DE102016014918A1

DE102016014918A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Polieren von CFK-Probekörpern

Info

Publication number: DE102016014918A1
Application number: DE102016014918.3A
Authority: DE
Inventors: Alfred Hasselhuhn
Original assignee: Bundesamt fuer Ausruestung Informationstechnik und Nutzung der Bundeswehr; Bundesministerium der Verteidigung
Current assignee: Bundesamt fuer Ausruestung Informationstechnik und Nutzung der Bundeswehr; Bundesministerium der Verteidigung
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2018-06-21

Abstract

Vorgestellt wird eine Vorrichtung zum Polieren von CFK-Probekörpern zur Erzeugung einer untersuchungsfähigen Oberfläche, umfassend mindestens einen den oder die Probekörper in Längsrichtung umschließenden Rahmen, mindestens eine Spannvorrichtung am umschließenden Rahmen, mindestens ein Schleifwerkzeug insbesondere zum Bearbeiten der CFK-Probekörper, sowie mindestens ein Polierwerkzeug insbesondere zum Herstellen einer untersuchungsfähigen Oberfläche.

Description

Bei der Prüfung Kohlenstofffaser verstärkter Verbundstoffe (CFK) werden u.a. unterschiedliche Festigkeitsuntersuchungen durchgeführt. Im Rahmen dieser Tests ist es wichtig, sowohl bereits im Vorfeld der Prüfung bzw. im Rahmen des Einspannens der Probekörper z.B. in die Zugprüfmaschine, als auch während der Durchführung des eigentlichen Versuches, feststellen zu können, ob eine Schädigung bzw. ein Versagen des Probekörpers vorliegt bzw. beginnt. Dies ist an feinen Haarrissen an den sichtbaren Seitenkanten visuell festzustellen.
Voraussetzung hierfür ist, dass die Probekörper an den sichtbaren Seitenkanten in Richtung der Fasergelege (Faserrichtung) hochglanzpoliert und frei von kleinsten Riefen und Kratzern sind.
Bisherige Verfahren zum Polieren verwenden gängige Prozeduren beispielsweise aus der Metallographie mit Schleifpasten, Schleiftellern oder Ähnlichem. In bisherigen Verfahren wurden die Probekörper zerteil, die einzelnen Probenstücke in ein Harz eingebettet, und die Oberfläche jedes einzelnen Probestückes von Hand geschliffen und poliert.
Der Nachteil des Stands der Technik ist, dass mit den bislang verwendeten Verfahren des Einspannens und Polierens die benötigte Oberflächenqualität nur mit sehr großem Aufwand und Erfahrung darstellbar ist. Bei der anschließenden Prüfung ist es schwierig zwischen Kratzern/Riefen, die durch das Schleifen/Polieren entstanden sind und beginnenden Rissen durch die Prüfbelastung zu unterscheiden.
Ein weiterer Nachteil ist die lange Bearbeitungszeit des Verfahrens, was durch die Bearbeitung jedes einzelnen Probestücks begründet ist.
Ein weiterer Nachteil ist die mangelnde Wiederholbarkeit des bisherigen Schleif- und Polierverfahrens durch die Abweichungen der manuellen Bearbeitung.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine untersuchungsfähig riefen- und kratzerfreie Oberfläche an den Seitenkanten von CFK-Probekörpern zu erzeugen, die im weiteren Verlauf von Festigkeitsuntersuchungen eine einfache und eindeutige Erkennung von beginnender Rissbildung ermöglicht. Die beginnende Rissbildung ist ein Zeichen von Materialermüdung.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs sowie des nebengeordneten Verfahrensanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Polieren von CFK-Probekörpern zur Erzeugung einer untersuchungsfähigen Oberfläche umfasst mindestens einen den oder die Probekörper in Längsrichtung umschließenden Rahmen, welcher mindestens eine Spannvorrichtung aufweist. Die Spannvorrichtung dient der Fixierung eines mindestens einen CFK-Probekörpers im Rahmen. Als mögliche Ausführungsformen einer Spannvorrichtung sind dem Stand der Technik diverse Möglichkeiten bekannt.
Das mindestens eine Schleifwerkzeug, insbesondere zum Bearbeiten der CFK-Probekörper, dient dem Vorschleifen der CFK-Probekörper. Hierbei wird ein Aufmaß von ca. 0,1 Millimetern berücksichtigt. Dieses Aufmaß wird beim späteren Bearbeiten durch das mindestens eine Polierwerkzeug abgetragen.
Das mindestens eine Polierwerkzeug dient insbesondere dem Herstellen einer untersuchungsfähigen Oberfläche. Die untersuchungsfähige Oberfläche darf nur noch Kratzer und Riefen aufweisen, welche deutlich von den durch die Vorschädigung entstandenen Rissen unterscheidbar sind. Dies ist durch eine geeignete Wahl des mindestens einen Polierwerkzeuges möglich. Eine hohe Wiederholpräzision wird durch feste Maschinen- und Bearbeitungsparameter erreicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 ist bei der Fixierung der CFK-Probekörper im Rahmen mindestens ein erstes Distanzstück verwendbar. Das mindestens erste Distanzstück wird benötigt, falls auf beiden Seiten des oder der CFK-Probekörper ohne Ausspannen der CFK-Probekörper aus dem Rahmen untersuchungsfähige Oberflächen geschaffen werden sollen.
Das mindestens eine erste Distanzstück kann geteilt sein, sodass es aus zwei oder mehr Elementen besteht. Eine Teilung des mindestens einen ersten Distanzstücks erzeugt bei Benutzung an gegenüberliegenden Seiten des Rahmens eine höhere Stabilität bei der Fixierung des/der CFK-Probekörper.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 ist bei der Fixierung der CFK-Probekörper mindestens ein zweites Distanzstück verwendbar. Das mindestens eine zweite Distanzstück wird bei der Fixierung des/der CFK-Probekörper zwischen einer Auflage des/der CFK-Probekörper gelegt. Die Dicke des mindestens einen zweiten Distanzstücks ist für den Abstand von Rahmen zur Oberfläche des/der CFK-Probekörpers verantwortlich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 ist das Schleifwerkzeug ein Schleifteller. Der Schleifteller dient einer groben Vorbearbeitung der zu untersuchenden Oberfläche.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 ist das Polierwerkzeug eine Diamantpolierscheibe. Eine Diamantpolierscheibe eignet sich besonders gut für die Erzeugung einer untersuchungsfähigen Oberfläche, da sie besonders hart und feinkörnig sind und so eine besonders hochwertige Oberfläche erzeugen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 stammen die CFK-Probekörper aus CFK-Probenplatten, welche nach DIN EN 2565 hergestellt wurde.
Eine Verwendung von partikelfreiem Kühlmittel, beispielsweise durch Zentrifugenreinigung, ist nötig.
Das Verfahren zum Polieren von CFK-Probekörpern, umfasst folgende Schritte:

