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Luft- und Raumfahrt
Prozesswissen statt Try-and-Error
25.08.2010
Bohrbearbeitung: Das Bohren von CFK-Titan-Stacks ist die hohe Kunst in der Compositebearbeitung. Mapal hat sich unter anderem mit seinem Wechselkopfbohrsystem TTD eine große Expertise erarbeitet.
Wer denkt, dass sich mit einem guten Standing in der Automobilindustrie auch die Flugzeugbauer erobern lassen, der irrt. Nicht umsonst hat der Aalener Präzisionswerkzeugehersteller Mapal vor zwei Jahren mit Peter Müller-Hummel einen ausgewiesenen Aerospace-Spezialisten an Bord geholt. „Wichtig ist“, sagt der promovierte Maschinenbauer, „dass man die gleiche Sprache wie die Branche spricht.“
Gleiche Sprache meint, dass man die Bedürfnisse seiner Klientel kennt und nachvollziehen kann. Während es im Automobilbau um die immerwährende Jagd nach Prozess- und Kostenoptimierung geht, tickt die Flugzeugbranche ganz anders. Hier steht das Einfrieren eines einmal festgelegen Prozesses an erster Stelle – und seine permanente Kontrolle.
Nicht umsonst. Die hohen Sicherheitsstandards zwingen die „Primes“, also die großen Luftfahrzeughersteller zu einem enormen Aufwand bei der Zertifizierung der Prozesse. „Das gesamte Flugzeug“, so Müller-Hummel, „wird dynamisch auf Lebenszeit getestet. Und wer weiß, wie groß der Aufwand ist, der will nicht Verursacher für eine neue Testreihe werden.“
Das heißt für Zulieferer: Man muss einen langen Atem mitbringen. Chancen ins Geschäft zu kommen, bestehen eigentlich nur bei Neuanläufen. Mit dem Wechselkopfbohrsystem TTD hat Mapal die Gunst der Stunde genutzt und sich als Problemlöser in der äußerst schwierigen Bearbeitung von CFK-Titan-Stacks empfohlen.
Tückisch sind diese Stacks (englisch: Stapel) deshalb, weil der Materialmix für den Zerspaner eigentlich tödlich ist. Nähert sich der Bohrer von der Titanseite dem CFK, kann sich die Schneide am Auslauf auf bis zu 800 °C erhitzen. Eine Temperatur, die für den CFK-Verbund jenseits des Erträglichen liegt, da bereits bei 130 °C ein Verbrennen der Faserverbundstruktur stattfindet.
Bohrt sich das Werkzeug dagegen zuerst vom Kohlefaserverbund kommend in das Titan, müssen die heißen Späne über
das CFK abgeführt werden und können die Oberfläche beschädigen. Erschwerend kommt hinzu, dass die vielen tausend Löcher, die ein Flugzeug benötigt, überwiegend über sogenannte Bohrvorschubeinheiten (BVE) eingebracht werden. Diese, großen Bohrmaschinen nicht unähnlichen Apparaturen, werden nach Bedarf auf der Werkstückoberfläche verankert und rein manuell bedient. Aus Gewichtsgründen reduziert sich die Kühlschmierstoffzufuhr der BVE auf eine schüchterne Minimalmengenschmierung. Die Leistung der Vorschubeinheiten liegt bei rund 3 kW; hohe Drehzahlen können deshalb nicht erwartet werden.
Nun weiß Peter Müller-Hummel auch, dass Mapal die Physik nicht außer Kraft setzen kann: „An den Prozesstemperaturen kann man nichts ändern.“ Aber: „Ein Großteil der hohen Temperaturen entsteht auch durch Unregelmäßigkeiten bei der Bearbeitung, beispielsweise durch Spanklemmer.“ Und genau hier setzt das Prozesswissen der Aalener Werkzeugprofis an.
Bei der Bearbeitung von Titan entstehen sehr langspanige, scharfkantige Späne. Eine Möglichkeit, die Späne klein zu bekommen, ist, die Bohrvorschubeinheiten ähnlich einem Bohrhammer oszillieren zu lassen. Der Nachteil: Neben einer reduzierten Werkzeug- und Maschinenstandzeit muss dieser Prozess neu qualifiziert werden. Eine Maßnahmen die aus bereits beschriebenen Gründen nicht auf viel Gegenliebe stößt.
