Schneiden von Verbundwerkstoffen mit CNC-Schneidemaschinen

18.01.22, 10:25

CNC-Schneidemaschinen werden hauptsächlich für die Bearbeitung von Metallteilen, manchmal auch von Stein, eingesetzt. Zwei der Schneidetechnologien, Wasser und Laser, ermöglichen jedoch die Arbeit mit mehr Materialien. Ein interessantes Beispiel sind insbesondere Kunststoffe, die vor allem aufgrund ihrer Eigenschaften immer häufiger in der Industrie eingesetzt werden. Sehr wünschenswert sind z. B. Materialien, die eine hohe Festigkeit aufweisen und gleichzeitig leicht und flexibel sind. Wie ist die Arbeit mit ihnen? Können sie alle auf die gleiche Weise geschnitten werden? Um das Problem auf interessante Weise darzustellen, werden Fälle von verschiedenen Verbundwerkstoffen angeführt.

Was sind Verbundwerkstoffe?

Es lohnt sich, einen genaueren Blick auf dieses Thema zu werfen, denn in den letzten zehn Jahren hat die Verwendung von Verbundwerkstoffen in immer mehr Anwendungen zugenommen. Der Begriff wird häufig mit dem Bau von Flugzeugen, militärischer Ausrüstung oder Sportzubehör in Verbindung gebracht. Unter diesem Namen gibt es jedoch eine ganze Gruppe von Materialien mit einer heterogenen Struktur, die aus mindestens zwei Komponenten besteht. Meistens ist eine der Komponenten ein Bindemittel, das als Klebstoff für das gesamte Material dient und die meisten seiner physikalischen Eigenschaften bereitstellt. Die Komponentenmoleküle können miteinander verzahnt oder geschichtet sein.

Ein gängiges Beispiel für einen Verbundwerkstoff, mit dem wir tagtäglich zu tun haben, ist Stahlbeton. Sie besteht aus hochverdichtetem Beton, der mit Metallelementen verstärkt ist. In diesem Fall ist der Beton das Bindemittel, das dem Stahlbeton die meisten seiner physikalischen Eigenschaften verleiht, während die Bewehrung das Element ist, das das Material viel stärker macht.

Im Allgemeinen lassen sich Verbundwerkstoffe in folgende Gruppen einteilen: Laminate, Strukturverbundwerkstoffe, Mikroverbundwerkstoffe und Nanoverbundwerkstoffe. Ihre Eigenschaften bestimmen den Schwierigkeitsgrad der Verarbeitung. Sie können so hart wie Stahl oder so flexibel wie Gummi sein und gleichzeitig hohen Beanspruchungen standhalten.

Der Versuch, Verbundwerkstoffe mit den falschen Methoden zu schneiden, kann zu einer Delaminierung der Struktur führen. Dies schränkt die Verwendbarkeit des Materials erheblich ein, vor allem in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt oder der Medizin, wo es auf Details ankommt.

In welchen Situationen wird das Wasserstrahlschneiden empfohlen?

Das Wasserstrahlschneiden wird für spröde Materialien empfohlen. Der Hauptgrund ist natürlich die Umweltfreundlichkeit der Methode, die sie in jedem Fall zur optimalen Lösung macht. Wenn es jedoch um die Besonderheiten des Wasserstrahlschneidens von Verbundwerkstoffen geht, liegt der unbestreitbare Vorteil in der außergewöhnlich hohen Qualität des Schnitts, da keine Gratbildung entsteht, die später beseitigt werden müsste. Das Material wird auch durch Hitze (in der Regel weniger als 40°) oder Chemikalien nicht beeinträchtigt und verändert daher seine Eigenschaften nicht.

Die Vorbereitung des Prozesses beschränkt sich auf die Programmierung des Schneidvorgangs, was den Prozess vereinfacht. Der eigentliche Schneidevorgang verursacht keine unnötigen Stillstandszeiten, z. B. für den Wechsel von Verbrauchsmaterialien oder den Wechsel des Schneidkopfs (für jedes Material wird derselbe Schneidkopf verwendet). Auch das Schärfen des Schneidwerkzeugs ist nicht erforderlich. Außerdem ist bei dieser Technologie kein Vorbohren erforderlich - das Material kann direkt durchbohrt werden. Je nach Bedarf kann der Wasserstrahldruck eingestellt werden.

Die Beschränkung der Wasserstrahlschneidetechnik liegt in nicht ebenen Oberflächen. Schwierigkeiten können auch bei Materialien auftreten, bei denen sehr weiches Material mit hartem Material kombiniert wird. Wenn dies möglich ist, sollte das Material mit der härteren Schicht nach oben verlegt werden. Im umgekehrten Fall prallt der Wasserstrahl, nachdem er die weiche Schicht durchdrungen hat, an der härteren Schicht ab und beschädigt die unerwünschten Teile des Materials.

Es wurde bereits erwähnt, dass das Wasserstrahlschneiden vor allem für spröde Materialien empfohlen wird. Was ist mit den anderen Fällen? Es ist möglich, dass das Schleifmittel die Schneide beschädigt oder dass sie nass wird. Beim Schneiden von Kohlefaserverbundwerkstoffen besteht die Möglichkeit, dass sich die Fasern von der Matrix lösen.

Wann sollte man sich für das Laserschneiden entscheiden?

Um solche Probleme zu vermeiden, ist es ratsam, sich für das Laserschneiden zu entscheiden. Sein Hauptvorteil ist die Möglichkeit, schwer zugängliche Bereiche des Materials zu erreichen. Außerdem ist das Laserschneiden nicht durch die Oberfläche und Form des Werkstücks begrenzt. Es ist jedoch zu bedenken, dass diese Technologie nur für Materialien mit einer Dicke von 1 - 8 mm funktioniert.

Es ist sehr wahrscheinlich, dass sich die Lasertechnologie bald als Standardschneidwerkzeug für die meisten faserverstärkten Verbundwerkstoffe durchsetzen wird. Die Argumente dafür sind nicht anders als in der Blechbearbeitung. Die positivsten Faktoren sind die Geschwindigkeit des Prozesses, das Fehlen von Reibung und die berührungslose Arbeit. Auch das Fehlen von Einschränkungen durch Geometrie und Werkstückoberfläche wird geschätzt.

Als Zusammenfassung des Themas wird eine Übersicht mit Informationen über Aspekte des Schneidens von Verbundwerkstoffen mit drei Technologien präsentiert: Wasser, Laser und Plasma.

Parameter Schneiden auf Wasserbasis Laser Plasma
Nicht-metallische Werkstoffe + - -
Mehrschichtiges Schneiden + - -
Zusammengesetzte Materialien + - -
Materialhärtung - + +
Gratbildung - + +
Nachbearbeitun - + +
Entstehung giftiger Dämpfe - + +
Verformung des Materials - + +

Nach der obigen Tabelle ist das Wasserstrahlschneiden die optimalste Technologie. Solange die Wirkung des Wassers keinen zerstörerischen Einfluss auf die Eigenschaften des zu schneidenden Verbundwerkstoffs hat, ist das Wasserstrahlschneiden die beste Option. Es lohnt sich, die immer neueren Anwendungen von Verbundwerkstoffen und deren Eigenschaften zu verfolgen. Dies kann sich als eine lukrative Möglichkeit erweisen, Ihre CNC-Schneidmaschinen zu nutzen.

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