CFK-Fräsen: Risiken und passende Technik

Carbonfaserkunststoff (CFK) lockt Automobilkonstrukteure zu Leichtbau-Träumen, die das Mehrgewicht von Elektroautos kompensieren. Doch wer den Umstieg zu leichtfertig angeht, riskiert Albträume.

Wie sich das Risiko mit dem richtigen CFK-Gefühl und der passenden Technik umgehen lässt, erfuhr Technikreporter Nikolaus Fecht im Allgäu von Maschinenbauer Wolfgang Grimme und seinem technischen Leiter Bernd Settele.

Herr Grimme, Ihr Unternehmen beschäftigt sich seit mehr als drei Jahrzehnten mit Maschinen zum Zerspanen von Kunststoffen und Verbundstoffen aller Art. Eine besondere Spezialität ist die Bearbeitung des Verbundwerkstoffs CFK. 2006 erhielten Sie zum Beispiel den Auftrag, CFK-Teile für den Motorrad- und Autorennsport mit dem Laser zu bearbeiten. Danach entwickelten Sie eine CNC-Fräsmaschine zur Bearbeitung von CFK-Bauteilen für die Automobilindustrie.

Warum entschieden Sie sich, spezielle Fräsmaschinen für die CFK-Zerspanung zu entwickeln?

Wie schützen Sie Mensch und Maschine vor den Risiken einer CFK-Bearbeitung?

Grimme: Beim Verarbeiten von CFK entstehen elektrische leitfähige und brennbare Stäube, die schädlich für die Gesundheit sind. Es gelang uns, Verfahren zu entwickeln, mit denen sich nahezu alle bei der Bearbeitung in einem CNC-Bearbeitungszentrum entstehenden Stäube filtern lassen. Es war uns dabei sehr wichtig, nicht nur die Maschine, sondern auch die Menschen beim Fräsen vor den Stäuben sicher zu schützen.

Wie helfen Sie Unternehmen, die mit der CFK-Zerspanung Neuland betreten?

Grimme: Die meisten Firmen sind sich der Gefahren, die das Fräsen von CFK mit sich bringt, bewusst. Es geht bei der Beratung und Entwicklung hauptsächlich um die Details der Umsetzung. Für die enorme Staubentwicklung sind spezielle technische Lösungen nötig, die in den jeweiligen Betrieb eingebunden werden müssen. Nicht nur das CNC-Fräsbearbeitungszentrum selbst braucht einen passenden Platz, sondern auch die Absaugung. Der Schaltschrank hingegen benötigt nicht nur eine technische Lösung, um das Eindringen des Staubes zu vermeiden. Der Schaltschrank lässt sich ausserdem nicht einfach direkt neben einer CNC-Maschine platzieren. Die Stäube verursachen nämlich beim Eindringen Kurzschlüsse. Dafür braucht es nicht viel: Eine einzige Faser, die dünner als ein Haar ist, reicht aus: Dann knallt es! Alles dies berücksichtigen wir bereits bei der Planung.

Herr Settele, reicht eigentlich für das CFK-Fräsen eine Standard-CNC?

Bernd Settele, Projektleiter der HG GRIMME SysTech GmbH, Wiedergeltingen: Ja und nein. Es muss ein Standard-Bearbeitungszentrum sein, das die technische Ausstattung für die CFK-Bearbeitung besitzt. Da wir die Variante für Verbundmaterial im Portfolio haben, ist es für uns definitiv ein Standard-CNC-Fräsbearbeitungszentrum – eben mit der passenden Ausstattung für die CFK-Bearbeitung. Aber auch die richtige Software-Lösung für den jeweiligen Anwendungsfall ist ein wichtiger Baustein.

Ein Beispiel aus der Praxis: Für das Fräsen von CFK-Karosseriebauteilen haben wir ein Fünf-Achs-CNC-Bearbeitungszentrum mit Schrägbett-Drehtisch entwickelt, der sich ergonomisch bestücken lässt. Sobald das Werkstück richtig auf dem Tisch sitzt, dreht er sich in der geschlossenen Fräskabine, in der das CFK-Teil bearbeitet wird.