1. Vorschleifen mit einem Schleifteller in Querrichtung des/der CFK-Probekörper mit einem Aufmaß von mindestens 0,1 Millimeter zum späteren Endmaß. Hierbei entstehen Querriefen, welche quer zum Faserverlauf orientiert sind.
2. Polierschleifen mit einer Polierscheibe in Längsrichtung des/der CFK-Probekörper mit den Parametern:
- • Schnittgeschwindigkeit im Bereich von 8,5 bis 12,5 Meter pro Sekunde
- • Vorschub im Bereich von 480 bis 720 Millimeter pro Minute
- • Zustellung bis maximal 2 Mikrometer

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen

1 die Vorrichtung zum Polieren von CFK-Probekörpern in isometrischer Darstellung ohne eingespannte CFK-Probekörper
2 die Vorrichtung zum Polieren von CFK-Probekörpern in isometrischer Darstellung mit mehreren eingespannten CFK-Probekörpern
3 den Poliervorgang in schematischer Darstellung.

Die 1 zeigt eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Polieren von CFK-Probekörpern zur Erzeugung einer untersuchungsfähigen Oberfläche. Der mindestens eine den oder die Probekörper in Längsrichtung umschließenden Rahmen besteht aus Stahl. Dies hat neben der hohen Steifigkeit des Werkstoffes den Vorteil, dass der Rahmen durch einen Magnettisch gesichert werden kann.
Die 2 zeigt insbesondere die Funktionsweise der mindestens einen Spannvorrichtung. Die mindestens eine Spannvorrichtung am umschließenden Rahmen ist im Ausführungsbeispiel durch Schrauben umgesetzt, welche die CFK-Probekörper an mehreren Stellen klemmen. Die CFK-Probekörper stammen aus CFK-Probenplatten, welche nach DIN EN 2565 hergestellt wurden.
Die 3 zeigt die Verwendung des mindestens einen ersten und des mindestens einen zweiten Distanzstückes. Bei der Fixierung der CFK-Probekörper im Rahmen ist ein erstes Distanzstück in Verwendung. Das erste Distanzstück ist zweigeteilt und an den Enden in Längsrichtung durch Schrauben am Rahmen befestigt. Die Zweiteilung erhöht die Standsicherheit.
Bei der Fixierung der CFK-Probekörper ist mindestens ein zweites Distanzstück in Verwendung. Das mindestens eine zweite Distanzstück wird zwischen den CFK-Probekörpern und der Auflagefläche eingesetzt. Dadurch kann das mindestens eine zweite Distanzstück gewährleisten, dass sich die Oberfläche der CFK-Probekörper zwischen der Auflagefläche und dem Rahmen befindet.
Das Schleifwerkzeug ist ein Schleifteller. Das mindestens eine Polierwerkzeug, insbesondere zum Herstellen einer untersuchungsfähigen Oberfläche, ist eine Polierscheibe der Günter Effgen GmbH mit der Kennzeichnung 1A1-100-10-5-EGD1D-DX 10 und der Identifikationsnummer 144407.
Das Verfahren zum Polieren von CFK-Probekörpern umfasst folgende Schritte:

a. Vorschleifen mit einem Schleifteller in Querrichtung des/der CFK-Probekörper mit einem Aufmaß von mindestens 0,1 Millimeter zum späteren Endmaß.
b. Polierschleifen mit einer Polierscheibe in Längsrichtung des/der CFK-Probekörper mit den Parametern: Schnittgeschwindigkeit im Bereich von 8,5 bis 12,5 Meter pro Sekunde Vorschubgeschwindigkeit im Bereich von 480 bis 720 Millimeter pro Minute Zustellung bis maximal 2 Mikrometer

