2025Jahr 11Monat 14Tag

Ultraschall-CMC-Bearbeitungsleitfaden: Höherer Materialabtrag, bessere Bohrungen, längere Werkzeugstandzeit

Mit einer galvanisch gebundenen Diamantschleifscheibe #80 Φ120 mm in Kombination mit dem HIT HBT-40 Ultraschall-Schleifrad-Modul wurde eine 3,3-fach höhere Materialabtragsrate (MRR) sowie eine 3-fach längere Schleifscheibenstandzeit gegenüber dem herkömmlichen CCB-(Carbon-Ceramic-Bremsscheiben)-Rau-Schleifen erzielt. Mit dem HIT HBT-40 Ultraschall-Werkzeughalter-Modul und einem Φ 5 mm-Diamantbohrer wurde eine 5-fach kürzere Zykluszeit, eine Rissgröße ≤ 0,1mm sowie eine 4-fach längere Werkzeugstandzeit erreicht. Die Testbedingungen und Parameter sind in den Tabellen A–D aufgeführt.

Warum sind CMCs schwer zu bearbeiten?

🔘 Welche Materialeigenschaften führen zu Absplitterungen, Faserausrissen und Hitzeentwicklung?

Geringe Bruchzähigkeit und eingeschränkte Plastizität

CMCs (Ceramic Matrix Composites, Keramische Verbundwerkstoffe) besitzen eine geringe Bruchzähigkeit und nahezu keine plastische Verformbarkeit, wodurch Risse bereits an kleinsten Defekten entstehen, anstatt eine kontinuierliche Scher-Spanbildung zu erzeugen.

(Abb. 1. Fragment einer Sportwagen-Carbon-Keramik-Bremsscheibe)

Hohe Härte und abrasive Keramikphasen

Die sehr harten und abrasiven Phasen (z. B. SiC, Al₂O₃) verstärken Werkzeugverschleiß und Reibung und führen zu einer starken Wärmeentwicklung an der Werkzeug-Werkstück-Grenzfläche.

Heterogene und anisotrope Struktur

Die faserverstärkte, heterogene Architektur verursacht instabile Schnittkräfte; schwache Faser-Matrix-Grenzen begünstigen Entklebungen, was zu unsauber geschnittenen, ausgefransten Kanten führt.

Wärmeeigenschaften, die zur Hitzeakkumulation führen

Viele Matrixwerkstoffe besitzen niedrige Wärmeleitfähigkeit, wodurch Schnittwärme im Werkstoff verbleibt. Dies erhöht das Risiko von Werkzeugverschleiß und thermischen Schädigungen.

Oxidationsempfindlichkeit

Bei hohen Temperaturen tritt eine oxidative Versprödung von kohlenstoffhaltigen Phasen auf, was die Zähigkeit reduziert und Kantenabsplitterungen beschleunigt.

🔘 Warum versagen konventionelles Schleifen und Bohren bei CMCs?

Lange Prozesszeiten mit hoher Wärmeentwicklung und hohem Schleifscheibenverschleiß

Das Schleifen von CMCs verläuft langsam und verursacht starken Werkzeugverschleiß, da die keramischen Phasen sehr hart und abrasiv sind. Diamantkörner stumpfen schnell ab oder brechen aus, wodurch geringe Zustelltiefen und Vorschübe erforderlich sind, um Rissbildung und Überhitzung zu vermeiden. Die Härte des Werkstoffs führt zu übermäßiger Wärmeentwicklung, beschleunigtem Verschleiß der Schleifscheiben und häufigen Abrichtzyklen – dadurch bleibt die MRR niedrig bei gleichzeitig hohem Scheibenverbrauch.

Lange Prozesszeit, schlechte Lochqualität und starker Werkzeugverschleiß

Beim Bohren von CMCs treten lange Zykluszeiten, Rissbildung an Lochkanten und Werkzeugausglühung auf, bedingt durch hohe Härte und ungleichmäßige Struktur. Die Schneidkanten stehen in permanentem Kontakt mit harten, abrasiven Phasen, wodurch Diamantbeschichtungen schnell abgetragen werden. Um Rissbildung zu vermeiden, muss die Bearbeitung verlangsamt werden, was die Produktivität weiter senkt.

Wie verbessert HIT Ultraschall die CMC-Bearbeitung?

🔘 Was ist der Ultraschallmechanismus beim Schleifen und Bohren?

Ultraschallmechanismus beim Schleifen

Ultraschall erzeugt hochfrequente Mikro-Vibrationen (> 20.000Hz in axialer Richtung) in der Schleifscheibe. Diese periodischen Trennimpulse zwischen Schleifscheibe und Werkstück wandeln Reibung in Mikro-Impakte um und fördern so eine effiziente Materialabtragung. Gleichzeitig wird Kühlschmierstoff in die Kontaktzone gepumpt, was Kühlung und Spanabfuhr verbessert.

