„Ich freue mich sehr auf meine neue Aufgabe bei Walter“, sagt Mirko Merlo, Präsident von Walter. „Walter hat sich in den letzten Jahren zu einem internationalen Unternehmen mit Niederlassungen in allen wichtigen Märkten der Welt entwickelt. Wir sind hervorragend aufgestellt, um die Herausforderungen der Zukunft zu meistern und unsere Position als Kompetenzführer in der Zerspanung weiter auszubauen.“ Andreas Evertz bleibt in seiner neuen Funktion Walter weiterhin eng verbunden. Der 42-jährige stieg 2008 bei Walter als Vorstand Technik ein und war seit April 2010 für die gesamte Walter-Gruppe verantwortlich. Vor seiner Karriere bei Walter war Evertz bei der Bundeswehr sowie in verschiedenen Führungspositionen bei Siemens und Flender tätig.

Im Frühjahr gab Airbus bekannt, dass das Unternehmen die Produktion von Maschinen der A320-Passagierjets bis zum vierten Quartal 2012 von derzeit 36 auf monatlich 42 Flugzeuge erhöhen will. Bei der A330-Langstreckenfamilie wird die Produktionsrate von gegenwärtig 8,5 Flugzeuge bis zum zweiten Quartal 2013 auf zehn Flugzeuge pro Monat gesteigert. Um aber den zukünftigen geschätzten Bedarf an Flugzeugen bedienen zu können, reichen diese Produktionsziele bei weitem nicht aus. Dazu kommt noch, dass die Produktion viel zu teuer ist. “Würde man einen VW Golf mit Flugzeugtechnik herstellen dann dürfte er in der Größenordnung von mehreren Zehntausend Euro kosten”, bemerkt Michael Kipp, Leiter Composite bei GKN Aerospace.

Der Grund dafür ist, dass viele Komponenten noch nach Manufakturmanier weitgehend von Hand hergestellt werden. “Die vielen Tests sind der Flaschenhals der Produktion. Wenn man – wie in anderen Branchen auch – nur mit Stichprobentests auskommen könnte, dann wäre man schon weit”, beklagt Dr. Matthew Beaumont (links), Leiter des Bereichs Composite Technologies bei EADS die Situation.

Aber auch bei den Tests gibt’s noch viel zu tun. “Die Qualitätssicherung ist zum Beispiel mit Ultraschall einfach noch zu langsam”, kritisiert Prof. Klaus Drechsler (unten) von der Technischen Universität München. Und er macht auch gleich einen Lösungsvorschlag. Seiner Meinung nach müsse man sich mehr mit den ‘effects of defect’ beschäftigen und das Testen neu organisieren. So könnten dann weniger belastete Teile schneller durch die Prüfung gehen.

Um vom handwerklichen Prozess weg und hin zu einer Art industriellen Fertigung zu kommen, müssen die Flugzeugbauer notgedrungen auf mehr Automatisierung setzen. Ein Schritt auf diesem Weg ist das 2009 abgeschlossene EU-Verbundprojekt ALCAS (Advanced Low Cost Aerospace Structures). Hier nahm sich ein gutes Dutzend europäischer Firmen der Tragflächen und der Rumpfpanele an. Angepeiltes Ziel war, gegenüber der Metallversion 20 bis 30 Prozent der Kosten zu sparen. Hier tat sich noch ein weiteres Loch auf: man baut momentan einfach die Metallkomponenten in CFK nach, ein CFK-konformes Design ist praktisch nicht vorhanden.

Ablagerate erhöhen ist nicht alles

Leistungsfähige Anlagen zum Ablegen der Tapes und Faserbündel gibt es: Säulen- und Portalanlagen in Hallengröße erreichen ausreichende Legeraten. Der entsprechende Werkzeugsatz für einen Flugzeugtyp kostet mehrere Millionen Euro. Eine Säulenanlage ist zwar auch für andere Flugzeugtypen umprogrammierbar, aber ein neuer Werkzeugsatz geht wieder stark ins Geld.

Eine Alternative dazu wären flexible Anlagen, die für verschiedene Flugzeugtypen einsetzbar wären.

