Der Markt für Luft- und Raumfahrtkomponenten und Präzisionsflugzeugkomponenten

Die Zeiten haben sich geändert. Ein typischer Jet, der heute im Bau ist, besteht nur noch zu 20 % aus reinem Aluminium. Die meisten unkritischen Konstruktionsmaterialien – Paneele und ästhetische Innenausstattungen – bestehen heute aus noch leichteren kohlefaserverstärkten Polymeren (CFK) und Wabenmaterialien. Währenddessen wird bei Triebwerksteilen und kritischen Komponenten von Präzisionsflugzeugkomponenten gleichzeitig auf geringeres Gewicht und höhere Temperaturbeständigkeit für eine bessere Kraftstoffeffizienz Wert gelegt, wodurch neue oder zuvor unpraktisch zu bearbeitende Metalle in den Materialmix der Luft- und Raumfahrt gebracht werden.

Luft- und Raumfahrt einzigartig unter den Branchen

Die Luft- und Raumfahrtfertigung ist einzigartig unter anderen Massenproduktionssektoren, insbesondere in der Produktion von Flugtriebwerken. Das Triebwerk ist das komplexeste Bauteil eines Flugzeugs, es enthält die meisten Einzelkomponenten und bestimmt letztlich den Treibstoffverbrauch. Das Aufkommen von Magermixmotoren mit Temperaturpotenzialen von bis zu 2.100 °C (3.800 °F) hat dazu beigetragen, die Nachfrage nach diesen neuen Materialien zu steigern. Angesichts der Tatsache, dass aktuelle Superlegierungen einen Schmelzpunkt von etwa 1.850 °C (3.360 °F) haben, wird die Suche nach Materialien, die höheren Temperaturen standhalten können, zu einer Herausforderung.

Um diese Temperaturanforderungen zu erfüllen, werden jetzt hitzebeständige Superlegierungen (HRSA) in die Materialgleichung aufgenommen, darunter Titanlegierungen, Nickellegierungen und einige nichtmetallische Verbundwerkstoffe wie Keramiken. Diese Materialien scheinen schwieriger zu bearbeiten zu sein als herkömmliches Aluminium, was in der Vergangenheit kürzere Standzeiten und weniger Prozesssicherheit bedeutet.

Auch bei der Bearbeitung von Luft- und Raumfahrtteilen besteht ein hohes Prozessrisiko. Da es in einer Reiseflughöhe von 35.000 Fuß keine Fehlermargen gibt, sind die Toleranzen in der Luft- und Raumfahrt präziser als in fast jeder anderen Branche. Diese Präzision braucht Zeit. Für jedes Bauteil sind längere Bearbeitungszeiten erforderlich, und mehr Zeit pro Teil macht Ausschuss relativ teuer, wenn man den Zeitaufwand berücksichtigt. Außerdem bestehen im Vergleich zu anderen Branchen Aufträge für Luft- und Raumfahrtkomponenten häufig aus kleinen Auflagen und langen Vorlaufzeiten, was die Planung von Produktivität, Durchsatz und Rentabilität erschwert.

Im Gegensatz zu anderen Industriezweigen außer der Öl- und Gasindustrie, die ebenfalls hohe Temperatur-, Druck- und Korrosionsanforderungen haben, wirken sich Luft- und Raumfahrtmaterialien selbst auf das Komponentendesign aus. Design for Manufacturability (DFM) ist die Ingenieurskunst, Bauteile mit einem ausgewogenen Ansatz zu entwerfen, der sowohl die Bauteilfunktion als auch die Fertigungsanforderungen berücksichtigt. Dieser Ansatz wird immer mehr in der Luft- und Raumfahrtkomponentenkonstruktion und mehr in der Konstruktion von Luft- und Raumfahrtkomponenten und Präzisionsflugzeugkomponenten angewendet, da ihre Komponenten bestimmten Belastungen und Temperaturbeständigkeiten standhalten müssen und einige Materialien nur so viel halten können. Die Designs von Materialien und Komponenten treiben sich wirklich gegenseitig an, nicht nacheinander. Diese Beziehung zwischen Material und Design ist besonders wichtig, wenn Materialien der nächsten Generation untersucht werden. Aus all diesen Gründen unterscheiden sich Luftfahrthersteller voneinander. Kein Wunder, dass ihre Materialvielfalt einzigartig ist.

Eine neue Materiallandschaft

Standard-Luftfahrtaluminium – 6061, 7050 und 7075 – und traditionelle Luftfahrtmetalle – Nickel 718, Titan 6Al4V und Edelstahl 15-5PH – werden immer noch in der Luftfahrt verwendet. Diese Metalle geben jedoch jetzt neuen Legierungen Raum, die darauf ausgelegt sind, Kosten und Effizienz zu verbessern. Um es klar zu sagen, diese neuen Metalle sind nicht immer neu, einige gibt es schon seit Jahrzehnten. Sie sind vielmehr neu für praktische Fertigungsanwendungen, da Werkzeugmaschinen, Werkzeugtechnologie und Waferbeschichtungen weit genug fortgeschritten sind, um mit schwer zu bearbeitenden Legierungen fertig zu werden .

Obwohl die Menge an Aluminium in Flugzeugen abnimmt, verschwindet seine Verwendung nicht vollständig. Tatsächlich kommt Aluminium zurück, insbesondere in Fällen, in denen sich der Übergang zu CFK als unerschwinglich oder unwirksam erwiesen hat. Aber Aluminium, das wieder auftaucht, ist nicht das Aluminium deines Vaters. So haben beispielsweise Titanclays (TiAl) und Lithium-Aluminium (Al-Li), die es seit den 1970er Jahren gibt, erst seit der Jahrhundertwende auf dem Vormarsch in der Luftfahrt.

