Wie bohrt man Kohlenstoffverbundwerkstoffe?

Die Produktionskosten von Kohlefaserverbundwerkstoffen sind sehr hoch. Ohne professionelle Werkzeuge und Bohrverfahren werden teure Teile schon bei kleinen Fehlern zu Abfallprodukten. Dieser Leitfaden bietet Ihnen eine zuverlässige Bohrlösung mit Bohrwerkzeugen, Parametern und Schritten zur Qualitätssicherung Ihrer Produkte.

1. Erfahren Sie mehr über Kohlefaserverbundwerkstoffe

Die Verbundkohlenstofffaserplatte ist geschichtet. Aufgrund ihrer einzigartigen Anisotropie und hohen Sprödigkeit gestaltet sich die Weiterverarbeitung – das Bohren – sehr schwierig. Insbesondere 0°-Laminate und unidirektionale Verbundwerkstoffe neigen beim Bohren eher zu Brüchen, Delaminationen und Gratbildung. Daher sind spezielle Werkzeuge und Verfahren erforderlich, um einen qualitativ hochwertigen Bohrprozess zu gewährleisten.

2. Herausforderungen beim Bohren in Verbundwerkstoffe

• Delamination: Dies wird durch die übermäßige axiale Kraft beim Bohren verursacht, wenn sich der Bohrer in der Nähe des Lochauslasses befindet. 

Lösung: Am Lochein- und -austritt sollte die Vorschubgeschwindigkeit reduziert werden und es sollte das Stufenbohrkraftverfahren + starre Unterlage verwendet werden.

• Ausriss und Bruch: Nachdem der Bohrer abgenutzt und passiviert ist, wird das Fasergewebe am Ausgang vom Verbundlaminat abgerissen und die mechanischen Eigenschaften der gesamten Oberfläche werden reduziert.
• Ungeschnittene Fasern: Die Ursache hierfür sind Werkzeugverschleiß und Passivierung. Die Schneide des Bohrers ist nicht scharf genug, um die Faserschicht des Verbundlaminats zu schneiden und zu brechen.
• Schneidkantenverschleiß: Die Härte von Kohlefaserverbundwerkstoffen ist hoch (ca. HV 300–500). Und die Lebensdauer von Standardbohrern beträgt nur 1/10 der von Aluminium.
• Kosten- und Verarbeitungseffizienz: Die Verbundwerkstoffkosten sind sehr hoch. Das Bohren ist aufgrund der Sprödigkeit zu schwierig, daher ist die Ausschussrate sehr hoch. Auch der hohe Verschleiß der Bohrer verursacht hohe Kosten.
• Wegen zu hoher Temperatur deaktiviert: Bei dicken Verbundlaminaten führt die mechanische Hochgeschwindigkeitsrotation zu einer zu hohen Oberflächentemperatur. Bei unzureichender Kühlung führt die hohe Temperatur dazu, dass das Harz im Verbundwerkstoff bei hohen Temperaturen weich wird.
• Blendenabweichung: Bitverschleiß oder Vibrationsversatz.

3. Material und Art des Bohrers

Material:

• Schnellarbeitsstahl: Geeignet für eine geringe Anzahl von Löchern (weniger als 10), der Nachteil ist die geringe Verschleißfestigkeit und Steifigkeit.
• Hartmetallbohrer: Es ist Geeignet für die manuelle Bearbeitung von Verbundwerkstoffen, einschließlich Prototypenprüfung und unkritischem Bohren. Es zeichnet sich durch höhere Verschleißfestigkeit und Härte aus. Eine Wolframbeschichtung der Bohreroberfläche erhöht die Härte. Die Lebensdauer beträgt 80–100 Löcher pro Bohrer.
• Diamantbeschichteter Hartmetallbohrer: Aufgrund der Beschichtung weist der Bohrer eine sehr hohe Härte (ca. HV 8000–9000) und hohe Verschleißfestigkeit auf. Er wird im Allgemeinen zum Bohren hochpräziser Löcher (z. B. für Flugzeugstrukturteile) mit einer Lebensdauer von 800–1000 Löchern/Blatt verwendet.
• Polykristalliner Diamantbohrer (PCD): Vorteile: Es verfügt über eine gute Verschleißfestigkeit und thermische Stabilität und eignet sich für die Massenproduktion im großen Maßstab (z. B. Kohlefaserteile für Automobile). Lebensdauer 3000–5000 Löcher/Klinge.

Bittyp:

Spiralbohrer

• Strukturelle Merkmale: Der Spitzenwinkel beträgt etwa 120° und der Spiralwinkel etwa 30–40°.Die quer verlaufende Meißelkante ist breit und stimuliert leicht den axialen Schub des Bohrers.
• Nachteile: Die breite Querkante erleichtert das Schichten des Verbundmaterials beim Bohren. Eine schlechte Spanabfuhr führt leicht zum Verbrennen der Harzmatrix und damit zur Beeinträchtigung ihrer Leistungsfähigkeit.
• Anwendbare Szene

• • Nicht-strukturelle Teile mit geringen Präzisionsanforderungen (wie z. B. dekorative Carbonplatten)
  • Flaches Loch mit Öffnung ≤ 3 mm und Dicke der Verbundplatte ≤ 2 mm.