“Die Investitionskosten für zwei Roboter, etwa um Rumpfteile zu fertigen, sind ungefähr um die Hälfte billiger als eine Säulenanlage, aber die Produktivität eines solchen Arrangements steigt nicht linear mit der Zahl der Roboter”, weiß Niko Naumann (links) von Coriolis Composites. Und der Einsatz mehrerer Roboter macht nur Sinn bei großen Bauteilen. Da große Bauteile nicht bewegt werden können, sind bewegliche Roboter von Vorteil, um mit komplexen Details klarzukommen.

“Kooperierende Roboter sind noch ein Thema der Forschung, der Serieneinsatz wird noch etwas auf sich warten lassen, denn man muss noch das Problem der Vorfahrtsregeln lösen, damit es keine Kollisionen gibt”, so Niko Naumann. Aber kooperierende Roboter können auch Qualitätsprobleme schaffen. Matthew Beaumont: “Das Vorhaben, bei großen Rumpfpanelen die effektive Legerate mit mehreren Legeköpfen zu erhöhen, ohne dass eine sichtbare Naht entsteht ist, momentan im Konzeptstadium.”

In Kooperation mit dem DLR baut KUKA Systems momentan eine multifunktionale Zelle mit großem Roboterfeld auf, die bis 2012 am ZLP (Zentrum für Leichtbau Produktion) in Augsburg umgesetzt wird. Das Unkonventionelle: die Industrieroboter und auch Sonderkinematiken hängen hier von der Decke. Parallele Bearbeitung mit mehreren Einheiten an Großbauteilen bei gleichzeitig prinzipieller Zugriffsmöglichsmöglichkeit für den Menschen zur Prozessbeobachtung oder Interaktion mit den Maschinen haben zur bestehenden Konzeption geführt. Im Rahmen der Forschungskooperation wird in den nächsten Jahre an verschiedensten Technologiepaketen in der Robotik und Automation geforscht werden. Themen sind: Kooperierende, extern geführte Kinematiken, die auch in sicherer Technik betrieben werden können, so daß auch als mittelfristiges Ziel bis zur Mensch Maschine Interaktion vielfältige Technologiepakete zur Verfügung gestellt werden. “Dabei wird auf eine neue Steuerungsgeneration mit vielfältigen technologischen Perspektiven gesetzt”, weiß Stefan Bayer von KUKA Systems – Bereich Aerospace & Composites.

„In der Zelle sollen einmal Roboter CFK-Gelege aufnehmen, drapieren und kompaktieren, entsprechende Technologieentwicklungen laufen hierzu aktuell. Über eine `externe Führung´der Roboter, aktuell noch im Versuchstadium, haben wir nachgewiesenermaßen die Präzision des Roboters auch während Bahnprozessen deutlich erhöht“, berichtet Stefan Bayer (links). Dies wird aktuell mit Hilfe eines externen Messsystemes realisiert, indem Korrekturwerte über eine Schnittstelle an die Robotersteuerung weitergegeben werden.

Stefan Bayer kann sich vorstellen, mittel bis langfristig Großteilbearbeitung mit mehreren Maschinen parallel auch in Produktionsumgebung einzusetzen, entsprechende Technologiebausteine sind hierzu in Bearbeitung.

Das Basismaterial von CFK sind Fasern und Textiltechnik hat einen jahrhunderte alten Erfahrungsschatz, den man auch hier nutzen kann, zum Beispiel zum Flechten. “Im Zusammenhang mit CFK muss man in die Maschine hineingehen und schauen welche Kräfte auf die Carbonfasern wirken, welche Biegeradien auftreten und welche Biegespannungen daraus resultieren, man muss also bei Adam und Eva anfangen”, so Matthew Beaumont.

Momentan wird durch Flechten ein Schlauch aus Carbonfasern auf einen Kern geflochten mit Legeraten von 1m/min, der für Spanten, Stringer und Versteifungen genutzt werden soll. “Wir nutzen zwei Flechtmaschinen die mit anderen Einheiten kooperieren um lokale Verstärkungen herzustellen und das Ganze braucht nur einen Bediener in der Serienfertigung”, berichtet Matthew Beaumont. Aus diesen Schläuchen gefertigte Rahmen könnten in den nächsten vier bis fünf Jahren in Serie gehen.

