Blisks – aus einem Stück gefertigte Turbinenschaufelräder – stellen allerhöchste Anforderungen an Fertigungsgenauigkeit, Oberflächenqualität und Zuverlässigkeit der Werkzeugmaschine. Deshalb kommen hier häufig Speziallösungen zum Einsatz. Doch eine Blisk-Fertigung, die fertigungstechnisch wie wirtschaftlich allen Anforderungen gerecht wird, ist auch auf einigen wenigen Maschinen mit Standardkinematik möglich – und außerdem viel flexibler.Die Firma Aerotech Peissenberg GmbH & Co. KG (kurz: Aerotech) ist ein führender Hersteller von Komponenten für Strahltriebwerke und Turbinen. Das Unternehmen wurde 1971 vom Triebwerkshersteller MTU Aero Engines gegründet, ist heute Teil der Drosten-Gruppe und beliefert Triebwerks- und Flugzeughersteller in der ganzen Welt, darunter Rolls-Royce, EADS und die Safran-Gruppe. Dabei hat sich das Unternehmen von der früher dominierenden Vorfertigung von Triebwerks- und Anbauteilen zu einem renommierten und qualifizierten Lieferanten einbaufertiger, komplett zertifizierter Class-1A-Komponenten entwickelt.

Neben Kompressor- sowie Turbinenscheiben und Blisks stellt Aerotech rotierende und statische Dichtringe sowie Gehäuse, Wellen und Naben für Triebwerke und Turbinen her, bis hin zu komplexen Split-Cases für Helikopter-Turbinen mit Einstellbohrungen für die Leitrechen und Leitschaufeln der Turbine. Diese im Wesentlichen rotationssymmetrischen Teile haben einen Durchmesser von ca. 300 mm bis über 650 mm. Außerdem sind aber auch prismatisch gestaltete, hochbeanspruchte Kleinteile ein wichtiger Geschäftsbereich wie z. B. Komponenten für Triebwerksgondeln, Anbauteile, statisch stark beanspruchte Strukturelemente oder Lastschlösser.

Bei diesem Fertigungsspektrum wird die Schwerzerspanung von hochtemperaturfesten Nickel-Basis-Legierungen oder Titan und Schmiedeteilen zu einer zwingend benötigten Kernkompetenz am Standort Peißenberg: „Wir fangen da an, wo andere aufhören!” ist das Motto bei Aerotech.

Angesichts des weltweit steigenden Bedarfs an Flugzeugen – und damit auch an Triebwerkskomponenten – arbeitet Aerotech an einer Verdoppelung der Fertigungskapazität im Vergleich zu 2005. Dieses Ziel soll 2010 erreicht werden.

Ein Schritt auf diesem Weg war die Investition in neue 5-Achs-Simultan-Fräszentren. Um bei der Fertigung flexibel zu bleiben, bevorzugt man bei Aerotech Maschinen mit Standardkinematik, auf der prismatische Einzel- und Serienteile ebenso gefertigt werden können wie Blisks, den technologisch bei weitem anspruchsvollsten Teilen in der Peißenberger Fertigung.

Gemeinsam mit der Abteilung für die Maschinenbeschaffung untersuchten die Technologen der Firma Aerotech die in Frage kommenden Maschinen der verschiedenen Anbieter. Die Entscheidung fiel klar für die GS1000/5T aus, ein 5-Achs-Simultan-Fräszentrum der Firma Alzmetall, das mit einer CNC der Reihe Sinumerik 840D ausgestattet ist.

Karsten Riemer, Gruppenleiter Technologieentwicklung und Maschinenbeschaffung, begründet diese Entscheidung: „Der ganze Aufbau der GS1000/5T, ihre Antriebe, Dynamik, Präzision und Steifigkeit heben diese Maschine aus dem Feld der Wettbewerber heraus und ermöglichen auch auf lange Sicht eine rationelle und wirtschaftliche Fertigung auf höchstem technologischen Niveau.”

Die extreme Steifigkeit und Präzision der Maschine resultieren aus einem innen liegenden und zudem doppelt geführten Rahmenfahrwerk. Durch die doppelte Führung wird in den Seitenwänden nicht einfach eine ausweichende Gegenbewegung angeregt, sondern eine s-förmige Verformung. Deren seitliche Auslenkung ist um etwa den Faktor zwei geringer als bei aufliegenden Fahrwerken. Die Maschine ist darum prinzipbedingt wesentlich steifer als andere Konstruktionen.

