Superlegierungen und Verbundwerkstoffe nachhaltig bearbeiten

Flugzeuge von morgen müssen umweltverträglicher werden. Sie werden daher zunehmend aus der nächsten Generation von pulverbasierten, hitzebeständigen Superlegierungen, kurz HRSA, und fortschrittlichen keramischen Faserverbundwerkstoffen bestehen, die einen geringeren Treibstoffverbrauch und weniger Emissionen ermöglichen. Die eingesetzten Werkstoffe müssen hitzebeständig und kriechresistent sein und auch bei extremen Temperaturen gute Materialeigenschaften aufweisen, was bei der Zerspanung eine echte Herausforderung darstellt.

Gemeinsam die richtigen Techniken finden

Laut UK Innovation Strategy-Bericht werden neue Technologien und Verfahren ganz wesentlich für die Fertigung und Zerspanung dieser fortschrittlichen Materialien sein. Und auch die Zusammenarbeit innerhalb der Branche wird von entscheidender Bedeutung sein – ein gutes Beispiel hierfür ist das Advanced Manufacturing Research Centre, kurz AMRC, im britischen Sheffield.

Sandvik Coromant war 2000 neben Boeing und Messier Dowty – heute Safran Landing Systems – eines der ersten Gründungsmitglieder des AMRC. Später schlossen sich ihnen Unternehmen wie British Aerospace, Rolls-Royce, GKN Aerospace und Airbus an. Heute hat das AMRC insgesamt etwa 118 Mitglieder.

Die meisten Projekte des Centre sind Gemeinschaftsprojekte, die von allen Mitgliedern gemeinsam finanziert und ausgewählt werden. Das AMRC beschäftigt inzwischen über 500 hochqualifizierte Forscher und Inge­nieure aus der ganzen Welt. Sie widmen sich mehrere Millionen Pfund teuren Projekten, die das Potenzial haben, eine starke, innovationsfreundliche Wirtschaft zu fördern.

Ein Bauteil, das in der Aerospace-Industrie immer häufiger eingesetzt wird, sind sogenannte Blisks, also Turbinenscheiben mit integrierten Schaufeln. Im Gegensatz zu herkömmlichen Turbinenscheiben, die am äußeren Rand über Schlitze zum Einsetzen der Schaufeln verfügen, sind bei Blisks Scheibe und Schaufeln in einer einzigen Komponente vereint. Das macht sie leichter als herkömmliche Turbinenscheiben mit eingesetzten Schaufeln und verringert die Anzahl der Bauteile im Verdichter. Gleichzeitig sinkt der Luftwiderstand und der Wirkungsgrad der Luftverdichtung im Triebwerk erhöht sich um etwa acht Prozent.

Titan und HRSA in einer Komponente

Blisks, die auf der "kalten" Verdichterseite von Flugzeugtriebwerken angeordnet sind, bestehen üblicherweise aus Titan – zur Brennkammer hin wechselt dies allerdings zu HRSA-Werkstoffen. Die effektive Bearbeitung dieser Komponenten nach höchsten Standards erfordert optimierte Werkzeuge und umfangreiches Prozess-Know-how für den Umgang mit diesen fortschrittlichen Materialien.

Angesichts dieser Herausforderungen konzentrieren sich Sandvik Coromants interne Projektbereiche stark auf Schlüsselkomponenten und -merkmale von Flugzeugtriebwerken wie Scheiben, Blisks, Wellen und Gehäusen. Insbesondere bei den aktuellen Gasturbinentriebwerken werden vermehrt Blisks eingesetzt.

Und dieser Trend wird sich fortsetzen, denn mit Blisks lässt sich auch noch das letzte Quäntchen an möglicher Leistung und Kraftstoffeffizienz aus den Triebwerksarchitekturen herausholen. Doch die häufig aus HRSAs hergestellten Blisks stellen besondere Anforderungen an die Bearbeitung. Und die Bauteile erfordern enge Maßhaltigkeit und Formtoleranz bei gleichzeitiger Wahrung eines hohen Niveaus an Oberflächenbeschaffenheit und -güte.

Als Antwort auf diese Bearbeitungsherausforderungen bietet Sandvik Coromant Werkzeuglösungen an, die eine kosteneffiziente und qualitativ hochwertige Bearbeitung von Triebwerkskomponenten unterstützen.

Eine von Sandvik Coromant empfohlene Methode ist das High-Feed-Sidemilling. Das Verfahren erfordert nur einen geringen radialen Eingriff in das Werkstück, was höhere Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten und größere axiale Schnitttiefen bei geringerer Wärmeentwicklung, weniger Spandicke und reduzierten Radialkräften ermöglicht. Für diese Methode hat Sandvik Coromant die Coromill-Plura-HFS-Reihe zum Hochvorschubfräsen entwickelt.

Das Programm umfasst eine Reihe von Schaftfräsern mit einzigartigen Geometrien und Sorten. Es besteht aus zwei Schaftfräserserien, die für Titanlegierungen beziehungsweise für Nickellegierungen optimiert sind. Spanabfuhr und Wärmeentwicklung sind besondere Herausforderungen bei der Zerspanung von Titan, daher bietet die eine Serie eine massive Werkzeugausführung für normale Spanabfuhrbedingungen. Die andere Serie verfügt über eine Innenkühlung und einen neuen Kühlverstärker für optimale Span- und Temperaturkontrolle.

In einem Kundentest wurde ein Coromill Plura HFS-Schaftfräser mit einem Durchmesser von zwölf Millimeter gegen ein Wettbewerbswerkzeug gleicher Größe getestet. Bei dem Test wurde ein Niederdruckturbinengehäuse aus Waspaloy 420, einer altersgehärteten Nickelbasislegierung, auf einem horizontalen Bearbeitungszentrum mit größerer axialer Schnitttiefe und geringerer radialer Schnitttiefe bearbeitet. Im Ergebnis konnte die Zerspanungsleistung mit Coromill Plura erheblich gesteigert werden, was bei dem Kunden zu einer beeindruckenden Produktivitätssteigerung von 198 Prozent führte.

Die Lösung wurde auch bei Blisks, Turbinenscheiben und -gehäusen sowie für die Zerspanung von Schaufeln und zur Gewichtsreduktion von Wellen eingesetzt.

Weitere Lösungen im Portfolio von Sandvik Coromant sind moderne Drehsorten, sowohl aus Hartmetall als auch aus polykristallinem kubischem Bornitrid, die für das Hochgeschwindigkeits-Schlichtdrehen von Bauteilen aus ISO S-Materialien entwickelt wurden.

Quelle: Sandvik Tooling Deutschland GmbH