Um das Imprägnieren und anschließende Aushärten kosteneffizienter zu gestalten, entwickelte man vor einigen Jahren den VAP-(Vacuum Assisted Process). Das Sparpotential resultierte daraus, dass nur ein einseitiges Werkzeug benötigt wird und eine Laminatqualität erreicht werden kann, für die früher ein Autoklav nötig war. Aber die viele Handarbeit und der beträchtliche Folienverbrauch sorgen für Müllberge und reduzieren die Kosteneffizienz. “Wir haben die Vakuumfolie durch Metallbleche ersetzt und machen es so im Prinzip wieder zu einem zweiseitigen Werkzeug, aber ohne die entsprechenden Kosten”, verkündet Beaumont.

Zum Beispiel können hier dünne Aluminiumstreifen überlappend aufgelegt werden, die ausreichend dicht für das benötigte Vakuum sind. Außer der Materialersparnis ist auch deutlich weniger Arbeitszeit nötig und auch die Vorbereitungen fürs Aushärten reduzieren sich.

CFK-Materialien mit thermoplastischer Matrix besitzen einen großen Vorteil gegenüber denen mit duroplastischer. Da sie nicht kleben sind sie einfach zu handhaben, sauber und mit Zykluszeiten im Minutenbereich umzuformen verglichen mit Stunden bei CFK-Duroplasten. Dazu gesellen sich gute mechanische Eigenschaften, eine nahezu unbegrenzte Lagerfähigkeit und vor allem die Schweißbarkeit. Leider sind sie relativ teuer und neigen wie alle Thermoplaste unter Last zum Kriechen. Es gibt zwar schon Versteifungselemente mit thermoplastischer Matrix, aber CFK-Duroplast-Rippen sind gut 20 Prozent billiger.

Vom Autoklaven weg kommen?

Der Autoklav ist teuer, verbraucht viel Energie, gibt aber auch viel Prozesssicherheit und bessere Bauteileigenschaften. “Holmsegmente etwa können mit ausreichender Qualität ohne Autoklav hergestellt werden, aber etwa Flügelschalen werden weiter konventionell hergestellt werden”, bemerkt Dr. Matthias Meyer, Abteilungsleiter Verbundprozesstechnologie im DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik. Eine Perspektive bietet hier die Herstellung integrierter Bauteile, also Rumpfaußenhaut mit Stringern und Spanten. Dieses Verfahren ist gerade in der Erprobung. Dazu kommt die großtechnische Erprobung eines automatischen RTM-(Resin Transfer Molding)-Verfahrens. “Es besteht aber auch noch großes Potential, dabei etablierte Prozesse leistungsfähiger zu machen”; bemerkt Matthias Meyer. Mikrowellenhärten ist momentan noch in der Forschung und deshalb sieht Michael KIpp es auch erst in der nächsten oder übernächsten Flugzeuggeneration in der Produktion.

Die eigentliche CFK-Revolution wird beim Auto stattfinden, denn für Elektroautos braucht man CFK um das Gewicht zu senken und es existiert der Druck des Marktes, 10 bis 50 Prozent der Herstellungskosten zu drücken. “Das könnte dann wieder Rückimpulse für den Flugzeugbau bringen”, hofft Michael Kipp.

Dr. Barbara Stumpp

Die nach wie vor üblichen Schablonen zum Ausrichten flächiger Materialien und zum Herstellen von Verbundwerkstoffen erfüllen nur noch bedingt die hohen Anforderungen in der Industrie. Die häufig komplexen Formen mit hohen Maßhaltigkeits- und Qualitätsanforderungen erfordern enormen manuellen Aufwand für das Messen und das Handling. Darüber hinaus ist auch die Herstellung der Schablonen aufwändig und kostspielig. Denn für jede neue Form muss auch eine neue Schablone gefertigt werden. Zudem verschleißen Schablonen schnell und binden wegen ihrer Größe und Form viel Lagerkapazität. Dies ist gerade in der Entwicklungs- und Prototypen-Phase, in der häufig Änderungen vorgenommen werden müssen, unwirtschaftlich und zeitraubend. Die Produktion flächiger Bauteile mit Hilfe von Schablonen ist aufwändig und wenig flexibel.

