CNC-Bearbeitung für die Luft- und Raumfahrt:Leichtbauteile aus Titan und mehr

Die globale Luft- und Raumfahrtindustrie ist eine Brutstätte für Design- und Fertigungsinnovationen, mit Millionen und Abermillionen komplexer Metallteile, die jährlich hergestellt werden.

Ein wichtiges Werkzeug, das der Luft- und Raumfahrtindustrie zur Verfügung steht, ist die CNC-Bearbeitung. Die Zerspanung in der Luft- und Raumfahrt führt zu fortschrittlichen Flugzeugteilen aus Leichtmetallen wie Titan und Aluminium, während die Zerspanung auch ein wertvolles Prototyping-Tool für F&E-Abteilungen in der Luft- und Raumfahrt ist.

Die Luft- und Raumfahrtbearbeitung deckt auch eine Reihe von Anwendungen ab. Ob Verkehrsflugzeuge, Militärfahrzeuge oder sogar die Raumfahrt, die CNC-Bearbeitung spielt eine große Rolle bei der Entwicklung und Produktion von Präzisionsbauteilen für die Luft- und Raumfahrt.

Dieser Artikel dient als Überblick darüber, wie die CNC-Bearbeitung in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt wird. Es befasst sich mit CNC-Bearbeitungsanwendungen für die Luft- und Raumfahrt, Materialien für die Luft- und Raumfahrtbearbeitung und mehr.

Was ist Luft- und Raumfahrt?

Die Luft- und Raumfahrt ist eine sehr vielfältige Industrie, die viele Teilsektoren umfasst und alles von der kommerziellen Luftfahrt bis zur Weltraumforschung abdeckt. Sein Wert als globale Industrie wird auf rund 800 Milliarden US-Dollar geschätzt.

Die Luft- und Raumfahrtfertigung umfasst die Produktion von Teilen für kommerzielle, industrielle und militärische Kunden, wobei Regierungen zu den größten Auftragnehmern in der Branche gehören. In den Vereinigten Staaten zum Beispiel sind die beiden größten Abnehmer von Luft- und Raumfahrtgütern das Verteidigungsministerium und die NASA, die Luft- und Raumfahrtforschungsbehörde des Landes.

Aufgrund der großen Anzahl von Teilsektoren der Luft- und Raumfahrt und der großen Anzahl von Anwendungen und Produkten innerhalb dieser Teilsektoren erfordert die Luft- und Raumfahrt ein breites Spektrum an Fertigungstechnologien, von traditionellen Techniken wie Gießen und Schweißen bis hin zu Spitzentechnologien wie der additiven Fertigung von Metallen. Die CNC-Bearbeitung in der Luft- und Raumfahrt liegt irgendwo zwischen diesen beiden Extremen und ist eine hoch etablierte Technologie, die dennoch modernste Design- und Materialmöglichkeiten bietet.

Was ist Luft- und Raumfahrtbearbeitung?

Spanende Bearbeitung ist der Herstellungsprozess, bei dem Materialabschnitte von einem Werkstück mit maschinell betriebenen Schneidwerkzeugen entfernt werden. Und die CNC-Bearbeitung ist eine digitale Version der maschinellen Bearbeitung:Computer steuern motorisierte Schneidwerkzeuge, um schnell und präzise neue Teile zu formen.

Die CNC-Bearbeitung in der Luft- und Raumfahrt geht fast bis zur Erfindung der CNC-Bearbeitung selbst im Jahr 1942 zurück. Eine der frühesten Anwendungen der CNC-Bearbeitung in der Luft- und Raumfahrt war die Herstellung von Schotten und Flügelhäuten. Heutzutage können viele Luft- und Raumfahrtteile bearbeitet werden, z. B. Getriebe, Fahrwerkskomponenten und elektrische Komponenten. Die maschinelle Bearbeitung kann auch verwendet werden, um vorhandene Teile zu reparieren oder zu modifizieren, um detaillierte Merkmale hinzuzufügen oder um eingravierte Textinformationen wie Seriennummern hinzuzufügen.

Da viele Bearbeitungsaufträge in der Luft- und Raumfahrt die Produktion kritischer Endverbraucherkomponenten beinhalten, ist eine Präzisionsbearbeitung mit hochwertigen 5-Achsen-Bearbeitungszentren erforderlich. Bestimmte Teile – beispielsweise Düsentriebwerkskomponenten – können Toleranzen von bis zu 4 Mikron erfordern, weitaus enger als das, was normalerweise bei der CNC-Bearbeitung akzeptabel ist.

Die Luft- und Raumfahrtbearbeitung ist auch eine wichtige Form des Prototypings in Forschung und Entwicklung. CNC-Maschinen eignen sich für das Prototyping von Metallteilen für die Luft- und Raumfahrt, die später durch Gießen oder andere Techniken hergestellt werden.

