Stanzwerkzeuge zum Scherschneiden von Faserverbundwerkstoffen

Bei Bauteilen aus Faserverbundkunststoff (FVK) und Organoblechen, die etwa in der Automobilindustrie oder in hochwertigen Consumerprodukten zum Einsatz kommen, sind exakte Konturen gefragt. Damit das Material in der Serienfertigung so wenig wie möglich geschädigt wird und dennoch kurze Zykluszeiten eingehalten werden können setzt die Industrie hier vor allem auf das Wasserstrahlschneiden, auf Laserverfahren und auf spanende Bearbeitungsprozesse wie das Fräsen. Diese verursachen jedoch aufgrund ihrer langen Bearbeitungszeiten deutlich höhere Kosten als das Scherschneiden.

Das Fraunhofer IPT arbeitet daran, das Scherschneiden für FVK weiterzuentwickeln: Scherschneidprozesse sind zwar bislang in der Blechbearbeitung sehr verbreitet, die Aktivteile (Schneidstempel) sind deshalb aber für Blechwerkstoffe optimiert. Beim Scherschneiden von FVK leiden sie deshalb unter einem hohen Werkzeugverschleiß, liefern nur schlechte Schnittqualitäten und führen häufig zu Bauteilschäden wie Faserauszügen.

Aus diesem Grund hat das Fraunhofer IPT die Zusammenhänge beim Scherschneiden von FVK grundlegend untersucht und Aktivteile sowie Verschleißschutzbeschichtungen entwickelt. Auf einem Grundlagenprüfstand wurden diese bereits ausführlich getestet.

Ziel der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in diesem Gebiete war und ist es, die Prozessgrenzen in der Bearbeitung größerer Stückzahlen von FVK-Komponenten zu erweitern, den Verschleiß der eingesetzten Werkzeuge zu verringern und gleichzeitig die Schnittqualität zu verbessern. Für Unternehmen, die das Scherschneiden in ihrer Produktion einsetzen, ermöglichen die verlängerten Werkzeugstandzeiten eine beträchtliche Steigerung der Produktivität bei gleichzeitig höherer Produktqualität.

Eigenentwickeltes Folgeverbundwerkzeug in der Servopressenlinie des Fraunhofer IPT
© Fraunhofer IPT
Eigenentwickeltes Folgeverbundwerkzeug in der Servopressenlinie des Fraunhofer IPT

Vorgehen bei der Prozessentwicklung für den FVK-Scherschnitt

Durch die Prozessmodellierung des Scherschneidens von Organoblechen und deren Einzelschichten ließen sich bereits erste Prozessparameter feststellen. In realen Tape-Schneide-Versuchen wurde dieses Wissen weiter ergänzt und validiert. Messer mit einer zusätzlichen Beschichtung erwiesen sich dabei als besonders geeignet. Weitere Versuchsreihen mit Organoblechen aus glas- und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (GFK und CFK) zeigten, dass kleine Schneidspalte die besten Ergebnisse liefern. Detailliertere Betrachtungen des Scherschneidprozesses und der geschnittenen Flächen und der Schnittqualität an Faser und Matrix weisen auf die Notwendigkeit speziell angepasster Schneidstempel hin. Anhand der jeweiligen Gutteile – Stanzgitter oder ausgestanzte Teile – konnten zwölf verschiedene Geometrien entwickelt und hinsichtlich unterschiedlicher Bewertungskriterien verglichen werden. So entstand eine Anwenderrichtlinie, wie bei zukünftigen FVK-Scherschneidprozessen vorzugehen ist und welche Aktivteilgeometrien sich am besten dazu eignen, hochwertige Schnittergebnisse zu erzielen.

Im Folgeverbundwerkzeug hergestelltes Demonstratorbauteil
© Fraunhofer IPT
Im Folgeverbundwerkzeug hergestelltes Demonstratorbauteil

Hochvolumenfertigung mit Folgeverbundwerkzeugen

Die Technologie des Scherschneidens von FVK mit optimierten Aktivteilgeometrien konnten bereits auf ein dreistufiges Folgeverbundwerkzeug übertragen und auf der Servopressenlinie am Fraunhofer IPT getestet werden. Die hochfrequente Fertigung der Bauteile aus Tapewerkstoff erfolgte vom Coil bei bis zu 124 Hüben/min und lieferte dabei wie vorhergesehen eine gute Schnittqualität. Für weitere Validierungs- und Verschleißuntersuchungen steht das eigenentwickelte Werkzeug am Fraunhofer IPT bereit.

Unsere Leistungen im Überblick

  • Versuche zur Bewertung der Verschleißfestigkeit beim Scherschneiden von FVK
  • Untersuchungen zur Anwendbarkeit von Beschichtungen
  • Entwicklung optimierter Aktivteile (Stanzstempel) und Anpassung an kundenspezifische Anwendungen
  • Scherschneidtests an verschiedenen FVK-Werkstoffen
  • Entwicklung von Werkzeugkonzepten für die FVK-Hochvolumenproduktion
  • Bereitstellung einer Anwenderrichtlinie
  • Wissensdokumentation und Mitarbeiterschulungen