Luft- und Raumfahrt:Titan schnell und sicher bearbeiten

Walter verbessert die Titanbearbeitung mit Spezialwerkzeugen

Das Xpress-Sortiment des Tübinger Spezialisten Walter für die Luft- und Raumfahrtindustrie ist maßgeschneidert für die hohen Anforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie. Insbesondere die VHM-Werkzeuge mit kundenspezifischen Abmessungen sind innerhalb von zwei bis maximal drei Wochen lieferbar. Eine innovative neue Werkzeugbeschichtung und Werkzeugtechnologie sorgen dafür, dass die Standzeiten teilweise mehr als verdoppelt werden.

In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden die Dinge im Vergleich zu anderen Branchen etwas anders gehandhabt. Das Gewicht spielt eine entscheidende Rolle, und jedes Gramm weniger zählt. Letztendlich bestimmt das Gewicht eines Produkts seine Rentabilität und nicht die Teile- und Komponentenpreise. Kein Wunder also, dass sich Titan in diesem Bereich eines beachtlichen Wachstums und großer Beliebtheit erfreut. Dies gilt insbesondere für Strukturbauteile, bei denen es auch auf hohe Festigkeit ankommt. Typische Beispiele sind Türen und Türrahmenumrandungen, Fahrwerksstützen, Fahrwerksstreben oder Landeklappenschienen. Titan ist zudem korrosions- und temperaturbeständig.

Doch gerade Hersteller von Flugzeugen für die zivile Luftfahrt sehen sich zunehmend dem Druck eines Serienherstellers ausgesetzt, wie man ihn beispielsweise aus der Automobilindustrie kennt. Bisher haben Boeing, Airbus und in geringerem Maße Bombardier den Markt hauptsächlich untereinander geteilt. Inzwischen bereiten sich neue Wettbewerber aus China und Russland auf den Markteintritt vor. Der Druck auf eine möglichst kostengünstige Fertigung steigt daher. Walter leistet hierzu mit der Xpress Aerospace-Reihe einen wichtigen Beitrag.

Weiterentwicklung der Werkzeugsysteme

Die Herausforderung:Titan ist schwieriger zu bearbeiten als das bisher überwiegend verwendete Aluminium. Seine hohe chemische Reaktivität führt bei der Bearbeitung zum Anschmelzen der Späne an der Schneide. Die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Materials lässt die Temperaturen an der Schneide stark ansteigen. Die dabei entstehenden Späne sind oft extrem zäh und abrasiv. Der minimale Elastizitätsmodul führt leicht zum Durchbiegen des Werkstücks. Zusammen mit der Materialverfestigung in der Randzone reduziert dies die Standzeit des Werkzeugs auch bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten.

Auch die Werkzeugkosten hängen maßgeblich von den Anforderungen an das Bauteil und den Werkstoff sowie vom Prozess ab. Eine Verringerung der Wandstärke kann dazu führen, dass die Teile extrem instabil werden, daher ist die Stabilität der Maschine und der Aufspannung ein wichtiges Augenmerk. Auch die richtige Kühlmittelstrategie hat einen erheblichen Einfluss auf die Standzeit. Mit dem Ziel, Bearbeitungszeiten zu reduzieren, entwickelt Walter seine Werkzeugsysteme kontinuierlich weiter. Dabei spielen Hartmetallsubstrate, neue Beschichtungstechnologien sowie Makro- und Mikrogeometrien der Schneidwerkzeuge eine wichtige Rolle. Die Bearbeitungsstrategie kann aber auch in Zusammenarbeit mit CAD/CAM-Spezialisten weiter optimiert werden.

All dies macht High Performance Cutting (HPC) und High Dynamic Cutting (HDC) zum Schlichten und Schruppen von Titan heute möglich. Dynamisches Fräsen mit dem Walter Prototyp Ti38 Z6-10 und innovativer neuer Beschichtung ermöglichen Schnittgeschwindigkeiten von bis zu 140 m/min. Vielzahnlösungen mit bis zu zehn Zähnen ermöglichen eine Steigerung des Vorschubs um bis zu 50 Prozent bei geringen Eingriffsbreiten. Diese Vollhartmetall-Werkzeuglösungen können letztendlich eine Steigerung des Zeitspanvolumens von bis zu 50 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen erreichen.