Bearbeitete Teile für die Luft- und Raumfahrt

Die Luft- und Raumfahrtbearbeitung ist für viele Luft- und Raumfahrtteile verantwortlich, von wichtigen Titan-Triebwerkskomponenten bis hin zu leichten Kunststoff-Innenkabinenteilen.

Teile, die sich für die CNC-Bearbeitung in der Luft- und Raumfahrt eignen, sind typischerweise Kleinserienteile, die eine hohe Festigkeit und feine Merkmale erfordern. Die Größe solcher Teile ist im Allgemeinen durch die Größe von CNC-Bearbeitungszentren begrenzt, aber es können verschiedene Materialien verwendet werden – normalerweise Titan- oder Aluminiumlegierungen, aber auch andere Optionen wie technische Kunststoffe und Verbundwerkstoffe sind verfügbar. Einige Teile werden möglicherweise nur nachbearbeitet, nachdem sie gegossen oder extrudiert wurden.

Die Luft- und Raumfahrtbearbeitung kann für Prototypen und Endverbraucherteile verwendet werden. Endverbrauchsteile müssen jedoch strenge Sicherheitskriterien, Standards und Zertifizierungen erfüllen.

Bearbeitbare Luft- und Raumfahrtteile umfassen (sind aber nicht beschränkt auf):

• Fahrwerkkomponenten
• Turbinenschaufeln und andere Strahltriebwerkskomponenten
• Motorgehäuse
• Sauerstofferzeugungssysteme
• Filterkörper für Flüssigkeits- und Luftfiltersysteme
• Elektrische Steckverbinder für elektrische Systeme
• Bewegungssteuerung
• Aktuatoren
• Rumpfkomponenten
• Flügelrippen
• Discs
• Wellen zur Kraftübertragung
• Raketengehäuse und andere Komponenten
• Fahrerhausteile
• Sitzgelegenheiten, Armlehnen und Tabletts

Bearbeitungszertifizierungen für die Luft- und Raumfahrt

Die CNC-Bearbeitung in der Luft- und Raumfahrt ist ein kritisches Verfahren, das keinen Raum für Fehler lässt. Während einige Branchen lockere Toleranzen und Materialvariationen zulassen, verlangt die Luft- und Raumfahrt absolute Präzision und Konsistenz, um die Sicherheit der Menschen zu gewährleisten.

Unterschiedliche Anwendungen und Teile müssen unterschiedliche Normen und Zertifizierungen erfüllen, und es gibt einige länderspezifische sowie internationale Normen. Eine besonders wichtige Zertifizierung für viele Anwendungen ist jedoch die AS9100 Zertifizierung, ein internationaler SAE-Standard, der Lieferanten verliehen wird und als „Modell für Qualitätssicherung in Design, Entwicklung, Produktion, Installation und Wartung“ in der Luft- und Raumfahrt beschrieben wird.

Eine Erweiterung von ISO 9001 , die AS9100-Zertifizierung ist nicht für die gesamte Produktion von Luft- und Raumfahrtteilen erforderlich, aber Kunden können Lieferanten mit der Zertifizierung suchen, um die Qualität zu garantieren.

Weitere wichtige Zertifizierungen für die Luft- und Raumfahrtbearbeitung sind ITAR (International Traffic in Arms Regulations), eine Reihe von Richtlinien des US-Außenministeriums, in denen die US-Anforderungen für den Verkauf und die Herstellung von Technologie auf der US-Munitionsliste und AS9102 First Article Inspection Reports dargelegt sind , die die Einhaltung der Verifizierungsanforderungen für Luft- und Raumfahrtteile anzeigen.

Solche Zertifizierungen sind nicht unbedingt für das Prototyping in der Luft- und Raumfahrt erforderlich, da Prototypen nicht in aktiven Flugzeugen verwendet werden.

Materialien für die Luft- und Raumfahrt

Die CNC-Bearbeitung ist ein vielseitiges Verfahren, mit dem Komponenten sowohl aus Metall als auch aus Kunststoff hergestellt werden können. In der Luft- und Raumfahrt dominieren jedoch zwei besondere Metalle:Titan und Aluminium. Dies liegt an der hohen Festigkeit (insbesondere Titan) und dem geringen Gewicht (insbesondere Aluminium) der Materialien.

Titanlegierungen

Keine Branche weltweit verwendet mehr Titanlegierungen als die Luft- und Raumfahrt. Warum das so ist, ist leicht zu verstehen:Das Metall hat ein hervorragendes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, ist korrosionsbeständig und erfüllt bei extremen Temperaturen einen hohen Standard. Titan ist zu einem Grundmaterial in der Luft- und Raumfahrtproduktion geworden, und seine Verwendung wird im nächsten Jahrhundert noch weiter zunehmen.

Zu Flugzeugen, die große Mengen Titan für ihre verschiedenen Komponenten verwenden, gehören Nutzfahrzeuge wie der AirBus A380 und die Boeing B787 sowie Militärflugzeuge wie die Hubschrauber F-22, F/A-18 und UH-60 Black Hawk.

