Best Practices für die Bohrung von Kohlefasern

So bohren Sie Kohlefaser ohne Delaminierung: Ein Feldführer für Maschinenschlosser

Kohlefaser ist eines der abrasivsten Materialien, die Sie auf – around bohren werden, und auch eines der am einfachsten zu ruinierenden mit einem schlechten Bohraufbau Im Gegensatz zu Metallen berücksichtigt Kohlefaser (CF) keine schlampige Technik. Drücken Sie zu hart, verwenden Sie den falschen Bohrer oder verwenden Sie kein Trägerbrett, und die Schichten splittern in einer Sekunde auseinander. In diesem Leitfaden wird alles besprochen, von der Auswahl eines Bearbeitungswerkzeugs für die Kohlefaser bis hin zu den spezifischen Zufuhr- und RPM-Methoden, die Delaminationsfreie Bohrlochbleche erstellen, basierend auf der Erfahrung unseres Teams beim Bohren durch über 500 Platten in speziellen CF-herstellung.

Warum Kohlefaser unterschiedliche Bohrtechniken erfordert

Kohlefaserverstärktes Polymer (CFK) ist kein Metall Es handelt sich um einen bedruckten Verbundstoff (eine Reihe von Zwischenlagen aus Kohlenstofffaser-Zwischenfallgewebe und einer Harzmatrix (am häufigsten Epoxidharz).Jede Lage weist Fasern auf, die in eine bestimmte Richtung gelegt sind und ein Laminat bilden, dessen Festigkeit vollständig davon abhängt, dass die Schichten noch verbunden sind.

Diese Verbindung ist es, was das Bohren gefährden könnte Wenn sich ein Bohrer durch eine CF-Platte bewegt, erzeugt er eine axiale Schubkraft auf die Unterseitenlinien, Wenn diese Kraft die interlaminare Verbundfestigkeit überschreitet, trennen sich die Schichten – ein Fehlermodus namens Delaminierung Wie durch a gezeigt 2023 Iteration im Journal of Composites Science, 3,0 kann ein Delaminationsindex nahe 15% die Verbundspannung reduzieren.

Das Weavemuster macht die Situation komplexer Fasern, die bei 0 orientiert sind, reagieren anders auf die bei 45 oder 90, wenn sich ein Bohrmeißel durchbewegt Das Ergebnis: Jede Lage reagiert mit unterschiedlichen Schneidkräften, und die spröde Faser-Harz-Schnittstelle kann splittern oder splittern, es sei denn, Klingenkonstruktion oder Vorschubdruck werden verwaltet Im Gegensatz zu Aluminium oder Stahl erzeugt CF keine gekräuselten Chips & es erzeugt harten Staub, der das Werkzeug schnell vereitelt. Basierend auf über 500 CFK-Aufgaben, unserer Praxis in unserer Werkstatt, ist das Muster immer „Bohren durch Kohlefaser erfordert spezielles Geschick, oder es wird nach hinten losgehen, wo Metall niemals feuern wird.

Auswahl des richtigen Bohrers für Kohlefaser

Ihr Bohrer bestimmt die Qualität von 801TP3 T Ihrer Löcher Kohlefaser ist extrem abrasiv – sie wird sich bei Werkzeugen weit schneller abnutzen, als die meisten Bediener erwartenErgebnisse setzen sich wie folgt zusammen:

HSS-Bohrer sind der Standard der Automobilindustrie, aber sie sind eine schlechte Wahl für CFK Verbundbohrung. Die abrasive Kohlefaser stumpft die HSS-Brecherkanten innerhalb einer Handvoll Löcher ab, und ein stumpfer Bohrer erzeugt Wärme und Radialkraft, die der ähnelt, die zu einer Delaminierung führt. Kobaltbohrer (M35/M42) bieten einen begrenzten Nutzen, der härter als HSS ist, aber nur eine vorübergehende Lösung.

Zementiertes Wolframcarbid ist die ideale Lösung Hartmetallbohrkronen halten schärfere Kanten in CF viel länger aufrecht und erzeugen sauberere Bohrlöcher mit weniger Faserauszug Diamantbeschichtetes Werkzeug verlängert diesen Vorteil weiter, wenn es in einer Produktionsumgebung verwendet wird Studie vorgestellt in MDPI-Polymere Ergebnisse führten, die zeigten, dass diamantbeschichtete Werkzeuge bei CFK-Bohrtests eine geringere Oberflächenrauheit erzeugten als unbeschichtete Werkzeuge.