Die Beschichtung bestimmt die Standzeit

Ein Beispiel für die neu entwickelten Substrat- und Beschichtungstechnologien ist die PVD-basierte Beschichtung (Physical Vapour Deposition) für Vollhartmetall-Werkzeuge der Walter Prototype Ti-Reihe. Diese Beschichtung erhöht die Standzeit im Vergleich zur herkömmlichen ANC-Beschichtung (Aluminium-Chrom-Nitrid) erheblich – um bis zu 100 Prozent und mehr. Damit konnte die Standzeit eines Fensterrahmens aus 3.7164 Titan mit einer Zugfestigkeit von 1250 N/mm² beim Vorschlichten und Schlichten mit einem Prototyp HPC Ti40 um 154 % von 175 Minuten auf 444 Minuten gesteigert werden. Die Verwendung eines Prototyps HDC Ti38 L zum Schlichten der Außenkontur hat die Standzeit um 116 % verlängert. Die Geschwindigkeit wurde um 25 % und das Bearbeitungsvolumen um 23 % gesteigert.

Eine weitere Innovation ist die CVD-Beschichtungstechnologie für den Wendeschneidplatten-Schneidstoff WSM45X, der beispielsweise für den Walter BLAXX Igelfräser M3255 verwendet wird. Die Beschichtung fungiert als Hitzeschutzschild, ermöglicht hohe Schnittgeschwindigkeiten von bis zu 65 m/min und verlängert die Standzeit der Werkzeuge auf bis zu 130 Minuten. Damit lässt sich die Standzeit von Titan-Strukturbauteilen verdoppeln, die typischerweise mit einer Mischung aus Vollnuten- und Gleichlauffräsen bei einer Schnittgeschwindigkeit von 45 m/min und einem Vorschub von 0,12 mm hergestellt werden. Eine weitere Option ist die Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit auf 65 m/min bei einer konstanten Standzeit von rund 60 Minuten. Das Fertigfräsen kann auch mit PKD-Schneiden (polykristalliner Diamant) durchgeführt werden, die zu den härtesten bekannten Materialien gehören.

Allerdings muss hier eine entsprechende Kühlmittelstrategie umgesetzt werden, um die Bearbeitungstemperatur an der Schneide unter 600 °C zu halten. Generell haben der Kühlschmierstoff und die Konzentration des Kühlmediums einen erheblichen Einfluss, insbesondere auf die Standzeit. Am wichtigsten ist es, das Kühlmedium möglichst direkt in die Arbeitszone einzubringen. Ermöglicht wird dies durch spezielle Kühlmitteldurchführungen in den Werkzeugen. Hochdruckkühlung mit bis zu 70 bar ist Stand der Technik für neue Werkzeugmaschinen. Noch weiter gehen spezielle Werkzeuglösungen für die kryogene Bearbeitung, die mit flüssigem Kohlendioxid oder noch kälterem Stickstoff arbeiten.

Vom Werkzeuglieferanten zum Technologiepartner

Walter versteht sich als digitaler Prozesspartner und entwickelt daher immer enger anwendungsbezogene Werkzeuge im Sinne von „Component Solutions“. Dafür braucht es ein ganzes Team von Spezialisten. Entsprechende CAD/CAM-Kenntnisse sind eine wesentliche Voraussetzung für die vollständige Bewertung der Prozesse. Walter geht auf die Bedürfnisse seiner Kunden ein und bietet Werkzeuge, Lösungen und Dienstleistungen während des gesamten Prozesses an.

Im Hinblick auf diese Entwicklung hat Walter vor einiger Zeit in Zusammenarbeit mit dem Advanced Manufacturing Research Center der University of Sheffield das Projekt „Component Solutions“ entwickelt. Im Rahmen des Projekts wurden spezielle Bearbeitungsstrategien für alle vorkommenden Taschenformen von Strukturbauteilen unter Verwendung der in der Luft- und Raumfahrtindustrie gängigen CAM-Programme entwickelt. Dieser „Werkzeugkasten“ ermöglicht es, aus einem 3D-Modell eines Kundenbauteils schnell und effizient einen geeigneten Bearbeitungsprozess abzuleiten.

Höchste Qualität in kürzester Zeit

„Gut Ding kommt zu dem, der wartet“ stimmt heute nicht mehr. Auch Hochleistungswerkzeuge mit kundenspezifischen Sonderabmessungen unterliegen einem immensen Zeitdruck. Speziell für die Luft- und Raumfahrt bietet Walter daher seit Anfang des Jahres den bewährten Service Walter Xpress an. Xpress-Werkzeuglösungen sind innerhalb von zwei bis maximal drei Wochen lieferbar. Die Geschwindigkeit beginnt beim Bestellvorgang selbst. Die Softwarelösung my.Walter ermöglicht es dem Kunden, das Tool online selbst oder gemeinsam mit einem geschulten Außendienstmitarbeiter zu gestalten. Mit „Walter Online Xpress“ erhält der Kunde innerhalb von maximal einer Stunde ein verbindliches Angebot inklusive 2D-Zeichnung und 3D-Modell per E-Mail. Auch die Bestellung selbst, häufig ein Engpass im Unternehmen, wird mit der Walter Werkzeugverwaltung deutlich beschleunigt.