Der Einfluss von sequenziellen Bohr- und Bearbeitungsparametern auf die Entstehung ungetrennter Fasern und Delaminationsschäden in faserverstärkten Verbundwerkstoffen

Warum winzige Löcher in großen Strukturen wichtig sind

Moderne Flugzeuge, Autos und Windkraftanlagen verlassen sich auf faserverstärkte Kunststoffe – leichte Werkstoffe aus Glas- oder Kohlefasern, die mit Harz verbunden sind. Diese Materialien sind fest, aber beim Herstellen von Schraubenlöchern und Befestigungsöffnungen empfindlich. Ein einfacher Bohrvorgang kann Schichten auseinanderreißen oder Faserstränge im Loch zurücklassen, was eine kritische Stelle unmerklich schwächt. Diese Studie untersucht, wie man sauberere, stärkere Löcher in Glasfaserplatten bohrt, indem Bohrdurchmesser, Bohrfolge und Maschineneinstellungen sorgfältig gewählt werden.

Schichten, Fasern und unerwünschte Schäden

Faserverstärkte Verbundwerkstoffe sind wie ein Stapel dünner Stofflagen aufgebaut, die mit Klebstoff durchtränkt sind. Wenn ein rotierender Bohrer durch diesen Stapel dringt, kann er die Lagen auseinanderhebeln – ein Problem, das als Delamination bezeichnet wird – und außerdem Bündel von Fasern im Loch ungetrennt zurücklassen. Beide Schadensarten verringern die Tragfähigkeit eines Bauteils bis zum Bruch. Die Autoren konzentrierten sich auf ein gängiges Glasfaserlaminat aus sieben gewebten Glasfaserschichten, die mit Epoxid verklebt sind. Sie fertigten große Flachplatten, schnitten diese in Prüfstreifen und bohrten dann unter vielen unterschiedlichen Bedingungen Löcher, um die industrielle Fertigung realer Bauteile zu simulieren.

Erprobung eines schrittweisen Bohransatzes

Die erste Frage war, ob „sequenzielles“ Bohren – also die Verwendung einer Serie aus kleinen, dann mittleren und schließlich endgültigen Bohrern – gegenüber dem Einbohren auf Endmaß in einem Durchgang Schäden reduzieren kann. Mit einer computergesteuerten Fräsmaschine bohrte das Team Löcher von 7 und 10,1 Millimetern Durchmesser mit ein, zwei oder drei Bohrern in Folge, wobei Vorschub und Drehzahl konstant gehalten wurden. Anschließend fotografierten sie Vorder- und Rückseite jedes Lochs und nutzten Bildanalysesoftware, um zu messen, wie groß der Bereich war, der sich abgelöst hatte, und wie viel der Lochoberfläche von ungetrennten Fasern bedeckt war.

Wie Geschwindigkeit und Vorschub die Qualität eines Lochs verändern

Als Nächstes variierten die Forschenden die wichtigsten Maschineneinstellungen: den Vorschub (wie schnell der Bohrer in das Material gedrückt wird) und die Spindeldrehzahl (wie schnell er rotiert). Sie testeten drei Vorschubstufen von sehr langsam bis recht schnell und drei Drehzahlen von niedrig bis hoch für beide Lochgrößen. Für jede Kombination maßen sie erneut Delamination und ungetrennte Fasern am Ein- und Austritt des Lochs. Außerdem führten sie Drei-Punkt-Biegeversuche durch – wobei jeder Streifen an den Enden gelagert und in der Mitte heruntergedrückt wurde – um zu prüfen, welche Kraft die gebohrten Bauteile bis zum Bruch aushalten, und wie dies mit den Schäden um das Loch zusammenhängt.

Was die Bilder und Biegetests zeigten

Die visuellen Messungen zeigten ein klares Muster. Stufenweises Bohren mit mehreren zunehmend größeren Bohrern reduzierte die Delamination an Vorder- und Rückseite der Platte. Diese Strategie führte jedoch tendenziell zu mehr ungetrennten Fasern am Eintritt, da das wiederholte Herausziehen des Werkzeugs die Fasern nach oben zu ziehen schien und sie ungestützt zurückblieben. Auf der Austrittsseite half derselbe schrittweise Ansatz dagegen, die Fasern vollständiger zu entfernen und die Schäden durch ungetrennte Fasern zu verringern. Separat verschlechterten höhere Vorschubraten – stärkeres Eindrücken des Bohrers – konsequent sowohl Delamination als auch ungetrennte Fasern, während höhere Drehzahlen – schnelleres Rotieren des Bohrers – beide Schadensarten reduzierten. Beim Vergleich dieser Messgrößen mit den Biegetests trugen Proben mit geringeren Schäden um die Löcher höhere Lasten, wobei die Bruchkraft unter besseren Bohrbedingungen um bis zu etwa 18 Prozent zunahm.

Praktische Erkenntnisse für sicherere, leichtere Bauteile

Alltagsgerecht zeigt die Studie, dass die Art, wie man ein Loch in ein Glasfaserbauteil bohrt, stark beeinflusst, wie belastbar dieses Bauteil ist. Die Verwendung mehrerer Bohrmaße in Folge kann die geschichtete Struktur vor dem Auseinanderziehen schützen, insbesondere an der Austrittsseite, kann jedoch am Eintritt mehr lose Fasern hinterlassen. Zu starker Vorschub ist schädlich, während höhere Drehzahlen tendenziell materialfreundlicher sind. Durch die Kombination einer schrittweisen Bohrstrategie mit moderaten Vorschubraten und höheren Drehzahlen können Hersteller sauberere Löcher erzeugen, die mehr von der Festigkeit des Verbunds bewahren – ein wichtiger Vorteil für Luftfahrt, Fahrzeuge und andere Strukturen, bei denen jedes Gramm und jede Sicherheitsreserve zählt.

Zitation: Izadi, S.M.H., Mozaffari, A. The influence of sequential drilling and machining parameters on uncut fiber formation and delamination damage in fiber-reinforced composites. Sci Rep 16, 10132 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40786-y

Schlüsselwörter: Verbundbohren, Glasfaserlaminate, Delaminationsschaden, Bearbeitungsparameter, ungetrennte Fasern