Präzisionshandwerk: Moderne Techniken für die Flugzeugflügelproduktion

Was braucht es, um Flugzeugflügel in der heutigen hyperproduktiven Luftfahrtindustrie herzustellen? Als Teil 2 unserer Serie über Fertigung in der Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung erklären Werkzeughersteller, wie sie der Branche helfen, immer mehr Stunden aus dem Prozess herauszuholen.

Herausforderungen bei der Flügelfertigung

Flügel gelten nicht unbedingt als der schwierigste Teil eines Flugzeugs in der Fertigung – aber sie sind groß und erfordern große, offene horizontale Bearbeitungszentren sowie mehrere Tage Bearbeitungszeit. Wie bei der gesamten Luft- und Raumfahrtfertigung drehen sich die geschäftlichen Herausforderungen darum, Effizienz zu finden und gleichzeitig höchste Produktionsqualität zu wahren.

Die Nachfrage ist hoch – und das Geschäft floriert. Große Flugzeughersteller produzieren je nach Modell 40 bis 60 Verkehrsflugzeuge pro Monat, so die befragten Werkzeughersteller.

Die Fertigung der Flügel selbst hat sich über die Jahre nicht grundlegend verändert, im Gegensatz zu Triebwerkskomponenten, die starken Variationen unterlagen. In einigen Fällen modifizieren Ingenieure die Flügelmaterialien – manchmal mit mehr exotischem Titan.

Insgesamt bleiben die Materialien für Flügel im Titanbereich, wie Ti-6AL-4V, oder im Aluminiumbereich, wo 6061 vorherrscht – mit einem kleinen Anteil von 7075. Einige Flügel werden auch aus kohlenstofffaserverstärktem Polymer (CFK) und Aluminium-Lithium gefertigt – Materialien, die in Raketen und Raumfahrzeugen zum Einsatz kommen.

Better MRO sprach mit Ingenieuren von drei großen Werkzeugherstellern – Kennametal, Sandvik Coromant und Seco Tools – über Best Practices bei der Werkzeugauswahl für Flügel und die daran angebauten Teile – einschließlich Pylonen.

Flugzeugflügel-Design: Rippen, Holmträger, Stringer

Eine Flugzeugflügelstruktur besteht aus einem Skelett und einer Außenhaut. Das Skelett des Flügels umfasst drei Hauptkomponenten: Holmträger, Rippen und Stringer. Die Holmträger erstrecken sich über die Spannweite des Flügels und kontrollieren die Biegung, während die Rippen die aerodynamische Form des Flügels bilden und von der Vorder- zur Hinterkante verlaufen.

Stringer spannen sich zwischen den Rippen, parallel zu den Holmträgern, und dienen der Versteifung des Flügels. Dieses Skelett muss nicht nur Fluglasten tragen, sondern auch die Triebwerke stützen, viele interne Komponenten beherbergen und ein großes Volumen an Treibstoff aufnehmen.

„Einige der härteren Aluminiumlegierungen, wie 7075, erfordern eine sehr zähe Hartmetallsorte zum Schneiden und um akzeptable Standzeiten zu gewährleisten“, sagt Mark Francis, Staff Engineer für Luft- und Raumfahrt bei Kennametals Solutions Engineering Team.

„Für die Flügelhaut kommt ein Stirnfräser zum Einsatz. Je nach Größe des Flügels wünscht man sich ein sehr großes Werkzeug, um mehr Oberfläche in kürzerer Zeit zu bearbeiten. Es gibt auch viele Features im Flügelinneren für Befestigungen“, erklärt Francis.

Ziel ist es, alle Befestigungsfeatures mit der geringstmöglichen Anzahl an Werkzeugen zu fräsen, um Werkzeugwechselzeiten zu minimieren. Beim Materialabtrag an der Haut geht es um eine extrem glatte Oberfläche bei Verwendung eines großen Portalbearbeitungszentrums. Hier kommen keine Handwerkzeuge zum Einsatz – der Prozess soll so automatisiert und präzise wie möglich sein.

„Die Details der Geometrie der Schneidwerkzeuge können die Spanabtragsraten (MRR) beeinflussen“, sagt Eric Gardner, nordamerikanischer Anwendungsspezialist bei Seco Tools. „Mit den richtigen einstellbaren Geometrien können Hersteller Steigerungen der MRR von bis zu 30 Prozent erzielen, was sich oft in einem Produktivitätszuwachs von 15 bis 20 Prozent bei der Teilefertigung niederschlägt.“

„Die Oberfläche muss an diesen Holmträgern und Befestigungsbereichen wirklich sehr, sehr glatt sein“, sagt Francis. „Wir verwenden hier generell einen Nutenfräser oder Schlichtfräser … Es darf keine ‚Lap Lines‘ geben, also Linien, die sich über die Länge der Schneidefläche ziehen und durch den Versatz einiger Schneidplatten über die Schnittbreite entstehen können.“

Lap Lines sind Kerbspannungen – und in einem Flügel herrscht viel Spannung. Existiert eine Kerbspannung oder Lap Line, ist das ein Problem. Der Flügel wird abgelehnt und muss nachbearbeitet oder verschrottet. Bei einem so wesentlichen und großen Bauteil ist Verschrottung eine teure und schreckliche Option.

Zur Eliminierung von Lap Lines setzen Luftfahrtfertiger oft einstellbare Scheibenfräser mit 10 bis 12 Zoll Durchmesser ein, bestückt mit Hartmetallschneidplatten, die speziell für luftfahrttaugliche Aluminiumlegierungen entwickelt wurden und mehrere Konfigurationen für die Fräskörper bieten, so Francis.

