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Werkstoffe

Nichtmetallische Werkstoffe

Auch Nichtmetalle fordern Zerspaner heraus

Die Art der Bindung zwischen den Atomen eines Werkstoffes sowie deren Struktur bestimmen maßgeblich dessen Eigenschaften. Die metallischen Werkstoffe unterscheiden sich dabei deutlich von den nichtmetallischen. Wiederum unterteilen sich die nichtmetallischen Werkstoffe in anorganische und organische Werkstoffe. Industriell bedeutsam sind bei den anorganisch nichtmetallischen Werkstoffen insbesondere Glas und Keramik. Die organischen Werkstoffe beinhalten alle Kunststoffe.
Um gewisse Eigenschaften verschiedener Werkstoffe zu kombinieren, z.B. aufgrund der allgemeinen Leichtbaubestrebungen zur Ressourcenschonung bei Fahrzeugen und Transportmitteln, setzt die Industrie Verbundwerkstoffe ein. Diese Gruppe beinhaltet beispielsweise carbonfaser-, glasfaser- oder auch aramidfaserverstärkte Kunststoffe (CFK, GFK und AFK). Die Fasern sind dabei in eine Kunststoffmatrix eingebettet.
Nichtmetallische Werkstoffe – von Kunststoff bis Keramik

Der Leichtbau in Sachen E-Mobilität und Entwicklung kerosinsparenderer Flugzeuge hat viele Metalle durch Kunststoffe ersetzen können. Verbundwerkstoffe oder auch Composites, wie CFK oder GFK, punkten durch ihre hohe mechanische Stabilität und gleichzeitig geringem spezifischen Gewicht. Die Zerspanung dieser Werkstoffe stellt aufgrund der für die Anwendung gewünschten Kombination unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften eine besondere Herausforderung dar. Das gilt auch für die Bearbeitung von keramischen Komponenten z.B. aus Zirkoniumdioxid in der Zahnprothetik.

Einige nichtmetallische Werkstoffe mit hohen Anforderungen sind:

  • Kevlar: Der Begriff ist eigentlich ein Markenname von DuPont und betrifft Aramid (Aromatisches Polyamid), aus dem man Fasern spinnt. Der Vorteil liegt in der hohen Festigkeit dichtgepackter Fasern und der hohen Schlagzähigkeit. Auch ist das Material recht leicht und dämpft Schwingungen gut. Es eignet sich also für schlag- und stoßbeanspruchte Bauteile. Bei der Zerspanung von KFK besteht die Gefahr der Delamination, wobei es zum Ausfransen der Schnittkanten kommt und damit zu einer Beschädigung des Bauteils. Die Fasern wiederum belasten Zerspanungswerkzeuge durch Abrasion, wenn sie nicht speziell dafür ausgelegt sind.
  • CFK: Die Eigenschaften verschiedener CFK Werkstoffe lassen sich durch die Ausrichtung und Art der Kohlenstoffasern beeinflussen. Bei einer Dichte, die ca. 20% im Vergleich zu Stahl beträgt, lassen sich damit bei einer Gewichtsersparnis von 80% vergleichbare Festigkeiten erreichen. Die Fasern sind in duroplastischem oder immer öfter auch thermoplastischem Kunststoff eingebettet. Darüber hinaus ist CFK sehr ermüdungsfest. Der Werkstoff kommt für Träger und Karosserieteile im Automobilbau, der Luft- und Raumfahrt sowie für Leichtbauliegen in der Medizintechnik zum Einsatz. Bei der Zerspanung sind ebenfalls die Delamination und die starke Abrasivität zu berücksichtigen.
  • GFK: Bei diesem Verbundwerkstoff sind Glasfasern in die Kunststoffe eingebettet. GFK ist relativ stabil und günstiger als CFK. Bei der Zerspanung drohen wieder Delamination und aufgrund der hohen Härte der Glasfasern abrasiver Verschleiß am Zerspanungswerkzeug.
  • Zirkoniumdioxid: In weiten Teilen der Zahnmedizin wird Zirkonoxid eingesetzt, etwa zur Herstellung von Implantaten, Zahnkronen, Wurzelstiften oder Teleskopprothesen. Bei der Bearbeitung des Materials stellt wieder die hohe Härte eine Herausforderung für die Zerspanung dar.

Die Zerspanung von nichtmetallischen Werkstoffen stellt also auch ganz spezielle Herausforderungen an den Bearbeitungsprozess. Insbesondere beim Eintauchen und Austreten des Werkzeugs kommt es leicht zur Delamination bei faserverstärkten Kunststoffen. Sie wird in Form von Ausfransungen und Absplitterungen sichtbar. Harte Materialien, wie Zirkoniumdioxid, verschleißen die Werkzeuge. Aber mit den hochwertigen Zerspanungswerkzeugen von ZCC-CT gelingt es, auch diese werkstoffspezifischen Herausforderungen beim Fräsen, Drehen oder Bohren zu bewältigen.

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