(Abb. 2. HIT Ultraschall-Unterstütztes Planschleifen von Carbon-Keramik-Bremsscheiben)

Ultraschallmechanismus beim Bohren

Die stoßartige Mikro-Zerspanung durch Ultraschall-Vibrationen erzeugt kontrollierte Mikrorisse in spröden Phasen, wodurch das Material als Feinspan oder Pulver entfernt wird. Kurze Kontaktzeiten und verbesserte Bruchmechanik reduzieren Reibungswärme und ermöglichen besseren Kühlmittelzufluss an die Schnittstelle.

🔘 Verfahren und Ergebnisse beim HIT Ultraschall-Schleifen von CMC

Tabelle A. Ultraschall-Schleifen von CMC – Bearbeitungsdaten
Werkstoff	Carbon-Keramik (C/SiC) Bremsscheibe
Prozess	Planschleifen (Rau-Schliff)
Werkzeughalter	HBT-40-W01 Ultraschall Schleifscheibenaufnahmen
Werkzeug	#80 Φ120 mm galvanisch gebundene Diamantscheibe

[Planschleifen von Carbon-Keramik-Bremsscheiben] Bearbeitungsmethode

Tabelle B. Parameter (Konventionell vs. Ultraschall)
	Spindeldrehzahl (S: min^-1)	Vorschubgeschwindigkeit (mm/min)	Radiale Zustelltiefe (Ae: mm)	Axiale Zustelltiefe (Ap: mm)	Ultraschall-Leistungsstufe (%)
HIT-Ultraschall	5.952	1.200	20	0,020	100
Ursprünglichen Prozess	5.952	900	20	0,008	-

HIT Ultraschall erzeugt hochfrequente Mikro-Vibrationen, die das Schleifrad während der Bearbeitung intermittierend mit dem Werkstück in Kontakt bringen, wodurch Raum für Kühlung und Spanabfuhr entsteht und die Schleifkraft reduziert wird.
Die Verringerung der Schleifkraft ermöglicht höhere Vorschübe und Zustelltiefen pro Durchgang, was zu einer 3,3-fach höheren Materialabtragsrate (MRR) führt. Zudem verlängern bessere Kühlung und verbesserte Spanabfuhr die Lebensdauer der Schleifscheibe um das 3-fache.

[Planschleifen von Carbon-Keramik-Bremsscheiben] – Bearbeitungsergebnisse

Tabelle C. Ergebnisse – Höhere MRR & Längere Scheibenstandzeit mit Ultraschall
	Materialabtragsrate (mm³/min)	Scheibenstandzeit (Stück/pro Werkzeug)
HIT-Ultraschall	480	3
Ursprünglichen Prozess	144	1

(Abb. 3. 3,3-fach höhere MRR mit HIT Ultraschall-Unterstützung)

(Abb. 4. 3-fach längere Scheibenstandzeit mit HIT Ultraschall-Unterstützung)

🧠 Mehr erfahren: Planschleifen von Carbon-Keramik-Bremsscheiben

🔘 Verfahren und Ergebnisse beim HIT Ultraschall-Bohren von CMC

Tabelle D. Ultraschall-Bohren von CMC – Bearbeitungsdaten
Werkstoff	Carbon-Keramik (C/SiC) Bremsscheibe
Merkmal	Φ5 x 5mm (Blindlöcher) *Aspektverhältnis 1:1
Werkzeughalter	HBT-40 Ultraschall-Werkzeughalter
Werkzeug	Φ5mm Diamantbohrer

[Bohren von Carbon-Keramik-Bremsscheiben] – Bearbeitungsmethode

Tabelle E. Parameter (Konventionell vs. Ultraschall)
	Spindeldrehzahl (S: min^-1)	Vorschubgeschwindigkeit (mm/min)	Q-Peck-Bohren (mm)	Axiale Zustelltiefe (Ap: mm)	Ultraschall-Leistungsstufe (%)
HIT-Ultraschall	4.000~6.500	2~8	0,16~1,00	2,5~5	50
Ursprünglichen Prozess	4.000	1	0,04	5	-

Während der HIT Ultraschallbearbeitung trifft das Werkzeug intermittierend auf das Werkstück, wodurch Raum für Kühlung und Spanabfuhr entsteht und die Bohrkraft reduziert wird.
Die Verringerung der Bohrkraft ermöglicht die Optimierung der Bearbeitungsparameter, wodurch die Bearbeitungszeit pro Loch verkürzt und eine 5-fach höhere Effizienz erreicht wird.
Die Werkzeug-Workpiece-Wechselwirkung wird feiner, aber häufiger, wodurch die Rissgröße an den Lochkanten deutlich kleiner wird – dies führt zu 5-fach besserer Lochqualität.
Im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung (bei gleichen Parametern) wird die Lochzahl pro Werkzeug erhöht, und die Werkzeugstandzeit verlängert sich um das 4-fache.

