2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16371Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) werden wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit zunehmend in hoch belasteten Leichtbaustrukturen z. B. der Luftfahrt eingesetzt. Durch geeignete Anordnung unidirektionaler (UD-) Faserlagen können diese optimal den wirkenden Belastungsrichtungen angepasst werden. Aufgrund der geforderten Präzision ist im Anschluss an die Urformung zumeist eine Bearbeitung der Bauteilkonturen notwendig. Oft werden sie gefräst. Die mit der Zerspanung verbundene Werkstückbelastung birgt die Gefahr, die Funktionsflächen mechanisch und thermisch zu schädigen. Hierdurch werden teilweise hohe Reparatur- und Ausschusskosten verursacht.Die beim Fräsen erzeugte Wärme, ihre Ausbreitung in die Bauteilrandzone und die ggf. resultierende thermische Schädigung hängen u. a. wesentlich von der Faserorientierung gegenüber der Vorschubrichtung ab. In eigenen Vorarbeiten wurde ein für beliebige Faserorientierungswinkel gültiges analytisches Modell zur Berechnung des Temperaturfelds in orthotropen Bauteilen aus der dafür maßgeblichen (effektiven) Wärmequellenbreite und Wärmestromdichte entwickelt. Die letztgenannten Kenngrößen sind bis heute kaum erfassbar, sie konnten auf diesem Weg für exemplarische Einzelfälle aus Experimenten identifiziert werden.Das Ziel des Vorhabens ist, die Abhängigkeit der thermischen Prozesskenngrößen Wärmequellenbreite und Wärmestromdichte von den Eigenschaften des Werkstoffs und des Werkzeugs sowie von den Schnittbedingungen grundlegend zu erforschen. Dazu wird das für die CFK-Zerspanung vorhandene Bearbeitungszentrum zunächst zur thermomechanischen Prozesscharakterisierung messtechnisch optimiert. Auf der Grundlage der aus Experimenten identifizierten Kenngrößen sollen empirische Zusammenhänge abgeleitet und durch ein übergreifendes Gesamtmodell beschrieben werden. Auf diese Weise wird zukünftig die modellgestützte Simulation des Temperaturfelds und der thermischen Schädigung der Bauteilrandzone beim Fräsen von UD-CFK in Abhängigkeit der relevanten Einflussgrößen ermöglicht.Das für UD-CFK grundlegend entwickelte und im Rahmen des Projektes empirisch zu erweiternde Modell wird wichtige wissenschaftliche Erkenntnisse über die für die thermische Schädigung relevanten Wirkzusammenhänge beim Fräsen liefern. Es wird ein hoher Nutzen für die industrielle Praxis erwartet, da das für UD-CFK erarbeitete modellgestützte Simulationssystem zusätzlich Hinweise auf Prozessgrenzen beim Fräsen multiaxialer CFK-Gelege liefert. Die Übertragbarkeit auf multiaxiale CFK-Gelege sowie bislang vernachlässigte Effekte beispielsweise des Wärmeübergangs an der Bauteiloberfläche sollen in der zweiten Förderphase näher untersucht werden.Due to their remarkable specific strength and stiffness, carbon fiber reinforced plastics (CFRP) are increasingly used for highly loaded lightweight structures, e.g. in the aerospace industry. By suitable arrangement of unidirectional (UD) fiber layers, the fibers can be optimally adapted to the effective load directions. After the original near-net forming process, it is usually necessary to machine the components to meet the precision requirements. Often, milling is used for this step. Workpiece loads associated with machining carry the risk of damaging the functional surfaces mechanically and thermally which may lead to high costs due to repair or scrap.The heat generated during machining, its distribution within the part and the resulting thermal damage are, amongst other factors, dependent on the fiber orientation with respect to the feed direction. In preliminary research, an analytical model for the calculation of the temperature field within orthotropic workpieces for arbitrary fiber orientations was developed. In this model, the (effective) heat source width and the heat flux are of primary importance. Currently, those parameters are difficult to assess, but could be identified for exemplary individual cases from experiments in this research.The objective of this research proposal is to fundamentally investigate the dependence of the thermal process parameters heat source width and heat flux on tool and material properties as well as on the cutting conditions. For this purpose, the existing machining center for cutting of CFRP is enhanced with the necessary measuring equipment for thermomechanical process characterization. Based on experimentally identified features, empirical correlations are deduced and described by a comprehensive model. Thus, the model-based simulation of the temperature field and thermal damage in the heat-affected zone of UD-CFRP workpieces is established as a function of the relevant input parameters.The model established for UD-CFRP is empirically expanded within this project and thereby delivers scientifically relevant findings on cause-effect relationships of thermal damages in machining. It is expected to be of high value for industrial practice, as the model-based simulation of UD-CFRP systems reveals process limits when machining CFRP made of non-crimped fabrics (NCF). The portability to NCF-CFRP as well as the implementation of neglected effects, e.g. the heat transfer at the part surface, will be further investigated in the second funding phase.