Connova produziert als zertifizierter Partner für die Pilatus Flugzeugwerke verschiedene Faserverbundbauteile, die unter anderem in dem Business Jet PC-24 zum Einsatz kommen. (Bild: Connova)
Der richtige Umgang mit Faserverbundwerkstoffen ist eine Spezialität der Schweizer Connova Gruppe, Villmergen – von der Entwicklung über den Prototypenbau bis zur Serienfertigung. In der Einzelteilfertigung ist jedoch noch viel Handarbeit gefragt, unterstützt durch den Einsatz diverser Handwerkzeuge. Seit kurzem wird der Fiber Composite Nibbler von Trumpf, Ditzingen, eingesetzt, der sogar Aramidfasern trennt.
Zukunftsträchtiger, hybrider CFK/GFK Materialaufbau: Das gemeinsam von Connova und Porsche entwickelte Hitzeschild für den Porsche Spyder 918. (Bildquelle: Connova)
Als Schwerpunkte der im Jahr 2010 gegründete Connova nennt Geschäftsführer Jon Andri Jörg den F1-Rennsport, den automobilen Sportwagensektor sowie die Luft-/Raumfahrt. Unternehmen dieser Branchen nutzen Hochleistungs-Faserverbundstrukturen besonders gerne. Denn die hohe Stabilität solcher Bauteile, gepaart mit extrem geringem Gewicht, wirkt sich unmittelbar auf Sicherheit, Leistung und Verbrauch aus. Dementsprechend gefragt ist das Know-how des Compositesherstellers beispielsweise beim Schweizer Rennstall Alfa Romeo Racing. Für diesen Formel-1-Boliden produziert das schweizer Unternehmen jedes Jahr mehrere 1.000 Bauteile mit speziell aufgebauten, unidirektionalen Faserstrukturen. Vom Hitzeschutz bis hin zu diversen Aerodynamikbauteilen wie zentralen Teilen des Frontflügels. Auch Porsche nutzt das Schweizer Wissen im Rahmen einer engen Entwicklungspartnerschaft. Unter anderem wurde ein Hochtemperatur-Hitzeschild für den Motorraum des Supersportwagens 918 Spider entwickelt und gebaut.
Stefan Wyss, bei Connova für Luftfahrt verantwortlicher Projektmanager, ist vom Faserverbundnibbler überzeugt. (Bildquelle: Trumpf)
Als besonders interessant schildert der für Luftfahrt verantwortliche Projektmanager Stefan Wyss die vielfältigen Aufgaben für den Flugzeughersteller Pilatus: „Wir produzieren als zertifizierter Partner inzwischen rund 140 verschiedene Faserverbundbauteile für den Business Jet PC-24. Einen Großteil davon baut unser Kunde im Interieur ein, beispielsweise im Cockpit. Aber auch die aus CFK gefertigte Einstiegstreppe stammt von uns.“
Besäumen von Prototypen mit Handwerkzeug
Das Herstellen der Formen und Werkzeuge sowie das maßgenaue Fräsen und Besäumen der Serienproduktion erfolgt auf modernen Fünfachs-CNC-Maschinen. Der grobe Zuschnitt großer Teile und das Besäumen von Prototypen übernehmen die Mitarbeiter hingegen primär von Hand. Gleiches gilt für diverse Einzelteile, die nicht in Serie gehen. Eine Aufgabe, für die sich der neue Fiber Composite Nibbler Trutool FCN 250 von Trumpf eignet.
Stefan Wyss erinnert sich, dass die erste Testmaschine des Faserverbundnibblers aufgrund eines solchen Einzelteilauftrags in seine Abteilung kam: „Uns lag 2018 die Anfrage eines Unternehmens vor, das ein Flugzeug aus den 60er-Jahren wieder auflegen wollte. Viele der nachzubauenden Teile bestehen aus aramidfaserverstärktem Kunststoff (AFK). Diese zu trennen stellt eine besondere Herausforderung dar.“
Laut dem Projektmanager verwendeten Fertigungsbetriebe in früheren Jahren dafür sogenannte Wasserstrahl-Handwerkzeuge. Diese sind aber enorm gefährlich und dürfen heute nicht mehr eingesetzt werden. „Das ist natürlich vollkommen richtig, aber im Fall unserer AFK-Bauteile ein Problem“, sagt Wyss und ergänzt: „Denn Aramidfasern lassen sich weder mit Sägen noch mit Winkelschleifern vernünftig trennen. Wir erreichen mit diesen Werkzeugen einfach keine sauberen und genauen Schnittkanten. Zudem entstehen oft gefährliche Stäube und viel Rauch.“ Nicht zu unterschätzen sei darüber hinaus der durch die schnell drehenden Scheiben verursachte, intensive Wärmeeintrag in das Material, der zu einer Delamination führt – das heißt, die mit Kunststoff verbundenen Faserschichten lösen sich an den Schnitträndern ab.