„Und die Hartmetallschneidplatte muss absolut rundlaufgenau zur nächsten laufen – der Rundlauf muss null betragen. Das erreichen wir nur durch einstellbare Werkzeuge“, sagt Francis. „Der Kunde stellt jede dieser Schneidplatten auf einen bestimmten Durchmesser ein, sodass beim Abfahren des Holms die Lap Lines eliminiert werden. Das ist ein absolutes Muss … Wir können keinerlei Inkonsistenz tolerieren.“

Potenzielles Problemfeld: Spanabfuhr an der Flügelhaut

Beim Materialabtrag an der Flügelhaut kann der Flügel bei sehr großen Flugzeugen mehrere hundert Fuß lang sein. Er ist nicht vollkommen flach, aber auf dem riesigen Flachbett gibt es viel Material abzutragen – und glatt zu fräsen.

„In vielen Fällen wird ein Vakuumsystem eingesetzt, um die Späne von der Flügelhaut abzusaugen“, sagt Francis. „Diese Späne können hängenbleiben, wenn die Schneide wieder herumkommt, und erneut geschnitten und in das Material eingeschmiert werden. Das ist ein absolutes No-Go. Das wollen wir nicht.“

Um dies zu vermeiden, passen Werkzeughersteller die Geometrie so an, dass der Span schnell abgesaugt wird, ohne wieder in den Schnitt zu gelangen. Auf diesen Flachbetten nutzen Hersteller oft einen leichten Nebel zur Spanabfuhr oder Trockenbearbeitung – da es sich um einen so großen, offenen Bereich für diese großen Flügelhäute handelt.

Verteidigungssektor treibt Materialänderungen im Flügel-Design voran

„Im militärischen Bereich haben wir beispielsweise Änderungen an Flügeln für Flugzeuge gesehen, die auf Flugzeugträgern landen“, sagt Bill Durow, Global Engineering Manager mit Fokus auf Luft- und Raumfahrt bei Sandvik Coromant. „Bei der Landung wirken höhere Lasten auf die Flügel. Daher experimentiert man mit Materialien, um festere Werkstoffe zu erhalten.“

Diese festeren Materialien umfassen Titanoptionen wie Ti-5553 und Ti-1033, die schwerer zu bearbeiten sind, so Durow. Diese Materialien können Probleme mit der Standzeit verursachen und müssen bei niedrigeren Geschwindigkeiten bearbeitet werden, was die Produktivität beeinträchtigen kann.

„Ein Titan-5553-Material, ein Beta-Titan, liefert als Faustregel etwa 50 Prozent weniger Standzeit als typische Alpha-Beta-Titanlegierungen wie 6AL-4V“, sagt Durow.

Die meisten Werkzeuge für diese Anwendungen umfassen Rundwerkzeuge, Vollhartmetallschaftfräser, Langschneider und viele Eckfräser.

„Allein durch die Art der zu bearbeitenden Geometrien entsteht häufig Kerbverschleiß an den Werkzeugen. Es gibt verschiedene Techniken, um dem entgegenzuwirken“, sagt Durow.

Neuere Aluminium-Hybride gewinnen an Bedeutung: Aluminium-Lithium

Im Vergleich zu 7000er-Aluminiumlegierungen verkürzt Aluminium-Lithium die Standzeit um 50 bis 70 Prozent, so Gardner von Seco Tools.

„Es ist fester bei geringerem Gewicht als andere Aluminiumlegierungen und damit ideal für Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung – und für Raketen und Raumfahrzeuge“, sagt Gardner.

Mit der Weiterentwicklung der Spindeltechnologie steigt der Durchsatz, und einige Systeme erreichen bis zu 30.000 min⁻¹ bei 120 Kilowatt hoher Beschleunigung mit dem passenden Werkzeug.

„Es ist relativ abrasiv und erfordert scharfe, positiv geschliffene Werkzeuge mit verschleißfesten Beschichtungen wie DLC – ‚diamond-like coating‘“, sagt Gardner.

Wie die Reduzierung von Spannvorgängen auf mehreren Maschinen Zeit spart und die Genauigkeit steigert

Ein Bereich, in dem Werkzeughersteller Luft- und Rüstungsfertigern zu Effizienz verhelfen, ist die Reduzierung von Spannvorgängen und Umrüstungen beim Verschieben von Teilen zwischen verschiedenen Maschinen. Sandvik Coromant nennt ein starkes Beispiel eines Pylons – eines an den Flügel angebauten Teils –, das über drei verschiedene Maschinen und vier Spannvorgänge lief.

Die Herausforderung? Den Kunden davon zu überzeugen, eine 5-Achs-Maschine zu nutzen und alle Spannvorgänge zu streichen. Bei Optimierung auf einer Maschine kann die Genauigkeit enger kontrolliert werden, während gleichzeitig enorm viel Durchsatzzeit gewonnen wird.

„Die größte Herausforderung ist in diesem Fall, den Kunden zu überzeugen: Lassen Sie es auf einer Maschine“, sagt Durow. „Lassen Sie uns so viele Seiten wie möglich bearbeiten. Sie verlieren keine Genauigkeit, weil das Teil fest eingespannt ist und alles relativ zum Startpunkt bleibt. Dann wenden, die Unterseite fertigen – und fertig.“

Am Ende gelang es, die Bearbeitungszeit für diesen Pylon von 22 auf 6 Stunden zu reduzieren, indem das Teil auf einem System blieb – und insgesamt weniger Werkzeuge eingesetzt wurden. Diese Zeit berücksichtigt nicht den Transport zwischen den Maschinen – nur den reinen Bearbeitungsaspekt.