Die Software ist hier ein zusätzliches, wichtiges Element für die Bearbeitung dieses Werkstoffs. Auf der Siemens-Steuerung Sinumerik 840D Solution Line werden Programme mit einer speziellen Frässtrategie eingefahren. Das Zusammenspiel von Werkzeugverwaltung und Ebenen-Zustellung der Schnitttiefe erhöht die Standzeit des Werkzeuges und hält die Qualität der Oberflächengüte des Werkzeuges konstant hoch. Diese Strategie tritt zusätzlich der enormen Hitzeentwicklung entgegen, die beim Fräsvorgang nur durch das Fräswerkzeug abgeleitet werden kann.

Wegen der Elektromobilisierung nimmt auch der Bedarf an Leichtbau mit CFK zu: So gewannen Sie kürzlich mehrere BMW-Ausschreibungen für den Bau einer Fünf-Achs-Gantry-Drehtisch-Fräsanlage, die im Werk Landshut Seitenrahmenteile bearbeitet.

Wie bewältigen Sie bei derartigen Aufträgen die Anforderungen an die Fräsqualität, die ja bei Bauteilen für den Sichtbereich sehr hoch sind?

Grimme: Wir sind führender Hersteller für die Bearbeitung von Verbundmaterialien und Kunststoffen. Die Fräsqualität ist nicht das Thema, denn dafür sind unsere Maschinen ausgelegt. Wir entwickeln seit mehr als 30 Jahren CNC-Maschinen, die eine Fräsqualität der ersten Klasse abliefern. Im BMW-Werk Landshut stehen inzwischen übrigens drei Maschinen von uns.

Echte Reinraumbedingungen werden sie zwar nie in einer typischen Produktionshalle erreichen, in der zerspant wird. Aber wie effektiv filtern Sie?

Settele: Wir erreichen dank unserer aufwändigen, mehrstufigen Absauganlage einen extrem hohen Filtergrad und Reinheit der Luft, sodass im Winter sogar die Abluft der Absauganlage in die Halle geleitet werden kann, um die Heizkosten zu reduzieren.

Nun kann CFK ja nicht nur die Gesundheit schädigen, sondern als elektrisch leitender Verbundwerkstoff auch die Maschine lahmlegen. Wie verhindern sie Kurzschlüsse?

Settele: Wir dichten alle Kabel zum Schaltschrank separat ab und fixieren sie, um jegliche Undichtigkeiten zum Beispiel durch Kabelbewegungen auszuschliessen. Unsere speziell entwickelte Überdruckbelüftung mit Reinluft sorgt dafür, dass keine Späne oder Staub in den Schaltschrank oder Klemmkasten gelangen. Bei der Instandhaltung gilt erhöhte Vorsicht beim Öffnen der Türen. Wir schulen daher das Bedienungspersonal bei der Übergabe der Maschine.

Arbeiten Sie mit einem Schaltschrankhersteller zusammen?

Settele: Wir bauen unsere Schaltschränke selbst, denn es gibt keinen CFK-sicheren Schaltschrank von der Stange. Von unseren Ingenieuren stammt der bis ins letzte Detail ausgedacht CFK-Staubschutz der Schaltschränke: So sorgen wir für qualitativ hochwertige Schaltschränke für die CFK-Bearbeitung.

Verhindern Ihre Anlagen Gefahren wie Brand im Schaltschrank so zuverlässig, dass Kunden sie mannlos in sogenannten Geisterschichten betreiben können?

Settele: Aber sicher. Unsere Anlagen lassen sich direkt an die Brandmeldezentrale BMZ und an Sprinkleranlagen anschliessen.

Speziell in der Luft- und Raumfahrt sind Sandwichkonstruktionen wie CFK mit Titan oder CFK mit Aluminium beliebt. Wie sieht eine Lösung von Ihnen für diese Anwendung aus?

Grimme: Auch diese Materialen sind kein Problem, dafür haben wir bereits Lösungen entwickelt: Dabei kommt die richtig ausgestattete CNC-Fräsmaschine mit der passenden Spannvorrichtung und den richtigen Fräsern zum Einsatz.