• Empfohlene Motordrehzahl: 500-5000 U/min

Doppelwinkel-Verbundbohrer: Verhindert Schichtung und Herausdrücken

• Strukturelle Merkmale: Ein Bohrer mit doppeltem Winkel, Schneiden in der Klasse
• 130° Primärer Spitzenwinkel: Es kann den Schnittdruck verteilen und die Kontaktfläche zwischen dem scharfen Winkel und dem Laminat vergrößern. Gewährleisten Sie einen glatten Schnitt in die Oberflächenfaser, vermeiden Sie die Bruchschichtung, die durch das Einschneiden des Bohrers und nicht durch tiefes Abrutschen verursacht wird, schützen Sie die Oberfläche der Verbundplatte und verhindern Sie das Ablösen der Oberfläche.
• 60° Sekundärspitzenwinkel 
  • Der schärfere Bitwinkel schneidet schnell und präzise durch die darunterliegenden Fasern und vermeidet so Delamination und Gratbildung.
  •  Vorteil: Es kann die axiale Aufprallkraft beim Durchbohren reduzieren und ein „Herausdrücken“ des Fasergewebes am Austritt verhindern.

 Dreizack-Bohrer: Verhindert raue Kanten und Risse

• Strukturelle Merkmale
  • Das dreischneidige Design – 60° mittlere Hauptschneide + 130° oberer Winkel, symmetrische Sekundärschneide auf beiden Seiten. Die Bohrspankraft ist gleichmäßig, ohne Verschleiß im Bereich der Öffnung, und die Präzision ist hoch, geeignet für relativ dicke Platten
  • Die Rutsche ist breit und tief, und der Rutschenschmelzraum ist groß und relativ einfach
• Empfohlene Drehzahl: 3000–4000 U/min (Verhindert Leistungsausfälle durch Überhitzung der Harzmatrix)
• Vorschub: 0,03-0,06 mm/U

4. Präzise Steuerung der Bohrprozessparameter am Beispiel von UAV-Zubehör

Von einem deutschen UAV-Hersteller bestellte UAV-Teile verwenden mit Wolfram beschichtete Diamantbohrer (zur Verbesserung der Härte) + 4000–5000 U/min + 0,05–0,08 mm/U → Die Qualität der Löcher wird erheblich verbessert.

5. Bedienungsanleitung

• Schutzausrüstung tragen, langärmelige Handschuhe und staubdichte Kleidung, Staubmaske oder Atemschutzgerät, Augenschutz, Staubsauger usw. Während des Bohrens ist auch eine Belüftung erforderlich.
• Manuelle Positionierung oder Laserpositionierung: Durch die Positionierung der Löcher vor dem Bohren wird die Bohrgenauigkeit sichergestellt.
• Lokale Verstärkung: Bringen Sie vorab ein Anti-Stripping-Klebeband (z. B. 3M™ 2216) um die positionierten Punkte an.
• Probebohrungen und Parameteroptimierung: Vor dem Batchbohren ist es notwendig, ein Probeloch zu bohren, um den geschichteten Bruch und die Genauigkeit des Lochs zu testen. Die Bohröffnung wurde mit einem Koordinatenmessgerät vermessen und die Lochrauheit beobachtet.
• Vorbohren des Pilotlochs: Vor dem Bohren Bohren Sie ein Pilotloch mit einem Durchmesser von ca. 0,25 mm. Dies trägt dazu bei, die Lochgröße stabil zu halten und erleichtert das Bohren eines qualitativ besseren Lochs. Außerdem können dadurch die hohen Temperaturen vermieden werden, die durch die schnelle Rotation entstehen.
• Vorbohren des Pilotlochs: Vor dem Bohren ein Pilotloch mit einem Durchmesser von ca. 0,25 mm bohren. Dies trägt dazu bei, die Lochgröße stabil zu halten und ein qualitativ besseres Loch zu bohren. Außerdem wird dadurch die hohe Temperatur vermieden, die durch die schnelle Rotation des Verbundlaminats entsteht.
• Schleifen: Wenn sich in der Nähe des Lochs Grate bilden, müssen diese mit einer Diamantfeile zum Schleifen von Hand oder mit einer Plasma-Entgratungsmaschine entfernt werden.
• Inspektion: Verwenden Sie nach dem Bohren eine Ultraschalluntersuchung der Teile, um festzustellen, ob eine Schichtung vorliegt (ein Schichtungsbereich ≤1% ist qualifiziert).

6. Fazit

Die Präzision beim Bohren von CFK-Verbundwerkstoffen bestimmt maßgeblich die Qualität und das Markenvertrauen von Produktteilen und -komponenten. Wir bieten Ihnen eine Komplettlösung – von der Bohrerauswahl über parametrisches Design bis hin zu maßgeschneiderten Schneidprozessen –, damit Sie fehlerfreie Produktteile herstellen können.

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