“Unsere CNC-Abteilung hat sich für PCD-Werkzeuge entschieden, nachdem sie vier Bohrmeißelklassen in 200 Bohrlochinstanzen getestet hatte. Die Kosten pro Loch sanken tatsächlich. ”2-fach-PCD-Werkzeuge hielten in einem Herstellungsbetrieb über 15-fach länger an als Vollkarbid.“”

Team für Ingenieurwesen

Der Punktwinkel ist ebenfalls variabel. Ein generischer Winkel von 118 Punkten ist für Metalle in Ordnung, verursacht jedoch eine übermäßige Kraft gegen die CF-Austrittsschichten. Bei Kohlefaserplatten minimiert ein Winkel von 90 Punkten oder eine Radpunktgeometrie diese Überschiebungskraft und ermöglicht Ihnen einen saubereren Eintritt. Dolchbohrer (flache, spatenförmige Bohrer mit feinen Zähnen entlang der Schneidkante – sind eine weitere potenzielle Option für dünne CF-Blätter.

Geschwindigkeits-, Vorschub- und Druckeinstellungen, die Schäden verhindern

Beim Bohren durch Kohlefaser gibt es eine Richtlinie, von der nur sehr wenige Hersteller jemals abweichen: Hohe Bohrgeschwindigkeit mit geringer Vorschubgeschwindigkeit und möglichst geringer Axialkraft anwenden. Dadurch werden die Schneidkräfte niemals über die Schwelle der interlaminaren Verbindungsschubkraft gedrückt und die Fasern werden sauber geschert, anstatt durchzureißen.

Ein Übersichtsartikel aus dem Zeitschrift für Verbundwerkstoffwissenschaft Es wurde bestätigt, dass die Delaminierung hauptsächlich von der Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeugs und der anschließenden Vorschubgeschwindigkeit abhängt. Ein langsamer Vorschub in Kombination mit einer hohen Drehzahl pro Minute führt zu den geringsten Schäden über mehrere CFK-Dicken hinweg.

Ein Verfahren, das innerhalb von Produktionsumgebungen populär geworden ist, ist die Vorschubstrategie mit variabler Rate Der Bohrer tritt bei Nennzuführung ein; mittels CNC-Regler verzögert er sich dann automatisch, wenn er sich der Austrittskante des Panels nähert, dass das letzte 1/10 bis 1/15 der Materialdicke ist, wenn eine Austrittsdelaminierung stattfindet, und durch Verlangsamen des Vorschubs an diesem Punkt sinkt die Schubkraft unter das zerstörerische Niveau Bei CNCs programmiert die Steuerung dies in das Vorschubprofil Bei einer Bohrmaschine nähert man sich an, indem man den Vorschub manuell verringert, während man spürt, wie das Bohrer versucht, auszusteigen.

Schritt-für-Schritt-Bohrprozess für saubere Löcher

Ob Löcher in eine Kohlefaserabdeckung oder Hunderte von Montagepunkten in ein Luft- und Raumfahrtpaneel bohren, der Prozess ist unabhängig davon derselbe. Hier ist der Schritt-für-Schritt, den wir verwenden Bohrer Kohlefaser Komponenten Fabrikintern:

1. Lochpositionen präzise markieren Verwenden Sie eine Vorlage, Zeichnung oder ein Computerprogramm. “Kohlenstofffaser ”CF“kosten Sie nicht zu viel freihändig für „Haben Sie sie nahe genug gebracht?”. Beim Handbohren funktioniert ein Mittelstempel auf Maskierungsband gut, aber nicht direkt auf nacktem CF stanzen.
2. Abdeckband sowohl Zwei Schichten von Malern Klebeband über die Ein - und Austrittsfläche ist die beste Möglichkeit, die Splitterung der Eintrittsfläche zu minimieren und einen saubereren Einstiegspunkt für den Bohrer zu bieten Außerdem wird der Faserauszug auf der Rückseite minimiert.
3. Nicht opferfähiger Träger einlegen Ein Stück Holzplatte mit Beteiligung 6 mm/1⁄4-½” dick) fest gegen die Austrittsschermaschine geklemmt ist eine Voraussetzung für die Herstellung eines sauberen Lochs Es stützt tatsächlich die untere Lage und eliminiert die Austrittsdelaminierung. Schubkraft.
4. Klemmteil sicher Wenn es sich während des Prozesses bewegt, erhalten Sie abgeschlagene Kanten und abgeschlagene Lochkanten Verwenden Sie spezielle Vorrichtungen oder C-Klemmen – das CF-Panel, das Trägermaterial und der Arbeitstisch sollten ein einzelnes, steifes Ganzes sein.
5. Beginnen Sie mit einem kleinen Bit für größere Löcher. Über 6 mm Durchmesser, zentrieren Sie ein Pilotloch (2-3 mm), bohren Sie, dann steigen Sie in einem oder zwei Bissen auf die endgültige Lochgröße. Dies minimiert die Schubkraft bei jedem Biss und hält gleichzeitig die Löcher gerade.
6. Max Drehzahl, Tiefdruck halten – siehe obige Bohrer-Drehzahl-Tabelle Nicht schieben; lassen Sie den Bohrer sein Ding machen.
7. Aufbohren und evakuieren! Ziehen Sie den Bohrer für jede Lochtiefe einige mm zurück. – Dadurch wird Kohlenstoffstaub evakuiert und Chippacker verhindert. Außerdem wird der Bohrer zwischen den Durchgängen gekühlt, um das Harz nicht thermisch auszubluten.
8. Entgraten, prüfen und versiegeln. Leicht über die Kanten von Löchern mit 220-Körner-Papier rollen, um die Kanten zu schleifen, und dann mit Isopropyl- oder Acetonreiniger abwischen; Es lohnt sich, zunächst die Faser zu untersuchen, bevor eine dünne Epoxidschicht aufgetragen wird, um schwächere Bereiche abzudichten, insbesondere wenn das Loch einen Bolzen unter Last konservieren soll.

Delaminations-, Splitter- und häufige Bohrfehler

Die überwiegende Mehrheit der CF-Bohrausfälle wird durch drei vermeidbare mechanische Fehltritte verursacht, obwohl ihre Ursachen immer wieder diagnostiziert werden, wie wir in unserer Werkstatt erfahren haben.

Fehler 1: Verwendung stumpfer oder falscher Bohrer

Ein stumpfes HSS-Bit verdaut keine Kohlefaser – es bekämpft, reibt, reißt und überhitzt sich. Beim Einlagern in die Fasern, beim Scherversagen des Fräsers kommt es zum Erweichen des Harzes in der Nähe der Schnittkante, bis sich die Fasern lösen und die Schichten delaminieren. HSS-Bits verlieren durch das Ausstechen schnell ihr Profil, und ich habe bereits nach 5-10 Löchern in Kohlefaser stumpfe Bits. Wenn Sie ein Loch haben, sieht es zunehmend trockener und rauer aus, ist das ein bisschen langweilig, ohne Bezug zu Ihrer Bohrtechnik!

Fehler 2: Überhöhte Futterquote

Je größer die Vorschubdrücke, desto offensichtlicher ist ein einfacher Polarisationseffekt, der die Zwischenschicht nur noch stärker auseinanderdrücken lässtWir haben für die MDPI-Polymere Papiere, dass die Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit den Zwischenschichtschub steuert - nicht die Scherung Fast direkt proportional – verdoppeln Sie die Vorschubgeschwindigkeit und Ihr Delaminationsindex steigt proportional. Kohlefaser liebt es, zuzusehen, wie Sie sich Zeit nehmen.

Fehler 3: Kein Trägermaterial

Viele CF-Knockdown-Ausfälle sind das Ergebnis schlechter Praxis, da die Austrittsfläche der Platte nicht unterstützt wird Ohne Unterstützung werden die unteren Fasergruppen so weit gedrückt, wie sie geschnitten werden Dies ist kostenlos terminierbar – stützen Sie die Austrittsfläche mit einem Block Holz, MDF oder Aluminiumblech und klemmen Sie fest, bis der Bohrer ausbricht.

Sicherheit und Werkstatteinrichtung für Kohlenstofffaserstaub

Kohlefaserstaub ist kein normaler Ladenstaub Die mikroskopisch kleinen Fasern (normalerweise 5-7 Mikrometer Durchmesser) sind scharfe spitze kleine Nadeln, die unter die Haut gelangen, die Lunge reizen oder die Augen schädigen können, wenn sie darauf landen Der noch schlimmere Teil ist, dass Kohlenstoffstaub elektrisch leitend ist.

Das Filmen von CF-Körnern kann auf den Leiterplatten, Netzteilen und Bedienfeldern landen, was zu einem schönen frittierten Kurzschluss führt, der Geräte im Wert von mehreren Tausend Dollar zerstört.

