02.06.2022

3D milling of CFRP prototypes from batch sizes of one

Compared to conventional metal designs, parts made of carbon fibre reinforced plastics (CFRP) are considerably lighter with the same load capacity. This offers great advantages – and not just in the aerospace industry. Low weight, high strength and low mass forces are also important in numerous other fields of application. CFRP is increasingly being used in racing cars, high-end bicycles or sports equipment, in machine engineering and for handling equipment or robots. As a development partner, MAPAL supports the development and implementation of turnkey processes with a high level of process expertise and an extensive range of tools.

The CFRP component in the workspace of the DMU milling centre.
  • Das CFK-Bauteil im Arbeitsraum des DMU-Fräszentrums.
  • Wulf Wagner, Produktmanager Composite-Technologie der ERIKS Deutschland GmbH.
  • Das Werkzeugpaket für die Bearbeitung des Testbauteils.
  • CAD/CAM-Programmierer Tizian Gühna von MAPAL bei der Bearbeitung an der DMU 80 monoBlock.
  • Das Testbauteil des Anwendungsfalles ist ein 100 mm dicker CFK-Block aus ERPATEX_CFS.
  • Tizian Gühna, Dr. Oliver Pecat (beide MAPAL), Wulf Wagner (ERIKS Deutschland), Sven Frank und Dr. Peter Müller-Hummel (beide MAPAL).

„Wir sind ein spezialisierter Industriedienstleister mit einer breiten Palette an technischen Produkten sowie Services und Lösungen. Der Bereich Composite umfasst verschiedenste Halbzeuge bis hin zu komplexen dreidimensionalen Bauteilgeometrien aus GFK und CFK“, erläutert Wulf Wagner, Produktmanager der Geschäftseinheit Composite-Technologie der ERIKS Deutschland GmbH. Gerade bei diesen Produkten erwarten die Kunden Unterstützung bei der gemeinsamen Entwicklung innovativer Lösungen für neue Produkte. Dank seiner schlagkräftigen Engineeringabteilung konstruiert, berechnet und fertigt das Unternehmen für seine Kunden auch komplette CFK-Komponenten als Prototypen oder in Serie. CFK-Formteile entstehen hierbei aus „Prepregs“. Dieses Faserhalbzeug ist bereits mit einem geeigneten, aber noch nicht ausgehärteten Harz getränkt. Bei der Serienfertigung presst das Compression Molding-Verfahren übereinandergelegte Prepregs in Formhälften mit entsprechend gestalteten Geometrien zusammen. Das heiße Werkzeug härtet das Harz aus, und es entsteht ein Bauteil mit der Kontur des gewünschten Teils. Für die metallischen Formhälften müssen allerdings fünfstellige Beträge investiert werden. Diese Kostenhürde erweist sich für viele potenzielle Anwender, die möglicherweise nur ein oder ein paar Bauteile benötigen, als Handicap.

Um Kunden gerade in der Startphase einer Entwicklung eine kostengünstige Alternative zu bieten, wurde das Standard-Plattenmaterial EPRATEX_CFS 100 entwickelt, wie Wulf Wagner erläutert. Dafür werden die gleichen Prepregs verwendet. Die einheitlich 100 mm dicken Platten sind in Abmessungen von bis zu 350 x 500 mm verfügbar. Aufgrund der wahllosen Orientierung der Fasern im Material sind die Eigenschaften weitgehend isotrop.

Wulf Wagner, Produktmanager Composite-Technologie der ERIKS Deutschland GmbH.
Wulf Wagner, Produktmanager Composite-Technologie der ERIKS Deutschland GmbH.   @MAPAL

Der validierte Herstellprozess gewährleiste die sichere Einhaltung der im Datenblatt angegebenen Eigenschaften für die konstruktive Auslegung, so Wagner. Variationen bezüglich Abmessungen, Dicke und Matrixsystem seien auf Anfrage möglich. Durch Zerspanung auf geeigneten Bearbeitungszentren lasse sich jede gewünschte Stückzahl vom Einzel-Bauteil bis zur Kleinserie herstellen.

