Mehnen, Jan Philipp
[Author]
;
Hintze, Wolfgang
[Degree supervisor];
Möhring, Hans-Christian
[Degree supervisor]Technische Universität Hamburg,
Technische Universität Hamburg Institut für Produktionsmanagement und -technik
Modellgestützte Berechnung der thermischen Belastung bei der Zerspanung von unidirektionalem CFK
- [1. Auflage]
University thesis:
Dissertation, Technische Universität Hamburg, 2023
Footnote:
Sonstige Körperschaft: Technische Universität Hamburg, Institut für Produktionsmanagement und -technik
Description:
Die größten Herausforderungen beim Fräsen von Werkstücken aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) sind die Material- und Oberflächenintegrität sowie der Werkzeugverschleiß. Verschärft werden diese Probleme durch hohe Schnittzonentemperaturen, die u. a. aufgrund steiler Temperaturgradienten schwer zu beurteilen sind. Weiter verändert die Ausrichtung der Fasern die mechanischen und thermischen Materialeigenschaften. In dieser Arbeit wird statt CFK-Laminaten aus verschieden orientierten Schichten der vereinfachte Fall von unidirektionalem (UD) CFK betrachtet. So werden thermische Effekte, die durch den Faserorientierungswinkel zwischen Werkzeugbahn und Fasern entstehen, gezielt untersucht. Aus der Modellierung der Werkstückerwärmung mittels einer bewegten streifenförmigen Wärmequelle wird eine analytische Formulierung des resultierenden Temperaturfeldes für lineare Vorschubwege entwickelt, die anhand experimenteller Daten validiert wird. Auf der Grundlage des abgeleiteten Modells wird zunächst eine numerische Simulation für gerader Schnittkanten entwickelt und zur Untersuchung nichtlinearer Effekte, die über das analytische Modell hinausgehen, verwendet. Zudem zeigt eine experimentell validierte Simulation für konvexe Werkzeugbahnen mit definierten Radien den Einfluss von Faserorientierung und Radius auf den Wärmestau in konvexen Werkstückabschnitten von UD-CFK.
The primary challenges in milling of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) workpieces are material and surface integrity as well as tool wear. Exacerbating these issues are high cutting zone temperatures which are inter alia difficult to assess due to steep temperature gradients. Furthermore, orientation of the fibers changes mechanical and thermal material properties. Instead of CFRP laminates consisting of differently oriented layers, this thesis focuses on the simplified case of unidirectional (UD) CFRP. Thus, thermal effects originating from the fiber orientation angle between tool path and fibers can be studied selectively. Modeling the heating of the workpiece as a moving strip-shaped heat source, an analytical formulation of the resulting temperature field for linear tool paths is developed and validated using experimental data. This model enables the development of a numerical simulation tool for straight tool paths which also allows to study nonlinear effects exceeding the scope of the analytical model. In addition, an experimentally validated simulation for convex tool paths with defined radii shows the influence of fiber orientation and radius on the heat accumulation in convex UD-CFRP workpiece sections.