Hufschmied und BJS Composites optimieren CMC-Bearbeitung

Schnell zerspanen statt lange schleifen

Die auf faserverstärkte Keramik  spezialisierte BJS Composites GmbH aus Gersthofen arbeitet kontinuierlich daran, die Prozesskette zur Produktion von Keramikverbundwerkstoffen (CMC) und Hochleistungskeramik-Komponenten zu verbessern. Jetzt gelang dem Unternehmen mit der Hufschmied Zerspanungssyteme GmbH ein Durchbruch: Die beiden Partner entwickelten ein Schneidwerkzeug, mit dem sich die hochabrasiven CMC-Werkstoffe effizient zerspanen lassen.

KERAMAN® SiC/SiC Lagerhülsen von BJS Composites GmbH

Keramische Faserverbundstoffe (CMC Ceramic Matrix Composites) sind extrem korrosions-, hitze- und abrasionsbeständig. Durch die Verstärkung mit Siliziumcarbid-Fasern lassen sich die Einsatzmöglichkeiten dieser Werkstoffe nochmals erweitern. Energietechnik, Wasseraufbereitung oder Turbinen sind Anwendungen, in denen der Einsatz von CMC den Wirkungsgrad und die Beständigkeit von Komponenten erhöhen und gleichzeitig deren Gewicht reduzieren kann.

Doch diese Materialeigenschaften haben auch ihren Preis. Komponenten aus CMC sind bisher teuer, auch weil die Bearbeitung der Rohlinge extrem aufwendig ist. Hintergrund: Die CMC-Werkstücke müssen mit größerem Aufmaß hergestellt und dann auf das Endmaß nachbearbeitet werden. Weil CMC-Werkstücke aber so hart und abrasiv sind, erfolgte diese Nachbearbeitung durch langwieriges Schleifen mit Diamantwerkzeugen. Dies ist ein weiterer Faktor, der die Komponentenkosten erhöht.  „Für den breiten kommerziellen Siegeszug der SiC- und CMC-Werkstoffe braucht es daher deutlich effizientere und kürzere Nachbearbeitungsprozesse“, erläutert Dr. Werner Humbs, Geschäftsführer der BJS Composites GmbH.

Bekannter Spezialist für schwierige Zerspanung

Schon bevor das Start-up BJS Composites GmbH 2015 das Geschäftsfeld der „Ceramic Composites“ vom Augsburger Raumfahrtunternehmen MT Aerospace AG übernahm, hatten die Gründer um Dr. Werner Humbs Kontakt zu einem anderen Mitglied im Carbon Composites e. V.: der Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH. Mitte 2017 setzten sich die Composite-Experten aus den beiden Augsburger Nachbarstädten Gersthofen und Bobingen zusammen. Gemeinsam wollte man nach neuen Möglichkeiten suchen, um die harten CMC-Rohlinge kostengünstig auf Maß zu bringen. Als Werkstück, an dem neue Methoden getestet werden sollten, wurde die Lagerhülse für eine Hochleistungspumpe gewählt. Bei diesem SiC/SiC-Werkstück müssen zwischen 1 und 3 mm Material abgetragen werden, um es auf sein gewünschtes Endmaß zu bringen. Um einen im Durchmesser 325 mm breiten und 180 mm hohen Rohling im traditionellen Schleifprozess auf Endmaß zu bringen, dauert es mehrere Stunden.

In größeren Unternehmen werden solche Projekte oft im Rahmen öffentlicher Förderprojekte gestartet. Bei BJS Composites und Hufschmied entschied man sich für einen agilen Ansatz: Beide Unternehmen glauben fest an die Zukunft dieser Werkstoffe und einen steigenden Bedarf für Bearbeitungslösungen – und ließen ihren internen Spezialisten einfach den Raum für diese Entwicklung.

Geometrie und Beschichtung

„Wir haben ein breites Angebot an Fräswerkzeugen für extrem harte und inhomogene Werkstoffe, auf deren Basis wir spezielle Lösungen für jede Art von Zerspanungsaufgaben entwickeln – dazu gehören das Werkzeug selbst und Empfehlungen für den Einsatz auf der Maschine“, erläutert Andreas Frank, Entwicklungsleiter bei Hufschmied. „Im Fall der Lagerschalen aus CMC fuhren wir zunächst Versuche mit PKD100G aus der FiberLine – nun wussten wir, in welche Richtung wir gehen mussten.“

Die ersten Tests zeigten den Zerspanungsexperten bei Hufschmied in welcher Weise Schneidengeometrie und Materialauswahl angepasst werden musste. Durch den PKD-Vollkopf konnte Hufschmied die volle Designfreiheit ausnutzen, die definierte Mikrogeometrie an der Schneidkante des Werkzeugs brachte den Durchbruch.

Das Ergebnis der Entwicklung: ein Vollkopf-PKD-Fräser ab Durchmesser 1 mm, mit voll ausgebildeter Schneidengeometrie und 25° Drall. Für das Schruppen des Werkstücks kam letztlich das Werkzeug P150 Z5 zum Einsatz. Beim Vorschlichten griff man auf den Fräser P97/P97M Z2 zurück. So ließ sich ein stabiler Fertigungsprozess mit vertretbaren Werkzeugstandzeiten erreichen – ein Durchbruch im Vergleich zur bisherigen Bearbeitung.

Für das Schruppen des Werkstücks kam letztlich das Werkzeug P150 Z5 zum Einsatz.

Für das Schruppen des Werkstücks kam letztlich das Werkzeug P150 Z5 zum Einsatz.

Mehr als ein Proof of Concept

Die Tests bei Hufschmied zeigten schnell Ergebnisse. „Das Schruppen und Vorschlichten des CMC-Bauteils mit dem Diamantwerkzeug von Hufschmied senkt die Bearbeitungszeit um 90 Prozent. Nur das letzte Finish muss noch schleifend erfolgen. Damit reduziert sich die gesamte Bearbeitungszeit um etwa 70 Prozent “, erklärt Kai Jäger, Prozessingenieur bei BJS Composites GmbH. „Was hier in einer herrlich unkomplizierten kollegialen Kooperation entstand, ist ein beeindruckender Proof of Concept – und mehr noch: Wenn es für dieses Werkstück aus diesem Material eine passende Zerspanungslösung gibt, so können wir davon ausgehen, dass wir auch für andere und weitaus komplexere Konstellationen geeignete Bearbeitungsstrategien finden. Wir sind Zeuge eines wichtigen Schritts in der Beschleunigung und Kostensenkung bei der Produktion von Komponenten aus Keramikverbundwerkstoffen.“

 

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