Luft- und Raumfahrtteile aus Titan umfassen Flugzeugzellen- und Strahltriebwerkskomponenten wie Scheiben, Schaufeln, Wellen und Gehäuse. Viele davon können bearbeitet werden.

Da Titan härter als Aluminium ist, kann es für die CNC-Bearbeitung schwieriger sein, was zu Werkzeugverschleiß und Wärmestau führt. Dies bedeutet, dass für die Luft- und Raumfahrtbearbeitung von Titan möglicherweise eine geringere Maschinendrehzahl und eine größere Spanlast erforderlich sind. (Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden zur Bearbeitung von Titan.) Da die Bearbeitung in der Luft- und Raumfahrt jedoch normalerweise die fortschrittlichsten und hochwertigsten Bearbeitungsmaschinen umfasst, die auf dem Markt erhältlich sind, ist dies selten ein Problem.

Aluminiumlegierungen

Ein weiteres weit verbreitetes Metall in der Luft- und Raumfahrtbearbeitung – und eines, das es schon länger gibt als Titan und moderne Verbundwerkstoffe – ist Aluminium.

Aluminiumlegierungen sind leicht und haben eine hohe Zugfestigkeit. Aluminium bildet eine Oxidschicht, wenn es Luft ausgesetzt wird, wodurch es korrosionsbeständig wird, und es ist außerdem sehr gut formbar (besser als Titan), wodurch es leicht CNC-bearbeitet werden kann.

Bei der CNC-Bearbeitung in der Luft- und Raumfahrt ist die häufigste Aluminiumlegierung Aluminium 7075, dessen Hauptlegierungselement Zink ist. Obwohl nicht so gut bearbeitbar wie andere Legierungen, hat 7075 eine ausgezeichnete Ermüdungsfestigkeit. Viele Flügel-, Rumpf- und Stützstrukturkomponenten werden aus diesem Material hergestellt.

Andere bearbeitbare Aluminiumlegierungen für die Luft- und Raumfahrt umfassen 4047 (Verkleidung/Füller), 6951 (Rippen) und 6063 (Struktur). Legierungen der Serie 6000 gelten im Allgemeinen als besser bearbeitbar als andere.

Inconel-Superlegierungen

Die Special Metals Corporation hat eine Reihe austenitischer Superlegierungen auf Nickel-Chrom-Basis namens Inconel entwickelt.

Eine besondere Qualität des Materials, Inconel 718, wurde speziell für Luft- und Raumfahrtanwendungen entwickelt. Eine seiner ersten hochkarätigen Anwendungen war das Diffusorgehäuse des Düsentriebwerks (ein Teil mit extrem hohem Druck, das den Kompressor mit der Brennkammer verbindet) des Pratt &Whitney J58-Triebwerks, das in Fahrzeugen wie dem Lockheed SR-71 Blackbird verwendet wurde .

Inconel 718 wurde in jüngerer Zeit von Elon Musks SpaceX im Motorkrümmer seines Merlin-Motors verwendet, der die Trägerrakete Falcon 9 antreibt. Es findet sich auch in anderen Luft- und Raumfahrtkomponenten wie Turbinenschaufeln, Leitungssystemen und Motorabgassystemen.

Als kaltverfestigtes Metall muss Inconel 718 in möglichst wenigen Durchgängen bearbeitet werden; Maschinisten wenden normalerweise einen aggressiven, aber langsamen Schnitt mit einem harten Schneidwerkzeug an. Die Superlegierung hat jedoch eine gute Schweißbarkeit.

Technische Kunststoffe

Neben Metallen wie Titan und Aluminium können bei der Luft- und Raumfahrtbearbeitung Hochleistungskunststoffe wie PEEK, Polycarbonat und Ultem verwendet werden.

Kunststoffe können aufgrund ihres sehr geringen Gewichts, ihrer guten Stoß- und Vibrationsfestigkeit, ihrer Dichtungseigenschaften und ihrer chemischen Beständigkeit ein sinnvoller Ersatz für Metalle sein. Sie bieten auch eine hervorragende elektrische Isolierung gegenüber Metallen.

Die CNC-Bearbeitung von technischen Kunststoffen für die Luft- und Raumfahrt kann Luft- und Raumfahrtteile wie Kabineninnenräume, Tabletttische, Armlehnen, Gehäuse, Verschleißpolster, Isolierungen, Schläuche, Ventilkomponenten und hintergrundbeleuchtete Instrumententafeln herstellen.

Eine wichtige Überlegung ist, dass Kunststoffe für die Luft- und Raumfahrt spezifische Flamm-, Rauch- und Toxizitätsanforderungen erfüllen müssen. Geeignete Materialien umfassen Nylon (bestimmte Qualitäten einschließlich Nylon 6), PEEK, Ultem und PPS.