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Werkstoffe

Nichtmetallische Werkstoffe

Auch Nichtmetalle fordern Zerspaner heraus

Nichtmetallische Werkstoffe sind alle, die keine Metalle in ihrer Werkstoffmatrix enthalten. Interessant für die Industrie sind vor allem Kunststoffe aber auch Glas oder Keramik. Sie gehören zur ISO-X-Gruppe. Aus der Welt der Kunststoffe sind aufgrund der allgemeinen Leichtbaubestrebungen zur Ressourcenschonung bei Fahrzeugen und Transportmitteln, vor allem carbonfaser-, glasfaser- und bedingt auch kevlarfaserverstärkte Kunststoffe (CFK, GFK und KFK) gefragt. Die Fasern werden dazu in eine Kunststoffmatrix eingebettet. Anschließend erfolgt eine Pressung zu Bauteilen.
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. Den Bauteilen aus Nichtmetallen ist in Regel aber gemein, dass sie noch zerspanend bearbeitet werden müssen, um einsatzfähig zu sein. Das gilt auch für keramische Komponenten 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: CFK ist rund vier- bis fünfmal fester als Stahl und um den gleichen Faktor leichter. Die Fasern sind in duroplastischem (nicht wieder schmelzbarem) oder immer öfter auch thermoplastischem (wieder schmelzbarem) 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 der abrasive Effekt auf das Zerspanungswerkzeug.
  • Zirkon: Bei Zirkon handelt es sich um ein Mineral. Es wird allerdings als Zirkoniumdioxid in weiten Teilen der Zahnmedizin eingesetzt, etwa zur Herstellung von Implantaten, Zahnkronen, Wurzelstiften oder Teleskopprothesen. Bei der Bearbeitung des Materials, das sehr hart ist, ist der hohe Verschleiß der Zerspanungswerkzeuge ein Problem.

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. Keramikartige 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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