一, Das Hauptproblem bei der Verarbeitung von Verbundwerkstoffen für Autos
Ein Verbundwerkstoff besteht aus einer Matrix (wie Harz oder Metall) und einer Verstärkung (wie Kohlefaser oder Glasfaser). Die Verarbeitung dieser Materialien ist schwierig, da drei große Probleme gelöst werden müssen:
Gefahr der Delamination und des Reißens: Wenn die Schnittkraft nicht gleichmäßig ist, kann es leicht zu einer Delamination zwischen den Schichten kommen. Dies gilt insbesondere beim Bohren und Fräsen, wo eine Materialablösung die Festigkeit der Struktur sofort verringert.
Zunehmender Werkzeugverschleiß: Kohlefaser und andere Verstärkungsmaterialien sind deutlich härter als Metalle. Bei der Bearbeitung verschleißen Standardwerkzeuge schnell, was zu Veränderungen der Schnittkraft und einer Verschlechterung der Oberflächenqualität führt.
Problem mit Wärmestau: Verbundwerkstoffe leiten die Wärme nicht gut und die Konzentration der Wärme während der Verarbeitung kann leicht dazu führen, dass das Material zerfällt, seine Form verändert oder sogar die Oberfläche beschädigt.
Beispielsweise ist die Verarbeitung von kohlenstofffaserverstärktem Polymer (CFK) drei- bis fünfmal schwieriger als die Verarbeitung von Aluminiumlegierungen. Die Ausschussquote für typische manuelle Bearbeitung oder Bearbeitung mit Werkzeugmaschinen für allgemeine Zwecke liegt bei 20 % oder mehr, wohingegen im Automobilsektor in der Regel eine Teilequalifizierungsquote von 99,5 % oder mehr erforderlich ist. Diese Diskrepanz zeigt, warum die CNC-Bearbeitungstechnologie verbessert werden muss.
2, Die vier Hauptvorteile der CNC-Bearbeitungstechnologie für die Arbeit mit Verbundwerkstoffen
1. Hochpräzise Steuerung: Erfüllt strenge Toleranzstandards
Fünf-Achsenverbindungen, ein mikrometergenaues-Positionierungssystem und eine geschlossene-Rückkopplungssteuerung ermöglichen CNC-Werkzeugmaschinen das präzise Schneiden von Verbundwerkstoffen. Zum Beispiel:
Motorhaube: Durch fünf{0}Achsen-CNC-Fräsen wird sichergestellt, dass die Oberflächenprofiltoleranz kleiner oder gleich 0,05 mm ist, wodurch Vibrationsgeräusche aufgrund des Montagespiels verhindert werden.
Batteriegehäuse: Die Öffnungstoleranz wird durch Hochgeschwindigkeits-Bohr- und Fräsverbundtechnologie auf H7-Niveau (0 bis +0.015mm) gehalten, um sicherzustellen, dass die Dichtung funktioniert.
Aufhängungsarm: Ein mehrachsiges CNC-Bearbeitungszentrum kann komplexe Oberflächenbearbeitungen in einer Aufspannung durchführen, mit einer Form- und Positionstoleranz (z. B. Koaxialität) von weniger als oder gleich 0,02 mm, was die Bewegung stabiler macht.
2. Flexible Produktion: Kann viele verschiedene Typen und kleine Chargen verarbeiten
Automobilverbundteile sind „leicht und anpassbar“, was es für traditionelle Spezialmaschinen schwierig macht, mit der Notwendigkeit schneller Umrüstungen Schritt zu halten. Die CNC-Bearbeitung macht die Produktion durch den Einsatz folgender Methoden flexibler:
Modulares Vorrichtungssystem: Positioniervorrichtungen für verschiedene Teile schnell wechseln, wodurch die Zeit für den Wechsel von 2 Stunden auf 15 Minuten verkürzt wird;
Intelligente Programmiersoftware: Basierend auf einer integrierten CAD/CAM-Plattform erstellt sie automatisch die besten Werkzeugwege, was weniger Arbeit für den Menschen bedeutet;
Online überwachen und bezahlen: Laserinterferometer, Kraftsensoren und andere Werkzeuge erfassen Verarbeitungsdaten-in Echtzeit und die Schneideinstellungen werden im Handumdrehen geändert, um sicherzustellen, dass jede Charge gleich ist.
Beispielsweise stellt ein Unternehmen für neue Energiefahrzeuge Räder aus Verbundwerkstoff mithilfe eines 5-Achsen-CNC-Bearbeitungszentrums her. Durch die Optimierung des Codes sinkt die Zeit, die für die Bearbeitung eines Artikels benötigt wird, von 45 Minuten auf 28 Minuten und die Ausschussrate sinkt von 12 % auf 0,8 %.