Grund genug, sich auf die Suche nach einem alternativen Verfahren zu machen. Der Einsatz von Fräsmaschinen ist für eine solche Einzelteilefertigung schlichtweg zu teuer. Zudem ist der Werkzeugverschleiß bei Aramidfasern enorm groß. Stationäre Wasserstrahlanlagen haben von technischer Seite mit dem Trennen dieses Werkstoffs kein Problem. „Aber der Aufwand für das Programmieren, Einrichten und die anzusetzenden Maschinenkosten stehen für die wenigen Einzelteile in keinem Verhältnis zum Ertrag“, berichtet Stefan Wyss.
Butterweich durch Aramidfasern
Bei Connova werden verschiedene Faserverbundstoffe geschnitten. Selbst schwer trennbare Aramidfasern schneidet das Werkzeug problemlos. (Bildquelle: Trumpf)
Glücklicherweise bekam der Ingenieur zu dieser Zeit eine Anfrage von Trumpf, ob er als Testkunde für einen neuen Faserverbundnibbler zur Verfügung stehen würde. Die Entscheidung fiel nicht schwer, und von dem Ergebnis war der Connova Projektmanager schnell begeistert: „Dieser neue Nibbler ging butterweich durch das AFK, ohne Rauch und Staub. Dabei erzeugt er beim Schneiden auf Sicht für ein Handwerkzeug erstaunlich saubere und exakte Kanten.“
Genauso gut trennt Werkzeug carbonfaserverstärkte (CFK), glasfaserverstärkte (GFK) Kunststoffe sowie Duroplaste und Thermoplaste. Um dies zu ermöglichen, hat der Werkzeugmaschinenhersteller unter anderem die Schneidgeometrie und die Schneidwerkzeuge auf das neue Material hin angepasst. Stefan Anshelm, Leiter Vertrieb Elektrowerkzeuge International, erläutert diverse Vorteile der aus der Metallbearbeitung stammenden Technologie: „Beim Nibbeln handelt es sich um einen kalten Prozess ohne Wärmeeinfluss. Als Werkzeug dienen ein Stempel, der schnell aufeinanderfolgende Stanzhübe ausführt, und eine Matrize, die diese Kraft aufnimmt. Da wir hochwertige, beschichtete Schneidwerkzeuge einsetzen, vermeiden wir eine Delamination sowie ein Ausfransen der Schnittkante und Connova erzielt deshalb die eben schon beschriebene hohe Schnittkantenqualität.“
Mitunter sind ein paar Linien an den Bauteilen vorgegeben, an denen die Vorschnitte mit dem Nibbler erfolgen. (Bildquelle: Trumpf)
Bis zu 2,5 mm Materialstärke schneidet der neue Nibbler mit einer Arbeitsgeschwindigkeit von 1,9 m/min. Dank freier Sicht auf die Arbeitsfläche lassen sich die Trennschnitte sehr genau an einem Anriss entlang oder einer Schablone führen. Dabei sind selbst enge Radien möglich. Stefan Wyss bestätigt dies und nennt lediglich Grenzen, wenn höchste Präzision gefordert ist oder das Material zu dünn wird: „Wenn wir Gewebebauteile trennen, stoßen wir unterhalb von 0,5 mm Materialstärke an die Grenze des für den Trumpf Nibbler sauber Machbaren. Bei unidirektionalen Faserstrukturen brauchen wir für die bei uns geforderte Schnittqualität mindestens 0,8 mm.“
Gute Standzeiten der Verschleißteile
Connova hat zwar noch keine besonders umfangreichen Einsatzerfahrungen, aber Wyss betrachtet die vom Hersteller angegebenen rund 300 m Standzeit für eine Matrize beim Trennen von zwei Millimeter starkem GFK oder CFK als realistische Größe. Für den Stempel veranschlagt Trumpf etwa 150 m, wobei sich die Standzeit bei dünnerem Material erhöht. Ein Stempelwechsel funktioniert ohne zusätzliche Hilfsmittel und innerhalb weniger Sekunden. Daher ist Stefan Anshelm überzeugt, dass die Kosten pro Meter im Vergleich zu anderen Trennverfahren um bis zu 50 Prozent niedriger sind.
