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.
„We are a specialised industrial service provider with a wide range of technical products as well as services and solutions. The area of composites covers a wide range of semi-finished products through to complex three-dimensional component geometries made of GRP and CFRP“, explains Wulf Wagner, Product Manager of the Composite Technology business unit at ERIKS Deutschland GmbH. Particularly for products as these, customers expect support in the joint development of innovative solutions. Thanks to its exceptional engineering department, the company also designs, calculates and manufactures complete CFRP components for its customers as prototypes or in series.
CFRP moulded parts are created from „prepregs“. This semi-finished fibre product is already impregnated with a suitable resin that has not yet cured. In series production, the compression moulding process presses prepregs, which have been laid on top of each other, into mould halves with appropriately designed geometries. The hot tool cures the resin and a component with the contour of the desired part is produced. However, five-figure sums have to be invested in the metallic mould halves. This cost barrier is proving to be a drawback for many potential users who may only need one or a few parts.
Wulf Wagner, Product Manager Composite Technology at the ERIKS Deutschland GmbH.
@MAPAL
In order to offer customers a cost-effective alternative, especially in the start-up phase of a development, the standard insert material EPRATEX_CFS 100 was developed, as Wulf Wagner explains. The same prepregs are used for this. The uniformly 100 mm thick panels are available in dimensions up to 350 x 500 mm. The random orientation of the fibres in the material means that the properties are largely isotropic. The validated manufacturing process ensures reliable compliance with the properties specified in the data sheet for the structural design. Variations in dimensions, thickness and matrix system are possible on request. By machining on suitable machining centres, any desired number of pieces can be produced, from individual parts to small series.
Wanted: a turnkey machining process
“While there are numerous suppliers of CFRP laminate panels with low wall thickness on the market, 100 mm thick panels are special”, says Sven Frank, Global Head of OEM Management at MAPAL. However, since machining CFRP is not that simple, ERIKS was looking for a turnkey validated and optimised machining process. Wulf Wagner came into contact with MAPAL. In addition to an extensive range of tools for machining CFRP workpiece materials, the precision tool manufacturer has a high level of expertise in process design and implementation. “What’s more, our research and development centre, which is eminently equipped both technically and in terms of personnel, can do test machining”, explains Frank. He emphasises: “MAPAL is happy to contribute all these resources to development projects that we conduct jointly with customers.” In doing so, the company is ready to take on any challenge. The test component chosen by ERIKS is a bracket in standard geometry from the Euro Gripper Tooling (EGT) system, which is used in large quantities in the German automotive industry in an aluminium design. The RCG Omega bracket is 30 per cent lighter and enables significant advantages in the design of Euro Gripper Tooling (EGT) systems.
The five-axis machining was carried out on a DMU 80 monoBlock in MAPAL‘s test centre.
@MAPAL
Special demands for the tools
“The carbon in the carbon fibres of CFRP sometimes has diamond-like structures. Uncoated solid carbide tools cannot withstand this extremely abrasive material for long”, explains Dr Oliver Pecat, Team Leader for Aerospace Development at MAPAL. “Within one metre of milling path in a full cut, the cutting edge radius of a freshly ground solid carbide milling cutter skyrockets from 2 µm to 15 or 20 µm, while the cutting forces triple.” More cost-intensive tools with PCD (polycrystalline diamond) inserts hold up better but leave the tool designer with far fewer degrees of freedom in the geometry. For CFRP machining, MAPAL thus prefers diamond-coated solid carbide tools. MAPAL has been producing the extremely hard and abrasion-resistant CVD coating used in this case in-house since the beginning of 2021. “In total, we’ve designed the machining of the ERIKS bracket with ten tools”, says Pecat. “In addition to the EcoFeed face milling cutter with PCD milling inserts, various versions of the OptiMill-Composite-Speed solid carbide milling cutter in a roughing-finishing design and the MEGA-Drill-Composite-UDX are used, all of which are proven and process-reliable tools in the machining of composite materials.”
The test component chosen by ERIKS is machined with ten different tools from MAPAL.
@MAPAL
Mit MAPAL zum optimalen Bearbeitungsprozess
Im Rahmen des Projekts konnte die R&D-Abteilung ihre umfassenden Möglichkeiten zur Konzipierung und Validierung eines optimalen Bearbeitungsprozesses voll ausspielen: Die CAD-Geometriedaten wurden mithilfe von zwei der vier im Hause vorhandenen CAD/CAM-Programmen – Siemens NX und Solidcam – übernommen. In umfassenden Einsatzsimulationen führten die Entwickler alle Bearbeitungsabläufe durch. Berücksichtigt wurden auch Maschineneigenschaften und Spannsituationen. Die Entwicklung der Prozessschritte erfolgte iterativ – Idee, Simulation, Versuch und Auswertung. „Mit dem erfolgreichen Projektabschluss eröffnet sich sowohl für ERIKS als auch für MAPAL ein Markt mit viel Zukunftspotenzial“, schlussfolgert Sven Frank.
Besonderheiten der CFK-Bearbeitung
„CFK-Werkstoffe verhalten sich bei der Bearbeitung gänzlich anders als Metalle, weil die Carbonfasern spröde brechen“, sagt Tizian Gühna, CAD/CAM-Programmierer bei MAPAL. Während bei Metallen die Erwärmung des Werkstücks größtenteils auf der Energieaufnahme durch plastische Verformung der Späne vor dem Abbruch beruhe, brechen die Carbonfasern im CFK-Werkstück gänzlich spröde, sobald die Spannung im Material einen kritischen Punkt überschreitet. Dabei entwickelt sich kaum Wärme. Deshalb kann die Schnittgeschwindigkeit problemlos auf hohe Werte gesteigert werden, sobald die übrigen Parameter des Prozesses feststehen. Zu beachten sind hierbei natürlich die Steifigkeit von Maschine und Aufspannung sowie die Vermeidung von Schwingungen.
Massiver, 100 mm dicker CFK-Block aus EPRATEX_CFS 100 sowie das daraus durch Fräsen hergestellte Testbauteil
@MAPAL
Bauteile für zahlreiche Hightech-Branchen
„Im Flugzeugbau besteht ein großer Bedarf an CFK-Bauteilen, die mithilfe validierter Verfahren erzeugt wurden“, sagt Dr. Peter Müller-Hummel, Component Manager Aerospace and Composites bei MAPAL. Vor allem im Innenraum von Passagierflugzeugen gebe es zahllose Bauteile mit mittleren bis geringen Sicherheitsklassifikationen wie Sitzbefestigungen oder Kabelhalter beziehungsweise Rohrdurchführungen. Diese müssen im Laufe der Entwicklung und Erprobung eines neuen Luftfahrtgeräts häufig angepasst werden, wodurch sich ein großer Bedarf an Bauteilen in kleineren Stückzahlen ergibt. Darüber hinaus sieht Müller-Hummel auch in zahlreichen weiteren Branchen wie der Automobilindustrie, dem Maschinenbau oder der Medizintechnik einen hohen Bedarf an Kleinstserienteilen, für die sich das EPRATEX_CFS 100 Plattenmaterial eignet.
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.
At the automotive supplier Schabmüller, MAPAL has already been responsible for tool management. Now, the tool manufacturer from Aalen has also taken over the CAD/CAM programming of the components, including simulation.