3. Spezialisierte Schneidwerkzeuge und Prozessoptimierung: Lösungen für Herausforderungen bei der Verarbeitung von Materialien finden
Basierend auf den Eigenschaften von Verbundwerkstoffen wurden zahlreiche maßgeschneiderte Lösungen für die CNC-Bearbeitung entwickelt.
Zum Einsatz kommen diamantbeschichtete (PKD) oder kubische Bornitrid (CBN) Werkzeuge. Sie sind drei- bis fünfmal härter als Hartlegierungen und halten mehr als zehnmal länger;
So schneiden Sie:
Rückwärtsfräsverfahren: Minimiert die Möglichkeit einer Delaminierung und reduziert Änderungen der Schnittkraft;
Zykloidfräsen: Indem der Werkzeugweg so effizient wie möglich gestaltet wird, wird die beim Schneiden entstehende Wärme verteilt, um eine Überhitzung an einer Stelle zu minimieren.
Niedertemperaturkühlung: Um die Temperatur im Verarbeitungsbereich unter -50 Grad zu halten, wird Flüssigstickstoff- oder Gaskühlungstechnologie eingesetzt. Dadurch wird eine thermische Verformung verhindert.
Parameteroptimierung: Verwenden Sie orthogonale Tests, um die beste Schnittgeschwindigkeit (800–1200 m/min), Vorschubgeschwindigkeit (0,05–0,1 mm/U) und Schnitttiefe (0,2–0,5 mm) zu finden, die Qualität und Effizienz in Einklang bringen.
4. Intelligente Integration: Sorgen Sie dafür, dass der gesamte Prozess besser funktioniert.
Moderne CNC-Systeme nutzen IIoT, digitale Zwillinge und KI, um die Produktion von Verbundwerkstoffen intelligenter zu gestalten.
Digitale Zwillingssimulation: Simulation des Bearbeitungsprozesses im virtuellen Raum, frühzeitige Erkennung von Konflikten, Verbesserung der Werkzeugwege und Reduzierung der Anzahl von Testschnitten;
Adaptive Steuerung: Änderung der Schnittparameter in Echtzeit basierend auf der Härte des Materials, der Richtung der Fasern und anderen Faktoren, um die Bearbeitung stabil zu halten;
Vorausschauende Wartung: Sensoren können Dinge wie Maschinenvibrationen, Spindeltemperatur und andere Daten im Auge behalten, um herauszufinden, wann Werkzeuge verschleißen oder Geräte ausfallen, und dann kann die Wartung im Voraus geplant werden.
Ein weltweit tätiger Automobilzulieferer installierte ein intelligentes CNC-System, das die Gesamtanlageneffizienz (OEE) seiner Antriebswellenbearbeitungslinie aus Verbundwerkstoffen um 40 % verbesserte und die jährlichen Wartungskosten um 35 % senkte.
3, Beispiele dafür, wie die Branche es nutzt und was die Zukunft bringt
1. Häufige Situationen, in denen es verwendet wird
Strukturbauteile der Karosserie: Das Tesla Model S verfügt über CNC-bearbeitete CFK-Karosserieteile. Diese Paneele sind 60 % leichter als Stahlteile und aufgrund der präzisen Bearbeitung sicher im Falle eines Unfalls.
Teile des Antriebssystems: Die Kohlefaser-Antriebswelle des BMW i3 wird mit fünf-Achsen CNC geschnitten, was ihm ein dynamisches Gleichgewichtsniveau von G1,0 verleiht und ihn im Betrieb um 5 dB leiser macht. Innenteile: Die Mercedes-Benz S-Klasse verwendet CNC-geschnitzte Carbonfaser-Dekorstreifen mit einer Oberflächenrauheit von Ra kleiner oder gleich 0,2 μm, die hohen ästhetischen Ansprüchen gerecht werden.
2. Trends in der zukünftigen Entwicklung
Ultra-Präzisionsbearbeitung: Die CNC-Bearbeitung muss in der Lage sein, mit Verbundwerkstoffen in Wasserstoff-Brennstoffzellen und Festkörperbatterien zu arbeiten, was bedeutet, dass sie mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich- (± 0,001 mm) arbeiten muss.
Dinge auf eine Art und Weise herstellen, die gut für die Umwelt ist: Um die Menge an flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs), die bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen freigesetzt werden, zu verringern, müssen wir umweltfreundliche Methoden wie Trockenschneiden und Niedertemperaturschmierung entwickeln.
Bei der Verbundprozessintegration werden CNC-Bearbeitung, Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden und andere Technologien zusammen verwendet, um eine „schlüsselfertige“ Lösung für die Herstellung von Teilen aus Verbundwerkstoffen zu schaffen.
