Schneiden von Verbundwerkstoffen mit CNC-Schneidemaschinen

CNC-Schneidemaschinen werden hauptsächlich mit der Bearbeitung von Metallteilen in Verbindung gebracht, manchmal auch von Steinteilen. Zwei der Schneidtechnologien – Wasserstrahl- und Laserschneiden – ermöglichen jedoch die Bearbeitung einer größeren Bandbreite an Materialien. Ein interessantes Beispiel sind insbesondere Kunststoffe, die in der Industrie vor allem aufgrund ihrer Eigenschaften immer häufiger zum Einsatz kommen. Sehr gefragt sind beispielsweise Materialien, die eine enorme Festigkeit aufweisen und dabei leicht und elastisch bleiben. Wie verhalten sie sich bei der Bearbeitung? Lassen sich alle auf ähnliche Weise schneiden? Um das Thema anschaulich darzustellen, werden Beispiele verschiedener Verbundwerkstoffe angeführt. Wasserstrahlschneidemaschinen sind hervorragende Werkzeuge zum Schneiden verschiedener Materialien.

Was sind Verbundwerkstoffe?

Es lohnt sich, sich näher mit diesem Thema zu befassen, da ihre Verwendung in immer neuen Anwendungsbereichen im letzten Jahrzehnt stetig zugenommen hat. Häufig wird dieser Begriff mit dem Bau von Flugzeugen, militärischer Ausrüstung oder Sportzubehör in Verbindung gebracht. Unter diesem Begriff verbirgt sich jedoch eine ganze Gruppe von Materialien mit einer heterogenen Struktur, die aus mindestens zwei Komponenten besteht. Meistens bildet eine der Komponenten das Bindemittel, das als Bindeglied für das gesamte Material dient und für den Großteil seiner physikalischen Eigenschaften sorgt. Die Moleküle der Komponenten können miteinander verflochten oder schichtweise angeordnet sein.

Ein gängiges Beispiel für einen Verbundwerkstoff, mit dem wir täglich zu tun haben, ist Stahlbeton. Er besteht aus sehr druckfestem Beton, der mit Metallelementen bewehrt ist. In diesem Fall ist der Beton das Bindemittel, das dem Stahlbeton die meisten physikalischen Eigenschaften verleiht, während die Bewehrung das Element darstellt, das das Material wesentlich widerstandsfähiger macht.

Allgemein lassen sich Verbundwerkstoffe in folgende Gruppen einteilen: Laminate, Strukturverbundwerkstoffe, Mikroverbundwerkstoffe und Nanokomposite. Ihre Eigenschaften bestimmen den Schwierigkeitsgrad der Bearbeitung. Zumal sie hart wie Stahl oder elastisch wie Gummi sein können und dabei dennoch hoher Belastung standhalten.

Der Versuch, Verbundwerkstoffe mit ungeeigneten Methoden zu schneiden, kann zu einer Delaminierung der Struktur führen. Dies schränkt die Einsatzmöglichkeiten des Materials erheblich ein, insbesondere in Bereichen wie der Luftfahrt oder der Medizin, in denen es auf jedes Detail ankommt.

In welchen Situationen wird das Wasserstrahlschneiden empfohlen?

Bei spröden Materialien empfiehlt sich der Einsatz von Wasserstrahlschneiden. Der Hauptgrund ist natürlich die Umweltfreundlichkeit der Methode, die sie in jedem Fall zur optimalen Lösung macht. Was jedoch die Besonderheiten des Wasserstrahlschneidens von Verbundwerkstoffen betrifft, so erweist sich die außergewöhnlich hohe Schnittqualität als unbestreitbarer Vorteil, da beim Schneiden keine Grate entstehen, die später zusätzlich entfernt werden müssten. Es gibt auch keinen Einfluss durch hohe Temperaturen (in der Regel nicht über 40 °C) oder chemische Substanzen, sodass das Material seine Eigenschaften nicht verändert.

Die Vorbereitung für den Prozess beschränkt sich in diesem Fall auf die entsprechende Programmierung des Schnitts, was den Prozess erheblich vereinfacht. Der Schnitt selbst verläuft ohne unnötige Unterbrechungen, beispielsweise zum Austausch von Verschleißteilen oder des Schneidkopfes (für jedes Material wird derselbe Schneidkopf verwendet). Auch das Schärfen des Schneidwerkzeugs ist nicht erforderlich. Diese Technologie erfordert zudem keine vorherige Vorbohrung – das Material kann direkt durchschneidet werden. Je nach Bedarf lässt sich die Druckkraft des Wasserstrahls regulieren.

Eine Einschränkung der Wasserstrahlschneidetechnologie sind nicht ebene Oberflächen. Schwierigkeiten können auch bei Materialien auftreten, bei denen sehr weiches Material mit hartem Material kombiniert ist. Wenn möglich, sollte das Material mit der härteren Schicht nach oben ausgelegt werden. Andernfalls prallt der Wasserstrahl, nachdem er die weiche Schicht durchdrungen hat, von der härteren Schicht ab und beschädigt unerwünschte Materialbereiche.

Wie bereits erwähnt, wird das Wasserstrahlschneiden besonders für spröde Materialien empfohlen. Und wie sieht es in den übrigen Fällen aus? Es besteht die Möglichkeit, dass das Schneidmittel die Schnittkante beschädigt oder diese feucht macht. Beim Schneiden von Kohlefaserverbundwerkstoffen besteht die Gefahr, dass sich die Fasern von der Matrix lösen.

Wann sollte man sich für das Laserschneiden entscheiden?

Um solche Probleme zu vermeiden, lohnt es sich, sich für Laserschneiden. Sein Hauptvorteil ist die Möglichkeit, schwer zugängliche Bereiche des Materials zu erreichen. Außerdem unterliegt das Laserschneiden keinen Einschränkungen hinsichtlich der Oberfläche und Form des Werkstücks. Es ist jedoch zu beachten, dass diese Technologie nur für Materialien mit einer Dicke von 1 bis 8 mm geeignet ist.

Es ist sehr wahrscheinlich, dass in naher Zukunft Laserschneidmaschine als Standardwerkzeug zum Schneiden der meisten faserverstärkten Verbundwerkstoffe anerkannt wird. Die dafür sprechenden Argumente unterscheiden sich nicht von denen, die bei der Blechbearbeitung angeführt werden. Die überzeugendsten Faktoren sind: die Geschwindigkeit des Prozesses, das Fehlen von Reibung und der berührungslose Betrieb. Geschätzt wird auch das Fehlen von Einschränkungen hinsichtlich der Geometrie und der Oberfläche des Werkstücks.

Zum Abschluss des Themas wurde eine Übersicht mit Informationen zu den Aspekten des Schneidens von Verbundwerkstoffen mit drei Technologien vorgestellt: Wasserstrahl-, Laser- und Plasmaschneiden.

Gemäß der obigen Tabelle ist das Wasserstrahlschneiden die optimalste Technologie. Sofern der Einfluss des Wassers die Eigenschaften des zu schneidenden Verbundwerkstoffs nicht beeinträchtigt, ist das Wasserstrahlschneiden die beste Wahl. Es lohnt sich, die immer neuen Anwendungsbereiche von Verbundwerkstoffen und deren Eigenschaften im Auge zu behalten. Dies kann sich als lukrative Möglichkeit erweisen, die vorhandenen CNC-Schneidemaschinen zu nutzen.