessgrößen und kritischer Belastungsfälle und so ein Condition Monitoring des Werkzeugsystems untersucht.

© ISF
a) Aufbau FVK-Bohrrohr b) BTA-Tiefbohrmaschine mit Messtechnik c) Reduzierung der Torsionsschwingungen durch den Einsatz eines CFK-Bohrrohrs