Mikrostruktur und Bearbeitbarkeit: zusammen und doch getrennt

Eine hervorragende dichtespezifische Festigkeit bei hohen Temperaturen und korrosiven Umgebungen, bei gleichzeitigem schadenstoleranten Bruchverhalten, machen Ceramic Matrix Composites (CMC) zu idealen Leichtbauwerkstoffen für viele Anwendungen wie beispielweise Raumfahrtsysteme, Hochleistungsbremsen oder Chargiergestellen für Wärmebehandlungen.

CMCs werden durch Einbettung von keramischen Verstärkungsfasern in eine keramische Matrix hergestellt. Ihre endgültigen Eigenschaften können durch verschiedene Faservolumengehalte, Faserausrichtungen und Faser-/Matrixeigenschaften an die nachgefragten Spezifikationen angepasst werden. Daher verfügen sie typischerweise über eine anisotrope und heterogene Mikrostruktur, sowie eine hohe Härte und ein sprödes Verhalten. Aus diesen Gründen sind Bauteile aus CMC-Werkstoffen sehr anspruchsvoll in der Bearbeitung.

Trotz des großen Anwendungspotenzials, wird ihr zukünftiger Markterfolg von weiteren Fortschritten bei der materialgerechten Bearbeitung abhängen. Entsprechend wird angestrebt, den Prozess durch Anpassung der Bearbeitungsparameter und Werkzeuge zu optimieren. Die Materialmikrostruktur spielt zudem eine entscheidende Rolle bei der Beurteilung der Bearbeitbarkeit.

Analyse der Korrelation zwischen Bearbeitungs- und Materialparametern

Die Bearbeitungsexperimente erfolgten in einem CNC-Bearbeitungszentrum unter variierenden Parametern mittels unterschiedlicher Schleif- und Fräswerkzeuge. Zur Beurteilung der Bearbeitungsqualität wurde ein Referenzkörper entwickelt, um den Einfluss von Material- und Bearbeitungsparametern zu bewerten bzw. zu vergleichen.

Als Indikatoren der Bearbeitungsqualität wurden die Biegefestigkeit, die Oberflächenrauigkeit, sowie das Auftreten von Imperfektionen herangezogen. Auch wurden die Schnittkräfte bei der Bearbeitung und die Maßhaltigkeit als Indikatoren der Prozessstabilität festgelegt. Zudem wurde eine Messmethode zur Quantifizierung der Bearbeitungsimperfektionen entwickelt.