Dabei wird wie folgt vorgegangen. Ausgangspunkt sind in vorhergehenden Versuchen Beanspruchte CFK-Probeplatten nach DIN EN 2565.
Aus den CFK-Probeplatten werden die Probekörper in Streifen mit Aufmaß vorgeschnitten. Diese Streifen werden anschließend in den Rahmen eingespannt. Je nach Dicke der CFK-Probekörper sind pro Rahmen bis zu 50 CFK-Probekörper gleichzeitig bearbeitbar.
Im Folgenden wird die Seite der CFK-Probekörper, welches als erstes bearbeitet wird, als erste Seite bezeichnet, sowie diejenige Seite der CFK Probekörper, welche daraufhin bearbeitet wird, als zweite Seite bezeichnet.
Sollen sowohl die erste Seite als auch die zweite Seite der CFK-Probekörper bearbeitet werden, so befinden sich das mindestens eine erste Distanzstück an der zweiten Seite der CFK-Probekörper am Rahmen.
Bei der Fixierung des/der CFK-Probekörper im Rahmen liegt der Rahmen mit dem mindestens einen ersten Distanzstück auf einer Unterlage auf. Die CFK-Probekörper liegen auf dem mindestens einen zweiten Distanzstück auf.
Der/die CFK-Probekörper ragen nun um die Dickendifferenz aus dem mindestens einen ersten Distanzstück und dem mindestens einen zweiten Distanzstück aus dem Rahmen heraus.
Anschließend werden die Rahmen mit eingespannten CFK-Probekörpern auf einer Schleif- und Fräsmaschine bearbeitet. Hierzu sind je nach Größe des Rahmens sowie der Schleif- und Fräsmaschine mehrere Rahmen gleichzeitig in der Schleif- und Fräsmaschine spannbar und unmittelbar nacheinander bearbeitbar.
Mittels Schleifteller werden die Proben auf ca. 100 µm Aufmaß vorgeschliffen. In diesem Bearbeitungsschritt entstehen Querriefen quer zum Faserverlauf. Im darauffolgenden Schritt wird der Arbeitstisch der Schleif- und Fräsmaschine samt eingespannten Rahmen um 90° gedreht (A-Achse) und in gleicher Aufspannung mittels der Polierscheibe in Längsrichtung auf gewünschte Oberflächengüte und Endmaß poliert. In diesem Schritt erfolgt das Polieren durch die vorherige Drehung des Arbeitstisches in Faserrichtung der CFK-Probekörper und entfernt alle Querriefen. Zu jeder Zeit der Bearbeitung sind eine mikroskopische Kontrolle der Oberfläche und anschließend die Weiterbearbeitung an exakt gleicher Stelle möglich.
Zur Erreichung des gewünschten Polierergebnisses ist unabdingbar, dass eine Kühlmittelaufbereitungsanlage zum Einsatz kommt, bei der das Kühlmittel mittels Zentrifugenreinigung von den entstandenen Schleifpartikeln gereinigt wird.
Bezugszeichenliste

1: Rahmen
2: Spannvorrichtung
3: Polierwerkzeug
4: erstes Distanzstück
5: zweites Distanzstück
6: CFK-Probekörper

Claims

Vorrichtung zum Polieren von CFK-Probekörpern zur Erzeugung einer untersuchungsfähigen Oberfläche, umfassend a. Mindestens einen den oder die Probekörper in Längsrichtung umschließenden Rahmen, b. Mindestens eine Spannvorrichtung am umschließenden Rahmen, c. Mindestens ein Schleifwerkzeug insbesondere zum Bearbeiten der CFK-Probekörper, d. Mindestens ein Polierwerkzeug insbesondere zum Herstellen einer untersuchungsfähigen Oberfläche.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Fixierung der CFK-Probekörper im Rahmen mindestens ein erstes Distanzstück verwendbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Fixierung der CFK-Probekörper mindestens ein zweites Distanzstück verwendbar ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifwerkzeug ein Schleifteller ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Polierwerkzeug eine Diamantpolierscheibe ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die CFK-Probekörper aus CFK-Probenplatten stammen, welche nach DIN EN 2565 hergestellt wurden.
Verfahren zum Polieren von CFK-Probekörpern, folgende Schritte umfassend a. Vorschleifen mit einem Schleifteller in Querrichtung des/der CFK-Probekörper mit einem Aufmaß von mindestens 0,1 Millimeter zum späteren Endmaß. b. Polierschleifen mit einer Polierscheibe in Längsrichtung des/der CFK-Probekörper mit den Parametern: i. Schnittgeschwindigkeit im Bereich von 8,5 bis 12,5 Meter pro Sekunde ii. Vorschubgeschwindigkeit im Bereich von 480 bis 720 Millimeter pro Minute iii. Zustellung bis maximal 2 Mikrometer