Spanklemmer verhindern
Mapal ist daher den Weg gegangen, das Bohrwerkzeug zu modifizieren. Basis dafür ist das bekannte Wechselkopfbohrsystem TTD. Über eine spezielle Werkzeuggeometrie werden die langen Wirrspäne des Titan-Werkstoffes vermieden. Und die polierte Spannut sorgt dafür, dass die Späne reibungslos aus dem Bohrloch transportiert werden.
Die bisherigen Ergebnisse haben überzeugt: So konnten Bohrungen mit 32 mm Durchmesser in Titan-CFK-Aluminium-Stacks mit nur einem Werkzeug durchgeführt werden. Bisher benötigte man dazu drei verschiedene Werkzeuge – für eine Bohrung wohlgemerkt. Die Mapal-Lösung schafft bis zu acht Bohrungen/Werkzeug (siehe Interview).
Die Wirtschaftlichkeit des Systems wird zusätzlich durch den Wechselkopf erhöht. Der bis zu 40 cm lange Bohrer verbleibt in der Bohrvorschubeinheit; gewechselt wird nur der Kopf. Dieser kann bis zu dreimal nachgeschliffen werden. Aktuelle Versuche bei Boeing zeigten zudem, dass mit dem Einsatz von optimierten Schneidstoffen die Standzeit signifikant erhöht werden kann.
Je nach Materialkombination im Stack, hat Mapal drei Varianten mit der jeweils optimalen Schneidengeometrie entwickelt. Also jeweils ein System für die Bearbeitung von CFK-Alu, CFK-Titan und Alu-Titan-CFK. Dieser ersten Entwicklung folgen sicherlich weitere. „Denn“, so Peter Müller-Hummel, „neue Technologien bei den Werkstoffen fordern auch immer Innovationen bei den Bearbeitungswerkzeugen.“
Vier Fragen an Peter Müller-Hummel, Mapal:
„Hohe Technologiekompetenz“
Peter Müller-Hummel betreut seit rund zwei Jahren das Aerospace-Programm von Mapal. Der ausgewiesene Flugzeugexperte sieht die Aalener Werkzeugprofis an der Spitze der technologischen Entwicklung.
Herr Müller-Hummel, bei den Standzeiten der Bohrer für die Stack-Bearbeitung von CFK und Titan scheidet sich die Spreu vom Weizen. Sie sehen Mapal hier an vorderster Front agieren.
Das stimmt. Mapal gehört in der Kombinationsbearbeitung von Titan und CFK zu den weltweit führenden Herstellern. Nehmen Sie als Beispiel die Verbindung von Triebwerkspylon und Tragfläche. Wir haben es hier mit Bohrungen von bis zu 1,25 Zoll, also rund 32 mm Durchmesser zu tun. Und zwar zuerst in 40 mm Titan, dann folgt 50 mm CFK und anschließend 40 mm Aluminium. Bisher war es nicht möglich, diese Bohrung in einem Hub durchzuführen; man benötigte drei Bohrer dafür. Mapal setzt nur ein einziges Bohrwerkzeug ein und erreicht zudem eine Standzeit von bis zu 15 Bohrungen.
Mapal will anscheinend das Feld von vorne her aufrollen. Warum diese – eher aufwändige – Vorgehensweise?
Aufgrund der hohen Technologiekompetenz von Mapal erarbeiten wir unsere Lösungen nicht über Try-and-Error, sondern gezielt über unser langjähriges Prozessverständnis. Wir sind also in der Lage, den Anwendern auch in sehr schwierigen Situationen zu helfen, wo andere vielleicht nicht mehr weiter wissen. Das ist wie beim Segeln: Wenn man auf der Luv-Seite überholt, nimmt man dem Wettbewerb den Wind; das ist unfair. Um dagegen auf der Lee-Seite zu überholen, braucht es eine gewisse Performance.
Wo sehen Sie die aktuellen Herausforderungen?
Wir haben zwei Stoßrichtungen. Zum Einen wollen wir mit nur einem Bohrwerkzeugsystem möglichst die gesamte Stack-Bearbeitung realisieren; bisher benötigen wir dazu drei verschiedene Werkzeugsysteme. Zum Zweiten möchten wir die Costs per Hole reduzieren. Ein möglicher Ansatz dazu ist der Einsatz von optimierten Schneidstoffen.
Von welchem Einsparpotenzial reden wir hier?
Abhängig von der Kombination im Stack, erwarten wir im Vergleich zu den herkömmlichen Hartmetallwerkzeugen Standzeiterhöhungen um den Faktor 3 bei CFK-Titan und bis zum Faktor 20 bei der Bearbeitung von CFK-Alu.