Heute wird die Arbeitsschutzbehörde der Vereinigten Staaten (OSHA) Einen OSHA-Stoffspezifischen Expositionsstandard für Kohlefaserverbundwerkstoffe gibt es nicht CF-Staub wäre unter aufgeführt OSHA-Tabelle Z-1 In der Kategorie PNOR (Particulates Not Other Regulated) mit einem PEL von 15 mg/m für Gesamtstaub und 5 mg/m

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  Atemschutzgerät: Mindestens P100 oder N95. Vollgesichts-Atemschutzgerät für schwere Bearbeitung oder erweiterte CF-Arbeit.
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  Augenschutz: Versiegelte Schutzbrille, Staub, keine Brille mit offenem Rahmen. Carbon umgeht lose Brillen.
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  Hautbedeckung: Lange Ärmel, Nitrilhandschuhe Freiliegende Haut + CF-Staub = anhaltender Juckreiz und Mikroabschürfungen.
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  Staubabsaugung: HEPA-Vakuum am Kontaktpunkt Unser Produktionsaufbau verwendet HEPA-Filtereinheiten, die 99,661TP3 T luftgetragener Partikel während des CNC-Betriebs einfangen.
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  Belüftung: Spezieller Fallstromtisch oder lokale Abluft Verwenden Sie niemals Druckluft, um CF-Staub von einem Werkstück zu blasen. Dadurch werden leitfähige Partikel über das gesamte Geschäft in der Luft transportiert.
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  Elektronikschutz: Halten Sie Computer, SPS und Schaltschränke versiegelt oder vom Bearbeitungsbereich entfernt.

Im Umgang mit Spezialisten, die über eine Zertifizierung in Luft- und Raumfahrtqualität verfügen, „Die Staubkontrolle ist Teil des Entwurfs des Gebäudes. „Eigene, geschlossene CNC-Zellen mit eingebauten Vakuums und HEPA-Systemen sind keine nachträgliche Werkstatt-Vac-Anordnung.

CNC-Bohren vs. Handbohren: Wann jede Methode anzuwenden ist

Nicht alle CF-Bohrarbeiten erfordern eine CNC-Maschine, und nicht alle Arbeiten sollten von Hand erledigt werden.” Ja, und die Antwort auf diese Frage wird durch die Anzahl der Löcher, die erforderliche Toleranz und die Bedeutung der Anwendung bestimmt.

Bohrer von Hand sind in Ordnung für die gelegentliche Reparatur oder Prototyp; ein guter Bohrer, gut scharfer Hartmetallbohrer, Trägerplatte und Abdeckband Ich werde die Arbeit machen Dremel mit winzigen Hartmetallbohrer ist schön und einfach für Detailarbeiten an dünnen CF. Für das Fräsen von Kanten oder Schneidschlitzen sind Diamantspitzenbohrer am saubersten.

Eine Bohrmaschine verbessert die Wiederholbarkeit. Eingespannte Vorrichtungen, gleichmäßiger Vorschubdruck und senkrechte Bohrausrichtung entfernen das Wackeln, das beim Handbohren ovale Löcher hervorrufen kann. Die ideale Bohrmaschine mit Hartmetallwerkzeugen für 5-50-teilige Prototyping-Läufe gleicht Kosten und Qualität aus.

CNC-Kohlenstofffaserbohrung. Hier erreicht Präzision neue Höhen.

Multi-Axis CNC-Maschinen, mit 0,01 mm Toleranzstufen, programmierten Hackzyklen und PCD-Werkzeugen, die Chancen für unzählige Löcher herausdrücken Für das anspruchsvolle Präzisionslochmuster (Verschlusskreise, Montageflansche, Steckverbinderausschnitte) gibt es einfach nichts zu vergleichen Nach dem Bohrer perfektioniert ein Reibahlendurchlauf die Lochabmessungen nach Luftfahrtspezifikationen.

Für Teams, die nicht über die hauseigene CNC-Kapazität verfügen, engagiert Ein Maschinist, der Erfahrung in der Arbeit mit Kohlefasern bei Produktionsmengen hat Kann oft ein schnellerer, kostengünstiger Weg sein als der Kauf spezieller Ausrüstung. Typische nicht spezialisierte Werkstattumstellung für die Prototypenproduktion und skalierbare Kapazität für die zukünftige Produktion.

Häufig gestellte Fragen