Gesucht: Ein schlüsselfertiger Bearbeitungsprozess

„Während sich am Markt zahlreiche Anbieter von CFK-Laminatplatten mit geringer Wanddicke tummeln, sind 100 mm dicke Platten etwas Besonderes“, weiß Sven Frank, Global Head of OEM Management bei MAPAL. Da die Bearbeitung von CFK allerdings nicht ganz einfach ist, suchte ERIKS nach einem schlüsselfertig validierten und optimierten Bearbeitungsprozess. Und es kam zum Kontakt mit MAPAL. Neben einem umfangreichen Werkzeugprogramm für die Bearbeitung von CFK-Werkstoffen verfügt der Präzisionswerkzeughersteller über hohe Kompetenz in der Prozessauslegung und -umsetzung. „Darüber hinaus steht unser technisch wie personell hervorragend ausgestattetes Forschungs- und Entwicklungszentrum für Testbearbeitungen zur Verfügung“, erläutert Frank und betont: „All diese Ressourcen bringt MAPAL gerne in gemeinsam mit Kunden durchgeführte Entwicklungsprojekte ein.“ Dabei stelle man sich jeder Herausforderung. Bei dem von ERIKS gewählten Testbauteil handelt es sich um einen Winkel in Standardgeometrie aus dem Euro Greifer Tooling (EGT) System, das in Aluminiumausführung in der deutschen Automobilindustrie in großen Stückzahlen verwendet wird. Der RCG Omega Winkel ist um 30 Prozent leichter und ermöglicht signifikante Vorteile bei der Kon­struktion von Euro Greifer Tooling (EGT) Systemen.

CAD/CAM-Programmierer Tizian Gühna von MAPAL bei der Bearbeitung an der DMU 80 monoBlock.
Die fünfachsige Bearbeitung erfolgte auf einer DMU 80 monoBlock im Versuchszentrum von MAPAL.  @MAPAL

Besondere Anforderungen an die Werkzeuge

„Der Kohlenstoff in den Carbonfasern des CFK weist teils diamantähnliche Strukturen auf. Unbeschichtete Vollhartmetallwerkzeuge halten diesem extrem abrasiven Material nicht lange stand“, erklärt Dr.-Ing. Oliver Pecat, Teamleiter Entwicklung Aerospace bei MAPAL: „Innerhalb eines Meters Fräsweg im Vollschnitt schnellt der Schneidkantenradius eines frisch geschliffenen Vollhartmetallfräsers von 2 µm auf 15 bis 20 µm hoch, während sich die Zerspankräfte verdreifachen.“ Kostenintensivere Werkzeuge mit PKD-Einsätzen (polykristalliner Diamant) hielten besser, ließen dem Werkzeugkonstrukteur aber wesentlich geringere Freiheitsgrade bei der Geometrie. Für die CFK-Bearbeitung setzt MAPAL daher bevorzugt auf diamantbeschichtete Vollhartmetallwerkzeuge. Die hier eingesetzte, hochharte und abrasionsbeständige CVD-Beschichtung stellt MAPAL seit Anfang 2021 im eigenen Haus her. „Insgesamt haben wir die Bearbeitung des Winkels von ERIKS mit zehn Werkzeugen ausgelegt“, so Pecat. „Neben dem EcoFeed Planfräser mit PKD-Fräseinsätzen kommen verschiedene Ausführungen des OptiMill-Composite-Speed in Schrupp-Schlichtausführung sowie des MEGA-Drill-Composite-UDX zum Einsatz, allesamt in der Bearbeitung von Verbundmaterialien bewährte und prozesssichere Werkzeuge.“
Das Werkzeugpaket für die Bearbeitung des Testbauteils.
Das ausgewählte Testbauteil wird mit zehn verschiedenen Werkzeugen von MAPAL bearbeitet.  @MAPAL