Wie eine Nickellegierung in seinen hitzebeständigen Eigenschaften behält TiAl seine Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei Temperaturen bis zu 600 ° C (1.112 ° F). Aber TiAl ist einfacher zu bearbeiten und zeigt ähnliche Bearbeitbarkeitseigenschaften wie Alpha-Beta-Titan wie Ti6Al4V. Noch wichtiger ist, dass TiAl das Schub-Gewichts-Verhältnis in Flugtriebwerken verbessern kann, da es nur halb so groß ist wie Nickellegierungen. Beispielsweise werden sowohl Niederdruckturbinenschaufeln als auch Hochdruckkompressorschaufeln, die traditionell aus dichten Superlegierungen auf Nickelbasis hergestellt wurden, jetzt aus Legierungen auf TiAl-Basis bearbeitet. General Electric war ein Pionier dieser Entwicklung und verwendet TiAl-Niederdruckturbinenschaufeln in seinem GEnx-Triebwerk, der ersten groß angelegten Verwendung des Materials in einem kommerziellen Strahltriebwerk – in diesem Fall dem Boeing 787 Dreamliner.

Eine weitere Wiedereinführung von Aluminium in die Luft- und Raumfahrtindustrie findet sich in leichtem Al-Li, das speziell zur Verbesserung der Eigenschaften von 7050- und 7075-Aluminium entwickelt wurde. Insgesamt stärkt die Zugabe von Lithium das Aluminium mit geringerer Dichte und geringerem Gewicht, zwei Katalysatoren für die Entwicklung von Luftfahrtmaterial. Die hohe Festigkeit von Al-Li-Legierungen, die geringe Dichte, die hohe Steifigkeit, die Schadenstoleranz, die Korrosionsbeständigkeit und die Schweißfreundlichkeit machen es zu einer besseren Wahl als herkömmliches Aluminium in kommerziellen Flugzeugzellen. Derzeit verwendet Airbus den AA2050. Inzwischen verwendet Alcoa den AA2090 T83 und den 2099 T8E67. Die Legierung findet sich auch in den Treibstoff- und Oxidationsmitteltanks der Weltraumraketen SpaceX Falcon 9 und wird in großem Umfang in Raketen- und Shuttle-Projekten der NASA verwendet.

Titan 5553 (Ti-5553) ist ein weiteres relativ neues Metall in der Luftfahrt, das sich durch hohe Festigkeit, geringes Gewicht und gute Korrosionsbeständigkeit auszeichnet. Ideale Anwendungspunkte für diese Titanlegierung sind die Hauptbauteile, die fester und leichter als die bisher verwendeten Edelstahllegierungen sein müssen. Bekannt als Triple 5-3, war es ein Material, das extrem schwierig zu bearbeiten war – bis vor kurzem. Es wurden umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt, um das Metall für die Bearbeitung geeignet zu machen, und das Triple 5-3 hat sich kürzlich als sehr vorhersehbar erwiesen, da die Bearbeitungskonsistenz ähnlich zu traditionelleren Titanlegierungen wie dem oben genannten Ti6Al4V ist. Die Unterschiede in den beiden Materialien erfordern unterschiedliche Schnittdaten, um ähnliche Standzeiten zu erreichen. Aber wenn der Bediener die entsprechenden Parameter eingestellt hat, kann eine dreifache Anzahl von 5-3 Maschinen vorhergesagt werden. Der Schlüssel zum Triples 5-3 ist ein etwas langsamerer Betrieb und die Optimierung des Werkzeugwegs und des Kühlsystems, um eine gute Balance zwischen Werkzeuglebensdauer und Sicherheit zu erreichen.

Bestimmte Strukturkomponenten wie Befestigungselemente, Fahrgestelle und Zylinder erfordern rohe Festigkeit, und Leichtigkeit hat weniger Priorität. In solchen Fällen bietet der legierte Stahl Ferrium S53 gleiche oder bessere mechanische Eigenschaften als herkömmliche ultrahochfeste Stähle wie 300M und SAE 4340, mit dem zusätzlichen Vorteil der Gesamtkorrosionsbeständigkeit. Dadurch kann die Cadmiumbeschichtung und die damit verbundene Nachbearbeitung entfallen.

Verbundwerkstoffe sind auf dem Vormarsch

Verbundwerkstoffe machen auch einen wachsenden Teil des Materialkuchens für die Luft- und Raumfahrt aus. Sie reduzieren das Gewicht und den Kraftstoffverbrauch, während sie einfach zu handhaben, zu konstruieren, zu formen und zu reparieren sind. Früher nur für leichte Strukturelemente oder Kabinenkomponenten in Betracht gezogen, erstreckt sich die Palette der Verbundwerkstoffe für die Luft- und Raumfahrt jetzt auf wirklich funktionelle Komponenten - Flügel- und Rumpfhaut, Triebwerke und Fahrwerke.

Wichtig ist auch, dass Verbundelemente zu komplexen Formen geformt werden können, die im Fall von Metallteilen maschinell bearbeitet und verbunden werden müssten. Vorgeformte Verbundkomponenten sind nicht nur leicht und stark, sondern reduzieren auch die Anzahl schwerer Befestigungselemente und Verbindungen – die potenzielle Schwachstellen darstellen – in einem Flugzeug. Auf diese Weise tragen Verbundwerkstoffe dazu bei, den globalen Trend voranzutreiben, die Anzahl der Komponenten in ganzen Baugruppen zu reduzieren und möglichst einteilige Konstruktionen zu verwenden.

Weitere Informationen zu Präzisionskomponenten und Luft- und Raumfahrtkomponenten

::Bearbeitungsteile für die Luft- und Raumfahrtindustrie

::Wie bearbeitet man Präzisionsteile?