Auch die Y-Achse besteht aus einem voll-symmetrischen, beidseitig doppelt gelagerten und im Gantry-Betrieb geführten Rahmen. Darin wird die Spindel achtfach gelagert in Z-Richtung bewegt. Die Symmetrie der Rahmenbauweise und der Antriebe gegenüber der Werkzeugachse reduziert alle Positionier-, Kipp-, Nick- und Gierfehler auf das heute mechanisch machbare Minimum, und die Gegenkräfte der Zerspanung werden in alle Richtungen sehr gleichmäßig abgeführt. Die A- und C-Achse liegen im Werkstück, wobei die A-Achse beidseitig mit hochdynamischen Torque-Motoren im echten Janus-Betrieb angetrieben wird. Mit +/- 130 Grad ist dabei der Schwenkbereich der A-Achse vergleichsweise sehr groß: Üblich sind 120 bis +30 Grad. „Der große und symmetrische Schwenkbereich der A-Achse erspart so manchen Umspannvorgang”, vermerkt Herbert Legl, bei Aerotech zuständig für die NC-Programmierung, „und Hinterschnitte können häufig einfach von der Gegenseite ausgeführt werden.”

Die Rotationsachsen verfügen zudem über eine automatische, versatzfreie Klemmung, die letztlich den Antriebsregelkreis aus der Kette schwingungsfähiger Elemente herausnimmt. Die vom Werkzeug angeregten Vibrationen sind dadurch geringer als bei rein durch die Antriebe gehaltenen Achsen. Insbesondere beim Schruppen reduziert das den Werkzeugverschleiß spürbar.

Eine derart kompromisslos qualitäts-, präzisions- und performanceorientierte Konstruktionsweise ist in der gesamten Maschine vorzufinden. Mechanische Konstruktion und Antriebe wurden von Alzmetall zudem in Kooperation mit dem Mechatronic Support von Siemens einer konsequenten mechatronischen Optimierung unterzogen. Das so erzielte extrem steife Gesamtverhalten der Maschine ist der Grund für maximale Präzision und Dynamik an der Werkzeugspitze – ideal für die effiziente und hochgenaue Schwerbearbeitung und exzellente Oberflächen.

Die Bearbeitung eines Blisks dauert je nach Größe und Komplexität zwischen 60 und 80 Stunden, ggf. auch höher. Jede Störung des Ablaufes kann aus einem fast fertigen Teil Ausschuss werden lassen. Dann sind wertvolle Kalenderzeit bis zum Soll-Liefertermin, die Kosten der Maschinenstunden und das teuere Spezialmaterial verloren.
Von der Werkzeugmaschine werden darum nicht nur höchste Bearbeitungsqualität und herausragende Spanleistungen verlangt, wie Herbert Legl betont: „Ein ganz entscheidender Punkt ist die Zuverlässigkeit der Steuerung!”

Aerotech hat die Maschine mit einer CNC der Reihe Sinumerik 840D geordert. Diese Steuerung ist für besondere Zuverlässigkeit bekannt und bietet zudem viele Möglichkeiten, die Produktivität von Werkzeugmaschinen besser zu nutzen und weiter zu steigern.
Die beginnt bereits beim Aufspielen der aus den Programmiersystemen von OpenMind, Exapt und Tebis generierten Teileprogramme. Sie werden mit Hilfe des Moduls DNC aus dem für die Sinumerik-CNC verfügbaren Motion Control Information System von zentraler Stelle aus auf die Maschine übertragen. Diese Art der Einbindung in die CAD-CAM-Umgebung einer Fertigung ist sehr einfach und komfortabel zu handhaben.

Zur Steigerung der Zerspanleistung setzt Aerotech den Compcad-Satzkompressor der CNC sowie Spezialbefehle für das Schruppen und Schlichten im 5-Achs-Simultanbetrieb ein. Ermöglicht bereits der Compcad-Kompressor durch Glättung der Bewegungsübergänge eine bessere Ausnutzung der Maschinendynamik – was eine um ca. 15 % gesteigerte Zerspanleistung bewirkt – bringt der Toleranz-Zyklus in Verbindung mit den Dynamikbefehlen der CNC eine weitere Steigerung um 15 %.