Bei fehlerhaft verlegten Matten während der Herstellung von Verbundwerkstoffen, wie etwa faserverstärkten Bauteilen, entsteht grundsätzlich Ausschuss. Das teure Material ist nach dem Verbacken nicht weiter zu verwenden.

Auf die gestiegenen Anforderungen an die Qualität sowie effizienter und flexibler Herstellung müssen die Unternehmen mit verbesserten Produktionsmethoden reagieren. Unternehmen, die immer noch mit Schablonen arbeiten, nutzen nicht die Vorteile, die fortschrittliche Werkzeuge wie etwa Laser-Projektoren bieten.

Manuelles Messen muss nicht mehr sein

Die Laserprojektoren von LAP ersetzen die umständlichen Schablonen, indem sie komplexe Konturen millimetergenau auf die Arbeitsfläche projizieren. Um die Kontur auf der Fläche darzustellen, lenken zwei drehbare, softwaregesteuerte Spiegel den Laserstrahl ab. Der Laserpunkt bewegt sich mit sehr hoher Geschwindigkeit auf der Arbeitsfläche, so dass der Eindruck einer geschlossenen Linie entsteht. Die notwendigen Informationen entnimmt das System den CAD-Daten.

Höchste Präzision und Reproduzierbarkeit

Ein Projektions-System umfasst im Wesentlichen einen oder mehrere Projektoren und einen Rechner mit Projektionssoftware. Die Software kann selbstständig betrieben oder über eine Schnittstelle in die Maschinensteuerung eingebunden werden. In den meisten Fällen sind die Laserprojektoren senkrecht über der Arbeitsfläche an einer Montagevorrichtung oder an der Decke montiert. Durch die kompakte Bauform, das niedrige Gewicht und die integrierte Schwenkhalterung können die wartungsarmen Projektoren fast überall eingesetzt werden.

Für die präzise 1:1-Projektion ist eine Kalibrierung notwendig. Sie stellt den exakten Bezug zwischen der Projektorposition und der Projektionsfläche her. Dafür scannt das System die so genannten Targets. Das sind Reflektoren, die sich an vorher vermessenen Punkten befinden. Daraus errechnet das System die Lage des Projektors zur Projektionsfläche. Nach der Installation ist nur einmalig eine manuelle Grundkalibrierung notwendig. Im Alltagsbetrieb überprüft das System die Kalibrierung innerhalb weniger Sekunden automatisch. Das schließt Bedienfehler aus und ermöglicht dauerhaft höchste Präzision und Reproduzierbarkeit.

Bei der Entwicklung der LAP Laserprojektoren haben die Ingenieure großen Wert auf Einsatzkomfort gelegt. So ist der Projektorwechsel, etwa zur Wartung oder für ein Hardware-Upgrade, mittels nur einer Schraube möglich. Fachpersonal ist dafür nicht notwendig. Das von LAP gelieferte Austausch- oder Ersatzgerät passt weiterhin in die bestehende Halterung, ist genauso schnell montiert und kalibiert sich automatisch selbst. Typischerweise dauert der gesamte Vorgang nur wenige Minuten.

LAP ist nach eigenen Angaben der einzige Hersteller von Laserprojektoren, die drei Farben gleichzeitig abbilden können. Dadurch lassen sich bestimmte Bereiche hervorheben, die besonders beachtet werden müssen. Durch den Wechsel der Farbe von Rot nach Gelb oder Grün kann das System ebenso signalisieren, welche Teile die Facharbeiter noch bearbeiten müssen, welche Teile in Arbeit sind oder bereits fertig. Hilfreich ist es aber auch, die Farbe zu wählen, bei der die Kontur auf dem Grundmaterial am besten zu sehen ist.