With MAPAL to the optimum machining process

The project allowed the R&D department to make full use of its extensive capabilities to design and validate an optimal machining process: the CAD geometry data was transferred with the aid of two of the four CAD/CAM programmes available in-house – Siemens NX and Solidcam. The developers carried out all the machining processes in comprehensive application simulations. Machine properties and clamping situations were taken into account. The development of the process steps was iterative – idea, simulation, test and evaluation. “The successful completion of the development opens up a market with a lot of future potential for both ERIKS and MAPAL”, concludes Sven Frank.

Special features of CFRP machining

“CFRP workpiece materials behave totally differently to metals during machining because the carbon fibres break brittly”, says Tizian Gühna, CAD/CAM programmer at MAPAL. With metals, the heating of the workpiece is largely based on the energy absorption through plastic deformation of the chips before breaking off. The carbon fibres in the CFRP workpiece break completely brittly as soon as the stress in the material exceeds a critical point. Hardly any heat is generated in the process. Consequently, the cutting speed can easily be increased to high values as soon as the other parameters of the process are set. Of course, the rigidity of the machine and the clamping setup as well as the avoidance of vibrations have to be taken into account.
The test component of the use case is a 100 mm thick CFRP block made of ERPATEX_CFS.
Solid, 100 mm thick CFRP block made of EPRATEX_CFS 100 and the test component produced from it by milling.   @MAPAL

Parts for numerous high-tech sectors

“In aircraft construction, there is a great demand for carbon-fibre parts that have been produced using validated processes”, says Dr Peter Müller-Hummel, Component Manager for Aerospace and Composites at MAPAL. Particularly in the interior of passenger aircraft, there are countless parts with medium to low safety classifications such as seat fasteners, cable holders and pipes. These often have to be adapted during the development and testing of a new aircraft, which results in a large demand for parts in smaller quantities. Müller-Hummel also sees a high demand for small series parts in a host of other sectors such as the automotive industry, machine engineering or medical technology, where the EPRATEX_CFS 100 panel material is ideal.
Tizian Gühna, Dr Oliver Pecat (both MAPAL), Wulf Wagner (ERIKS Deutschland), Sven Frank and Dr Peter Müller-Hummel (both MAPAL).
Erfolgreiche Zusammenarbeit, von links: Tizian Gühna, Dr. Oliver Pecat (beide MAPAL), Wulf Wagner (Produktmanager Composite-Technologie, ERIKS Deutschland), Sven Frank und Dr. Peter Müller-Hummel (beide MAPAL).   @MAPAL

Mit MAPAL als Innovationspartner „hoch zufrieden“

„Mit MAPAL gab es schon seit Jahren Kontakte und erfolgreiche Kooperationen bei der Lösung unterschiedlichster Aufgabenstellungen“, erinnert sich Wulf Wagner. Somit habe es eine solide Vertrauensbasis gegeben. Auch diesmal sei es nach der ersten Kontaktaufnahme schnell gegangen: Innerhalb von nur zwei Wochen habe MAPAL entschieden, das Projekt nicht nur anzugehen, sondern ihm auch hohe Priorität einzuräumen. Auf der Arbeitsebene klappte die Kommunikation mit den verschiedenen Fachabteilungen und den dortigen Mitarbeitern auf Anhieb sehr gut. Das angestrebte Ziel ist in der erfreulich kurzen Zeit von nur zweieinhalb Monaten erreicht worden. „Deshalb werden wir bei künftigen Entwicklungsvorhaben sicherlich wieder dort anklopfen“, bilanziert Wulf Wagner.

Kathrin Rehor, PR Project Manager bei MAPAL

Kontakt

Kathrin Rehor Public Relations kathrin.rehor@mapal.com Tel.: +49 7361 585 3342


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