Vom Kunststoff bis zum Hartmetall
Die Eigenschaften von Werkstoffen werden maßgeblich durch die Art der Bindung zwischen den Atomen sowie deren Struktur bestimmt. Metallische Werkstoffe unterscheiden sich deutlich von nichtmetallischen Werkstoffen, die wiederum in anorganische und organische Werkstoffe unterteilt werden. In der Industrie sind insbesondere Glas und Keramik bei den anorganisch nichtmetallischen Werkstoffen von Bedeutung, während die organischen Werkstoffe Kunststoffe umfassen.
Verbundwerkstoffe, auch Composites genannt, werden in der Industrie eingesetzt, um bestimmte Eigenschaften verschiedener Werkstoffe zu kombinieren. Ein Beispiel hierfür sind carbonfaser-, glasfaser- oder aramidfaserverstärkte Kunststoffe (CFK, GFK und AFK), bei denen die Fasern in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind.
Nichtmetallische Werkstoffe - von Kunststoff bis Keramik
Der Leichtbau im Bereich der E-Mobilität und die Entwicklung kerosinsparender Flugzeuge haben dazu geführt, dass viele Metalle durch Kunststoffe ersetzt wurden. Verbundwerkstoffe wie CFK oder GFK bieten aufgrund ihrer hohen mechanischen Stabilität bei geringem Gewicht zahlreiche Vorteile. Die Zerspanung dieser Werkstoffe stellt jedoch aufgrund der gewünschten Kombination unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften eine besondere Herausforderung dar. Dies gilt auch für die Bearbeitung von keramischen Komponenten wie Zirkoniumdioxid in der Zahnprothetik.
Einige nichtmetallische Werkstoffe mit hohen Anforderungen sind:
Kevlar: Kevlar ist eigentlich ein Markenname von DuPont und bezieht sich auf Aramid (Aromatisches Polyamid), aus dem Fasern gesponnen werden. Kevlar zeichnet sich durch die hohe Festigkeit der dicht gepackten Fasern und die hohe Schlagzähigkeit aus. Das Material ist leicht und dämpft Schwingungen gut, weshalb es sich für Bauteile eignet, die Schlägen und Stößen ausgesetzt sind. Bei der Zerspanung von KFK besteht das Risiko der Delamination, bei der Schnittkanten ausfransen und das Bauteil beschädigt wird. Die Fasern können auch zu Abrieb an den Zerspanungswerkzeugen führen, wenn diese nicht speziell dafür ausgelegt sind.
CFK: Die Eigenschaften von CFK-Werkstoffen können durch die Ausrichtung und Art der Kohlenstoffasern beeinflusst werden. Mit einer Dichte, die etwa 20% im Vergleich zu Stahl beträgt, können vergleichbare Festigkeiten bei einer Gewichtsersparnis von 80% erreicht werden. Die Fasern sind in einem duroplastischen oder zunehmend thermoplastischen Kunststoff eingebettet. CFK ist zudem sehr ermüdungsfest. Der Werkstoff wird in der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizintechnik für Träger, Karosserieteile und Leichtbauliegen eingesetzt. Bei der Zerspanung sind ebenfalls Delamination und hoher Abrieb zu berücksichtigen.
GFK: Bei diesem Verbundwerkstoff sind Glasfasern in den Kunststoff eingebettet. GFK ist relativ stabil und kostengünstiger als CFK. Bei der Zerspanung besteht jedoch das Risiko von Delamination und aufgrund der Härte der Glasfasern zu abrasivem Verschleiß an den Zerspanungswerkzeugen.
Zirkoniumdioxid: In der Zahnmedizin wird Zirkonoxid für die Herstellung von Implantaten, Zahnkronen, Wurzelstiften und Teleskopprothesen eingesetzt. Die hohe Härte stellt bei der Zerspanung eine besondere Herausforderung dar.
Die Zerspanung von nichtmetallischen Werkstoffen stellt spezifische Herausforderungen für den Bearbeitungsprozess dar. Insbesondere beim Eintauchen und Austreten des Werkzeugs kann es zu Delamination bei faserverstärkten Kunststoffen kommen, was sich durch Ausfransungen und Absplitterungen bemerkbar macht. Harte Materialien wie Zirkoniumdioxid führen zu erhöhtem Verschleiß der Werkzeuge. Mit den hochwertigen Zerspanungswerkzeugen von SRC- Werkzeuge können jedoch auch diese werkstoffspezifischen Herausforderungen beim Fräsen, Drehen oder Bohren gemeistert werden.