So kann die zweite Farbe (etwa Rot), beispielsweise in der Fertigbauindustrie, Umrisse von Steckdosen- oder Fenster-Aussparungen nach dem Bestücken der Schalungselemente anzeigen, ob sich diese am richtige Platz befinden. Die dritte Farbe kann beispielsweise eine Teilenummer angeben.

Verlässliches Qualitätssicherungs-Werkzeug

Die LAP Software PRO-SOFT weist diverse arbeitserleichternde Features auf: Übernahme der CAD-Daten, Übergabe der Steuersignale an den Projektor, Digitalisieren von Bauteilen, automatische Kalibrierung und natürlich Visualisierung der Konturen. Die LAP Software kann sogar komplette Arbeitsabläufe steuern und kontrollieren. „Dieses besondere Feature erweist sich vor allem bei komplexen Arbeitsvorgängen wie der Herstellung von Verbundwerkstoffen als eine enorme Entlastung der Anwender. Außerdem ist es ein komfortables und verlässliches Qualitätssicherungs-Werkzeug,“ erläutert Axel Rieckmann, Vertriebsleiter Industrie bei LAP. „Die speziellen COMPOSITE PRO Systeme projizieren die exakte Position der jeweiligen Matten oder Teile und eine eindeutige Identifikationsnummer. Schrittweise leitet das System die Arbeiter durch die Produktion der Verbundwerkstoffe und vergisst keine Teile. Zudem werden die einzelnen Arbeitsschritte dokumentiert.“

Prozessoptimierung für Flugzeughersteller

Flugzeughersteller Airbus beispielsweise optimiert mit den Laserprojektoren die Effizienz der Fertigung von kohlefaserverstärkten Bauteilen für Flügel, Rumpf und Leitwerk des neuen Airbus A350 XWB. Erstmals verwendet der Flugzeughersteller hier kohlefaserverstärkte Werkstoffe auch für Komponenten des Rumpfes und der kompletten Flügel. Das reduziert das Gewicht und somit den Treibstoffverbrauch der über 65 Meter langen Flugzeuge mit einer Spannweite von mehr als 60 Metern erheblich. LAP Vertriebsleiter Industrie Axel Rieckmann: „Der Flugzeughersteller Airbus hat LAP mit der Lieferung von insgesamt 220 Laserprojektionssystemen beauftragt. Damit ist LAP strategischer Partner von Airbus, und darauf sind wir stolz.“

Beim Aufbau von Karbonfaserteilen projizieren die Laserstrahlen die Lage der einzelnen Kohlefasermatten. Das spart Zeit und Geld, da das Ausrichten der Teile mit den unhandlichen Schablonen und das umständliche Einmessen entfallen. Zusätzlich kann die korrekte Lage und Ausrichtung der Kohlefasermatten überprüft werden. Nach dem Legen zeigt die zweite Farbe, ob die Matte korrekt positioniert ist. So lassen sich Fehler in der Produktion quasi ausschließen.

In der Fertigung leiten die Projektoren die Mitarbeiter Schritt für Schritt durch den gesamten Aufbau der Bauteile. Wie in einem elektronischen Plybook werden die einzelnen Arbeitsschritte wie das Positionieren der Kohlefasermatten oder das exakte Markieren von Rippenstrukturen, Honeycombs und anderen Einbauelementen in der richtigen Reihenfolge angezeigt. Alle Elemente befinden sich somit zur richtigen Zeit am richtigen Ort, geprüft und dokumentiert.

Für die Bearbeitung großer Teile eignet sich das Multi Head-System. Mehrere Projektoren, deren Arbeitsbereiche überlappen, überspannen die gesamte Länge. Der Größe der Arbeitsplätze sind somit nahezu keine Grenzen gesetzt. Das Multitasking-Feature von PRO SOFT macht es möglich, für unterschiedliche Arbeitsgruppen jeweils die Kontur anzuzeigen, mit der sie gerade arbeiten. Dabei können alle Teams vollkommen unabhängig voneinander agieren.