[Bohren von Carbon-Keramik-Bremsscheiben] – Ergebnisse

Tabelle F. Ergebnisse – Höhere Effizienz, Saubere Löcher, Längere Werkzeugstandzeit mit Ultraschall
	Prozesszeit (Minuten/Loch)	Rissgröße (mm)	Bohrlochanzahl (Loch/Werkzeug)
HIT-Ultraschall	3	0,1	12
Ursprünglichen Prozess	15	0,5	3

(Abb. 5. 5-fach höhere Bearbeitungseffizienz mit HIT Ultraschall-Bohren)

(Abb. 6. 5-fach bessere Lochqualität mit HIT Ultraschall-Bohren)

(Abb. 7. 4-fach längere Werkzeugstandzeit mit HIT Ultraschall-Bohren)

🧠 Mehr erfahren: Bohren von Carbon-Keramik-Bremsscheiben

Industrielle Anwendungen der Ultraschall-CMC-Bearbeitung

🔘 Carbon-Keramik-Bremsscheiben (CCB) in der Motorsportindustrie

(Abb. 8. Carbon-Keramik-Bremsscheiben in der Motorsportindustrie - Foto © Gemanis Industries LLC)

Carbon-Keramik-Bremsscheiben (C/SiC) werden im GT- und Langstrecken-Rennsport eingesetzt, da sie bei geringem Gewicht, hoher Steifigkeit und ausgezeichnetem Fading-Widerstand auch bei hohen Temperaturen weit über Gusseisenrotoren bestehen. Weniger Masse bedeutet schnelleres Einlenken, bessere Reaktionszeit und konstantes Pedalgefühl über lange Distanzen. Ihre keramische Matrix bietet bessere Oxidations- und Verschleißfestigkeit als Carbon-Carbon-Scheiben bei nassen Bedingungen. Nachteilig sind höhere Kosten, Aufwärmbedarf und Empfindlichkeit gegen Stoß- und Temperaturschocks.

🔘 Flugzeughalterungen (Aircraft Brackets) in der Luft- und Raumfahrt

(Abb. 9. KI-generierte Simulation von CMC-Flugzeughalterungen)

Keramische Matrixverbunde werden für Flugzeughalterungen in Hitzebereichen (z. B. Triebwerksverkleidungen, Abgaskanäle, thermische Abschirmungen) verwendet, wo Metallhalterungen kriechen oder oxidieren. CMC-Bauteile reduzieren Gewicht, behalten Steifigkeit bei hohen Temperaturen und minimieren thermische Ausdehnung. Sie isolieren Wärme und verringern so thermische Belastungen an Befestigungen und Strukturteilen.

Häufige Fragen zur Ultraschall-CMC-Bearbeitung

🔘 F1. Welche Diamantkörnungen und Bindungen sind für hohe MRR geeignet?

Für hohen Materialabtrag werden grobe Diamantkörnungen #60–#120 empfohlen – z. B. #80 für das Rauh-Schleifen. Galvanisch gebundene Diamantscheiben bieten höchste Schneidwirkung und eignen sich für kurze bis mittlere Laufzeiten. In Kombination mit Ultraschall-Schleiftechnik werden Schleifkräfte reduziert und Kühlung sowie Spanabfuhr verbessert, wodurch eine höhere MRR erreicht werden kann.

🔘 F2. Welche Amplitude eignet sich für das CMC-Bohren?

Bei CMC-Bohrprozessen ist eine 100% Ultraschall-Leistungsstufe (ca. 15 µm Amplitude) meist zu aggressiv, da sie Mikroschäden verursacht. Die HIT-Ultraschall-Bohrtechnologie ermöglicht intermittierenden Kontakt und bruchunterstütztes Schneiden, ohne übermäßigen Schlag. Sie reduziert Vorschubkraft und Drehmoment, was Kantenschäden begrenzt. Empfohlen wird eine ca. 50% Ultraschall-Leistungsstufe beim Bohren von Carbon-Keramik-Bremsscheiben.

💡 Erfahren Sie mehr über HIT Ultraschall-Prozesslösungen für die Bearbeitung fortschrittlicher Materialien (Keramik, Quarz, Glas, CMC usw.):

📖 Quellen:

Machining of ceramic matrix composites: Challenges in surface integrity – Maddala et al., Materials Today: Proceedings
The new challenges of machining Ceramic Matrix Composites (CMCs): Review of surface integrity – Gavalda Diaz et al., Int. J. of Machine Tools and Manufacture
The Pros & Cons of Advanced Ceramics – Julie Sullivan, MSC Industrial Direct
Ceramic Matrix Composites – BCC Publishing
Ceramic Matrix Composites Offer Lighter, More Durable Engine Parts – Pratt & Whitney, SAE Media Group
Arris Composites, Airbus collaborate on composites research for lightweighting cabin brackets – CompositesWorld
Brake Designs For Cars, What Do They Mean? – Mike G., Gemanis Industries LLC
Study of the machining quality of CMC ceramic composite during high-speed grinding – Rechenko & Kamenov, J. of Physics: Conference Series

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