Angesichts der langen Spanzeiten geht diese signifikante Steigerung fast vollständig in die Gesamtproduktivität ein – und verbessert so Kapazität und Ertragskraft der Fertigung deutlich.

„Ein weiterer Pluspunkt war für uns, dass es für die Sinumerik-Steuerung auch die Werkstattoberfläche ShopMill gibt. Dadurch können wir die Fertigungspräzision der Maschine auch im Vorrichtungs- und Hilfsmittelbau nutzen oder selbst komplexere prismatische Anbauteile direkt ab Zeichnung fertigen. Außerdem unterstützt ShopMill viele Einrichtarbeiten sehr effektiv”, meldet sich noch einmal Karsten Riemer, der Gruppenleiter Technologieentwicklung und Maschinenbeschaffung zu Wort. Und da mit ShopMill Programmierung und Arbeitsvorbereitung parallel zur laufenden Bearbeitung möglich sind, gewinnt der Betrieb mit jeder derart ausgerüsteten Maschine einen praxisgerechten Programmierplatz hinzu.

Die Fertigungsgenauigkeit der Alzmetall GS1000/5T mit der Sinumerik-CNC prüften die Produktionsexperten bei Aerotech unter anderem anhand der Fertigung eines Ringes mit Lochkreis. Einmal wurden die Bohrungen auf klassische Weise mit fixierter Spindelposition und segmentweise weiterrotiertem Werkstück gesetzt. In einem weiteren Werkstück wurden die Bohrungen nach koordinatengesteuertem Anfahren der Bohrpositionen eingebracht. Die Übereinstimmung beider Vorgehensweisen war besser als ein Hundertstel Millimeter, ebenso die Rundheit des per Zirkularfräsen gefertigten Rings. Ein weiterer Beleg für die hohe Präzision der Maschine: Nach vier Stunden intensiver Schwerzerspanung unter Volllast betrug die Nullpunktverschiebung in Z-Richtung gegenüber der kalten Maschine weniger als 2 µm.

Alle Tests und die sehr guten Erfahrungen in der laufenden Fertigung belegen, dass die GS1000/5T noch lange nicht ausgereizt ist, sie birgt im Gegenteil ganz offensichtlich noch einiges Potential. So ist die Maschine eine ideale Plattform zur Weiterentwicklung der Technologien für das 5-Achs-Simultanfräsen. Aerotech Peissenberg, Alzmetall und auch der Automatisierungspartner Siemens treiben dies gemeinsam aktiv voran und arbeiten hierbei auch mit verschiedenen Instituten zusammen. Zum Beispiel wird in Kooperation mit dem Aachener Fraunhoferinstitut für Produktionstechnik IPT das Potential von Doppel-Splines für harmonische und ruckfreie Orientierungswechsel des Werkzeugs beim 5-Achs-Simultanfräsen ausgelotet. Besonders am Übergang zwischen weiten und engen Radien, wie sie bei den Schaufeln der Blisks anzutreffen sind, können damit harmonische Geschwindigkeitsübergänge, insgesamt noch höhere Vorschubgeschwindigkeiten sowie eine noch bessere Oberflächenqualität erzielt werden.

Ergebnisse der Forschungs- und Entwicklungsarbeit am IPT Aachen kann Aerotech Peissenberg gegebenenfalls direkt nutzen. Denn: Auch das Aachener Institut hat sich für die Weiterentwicklung von Frästechnologien eine Alzmetall GS1000/5T angeschafft …
Bei Aerotech führten die Erfahrungen aus der Fertigung von Blisks, Lastschlössern und anderen Triebwerkskomponenten dazu, dass man sehr bald in eine zweite, identisch ausgestattete Maschine investierte. Denn, wie Manfred Zimmer, Leiter Produktion bei Aerotech, erläutert: „Diese Kombination von Maschine und Steuerung ist nicht nur Stand der Technik, sie bringt auch alle Voraussetzungen zur Weiterentwicklung unserer Fertigungstechnologie und strategie mit.”