Bereits seit 2001 kooperieren Airbus Frankreich und LMS International bei diversen EUREKA-Projekten mit der Bezeichnung ‚FLITE’ (Flight Test Easy). Die EUREKA FLITE-Projekte sind eine zwischenstaatliche Initiative zur Unterstützung der marktorientierten europäischen Forschung und Entwicklung, die sich darauf konzentrieren, Flugzeugdesignern und -konstrukteuren neue und leistungsstarke Werkzeuge anzubieten, welche die Qualität und Aussagekraft von Daten verbessern, die während Flugtests gesammelt werden. In diesem Zuge vereinigt das FLITE-Konsortium Flugzeughersteller und -technologieanbieter von Weltrang aus Frankreich, Belgien und Polen. Die FLITE-Projekte geben die einzigartige Gelegenheit, neue hochentwickelte Algo-rithmen mit anspruchsvollen Flugdaten zu verifizieren.

Ende 2007 vereinbarten LMS und Airbus den Start eines Projektes zur Beurteilung von LMS PolyMAX – einem integrierten Teil der LMS Test.Lab Structures-Reihe – als Schlüssellösung, um eine hochqualitative Offline-Verarbeitung von während des Fluges gesammelten Daten für Flattertests zu erzielen.

Als Flattern bezeichnet man eine ungedämpfte Schwingung eines Flugzeugs. Dieses Phänomen stellt eine der großen Herausforderungen im Flugzeugbau dar, kann jedoch durch konstruktive Maßnahmen beeinflusst werden. Flattern gehört zu den Effekten der Aeroelastizität, der Interak-tion zwischen Trägheits-, Elastizitäts- und aerodynamischen Kräften, die bei der Flugzeugkon-struktion eine zentrale Rolle spielt. Denn sobald vier riesige Motoren, größere Abmessungen und Flexibilität hinzukommen, ist es wenig überraschend, dass sich das aerodynamische Verhalten eines Flugzeugs verändert und zunehmend komplex wird.

Für die neuen Flugzeugeigenschaften werden die während des Flattertests eingesetzten modalen Identifizierungsmethoden weiterentwickelt, die sicherstellen sollen, dass die Parameter korrekt identifiziert werden. Für die Festlegung der Grenzwerte für Flattern, die bei den wichtigen ersten Testreihen während des Fluges verwendet werden, müssen die Frequenzen und Dämpfungen so genau wie möglich bestimmt werden.

Flattertests können in drei Abschnitte aufgeteilt werden: Echtzeit, Echtzeitnah und Offline. Im Rahmen der Versuchsreihen werden während des Testflugs Echtzeitdaten hauptsächlich als Grenzwertüberwachung zur Fortführung des Flugversuchs gesammelt. Echtzeitnahe Tests kon-zentrieren sich auf die schnelle modale Beurteilung zur Bestimmung der Gesamtsicherheit des Fluges und des Flattertestprogramms. Der Offline-Abschnitt befasst sich mit der genaueren Ana-lyse der aufgezeichneten Flugdaten und mit der Erstellung des Endberichts.

In diesem Rahmen bietet LMS Test.Lab Modal Analysis ein voll ausgestattetes Paket zur effizienten und effektiven Offline-Validierung von Daten mit der gesamten erforderlichen Funktionsvielfalt wie Datenvorverarbeitung, modale Parameterbestimmung, Animation der Schwingformen und Ergebnisvalidierung, während die LMS Test.Lab Structures-Reihe eine komplette Lösung zur Modalanalyse ist, welche die Hochgeschwindigkeits-Vielkanaldatenerfassung mit einer Reihe integrierter Test-, Analyse- und Berichts-Tools kombiniert. LMS ist im Übrigen für seine Erfahrung mit Modaltests und skalierbaren Lösungen bekannt – von der Unterstützung von Hammertests für kleine Strukturen bis hin zu den großen Testkampagnen unter Verwendung von mehreren Schwingerregern und Hunderten von Messkanälen.

Gerade bei der Kampagne für den A380 stand das Airbus Flatterteam im französischen Toulouse vor einigen Herausforderungen. Denn dabei traten Probleme auf, die es schon bei der Flatter-Kampagne des Airbus A340 gab: Eine hohe modale Dichte und ähnliche Schwingformen, beides in einem niedrigen und schmalen Frequenzbereich.

Im Hinblick auf die modale Identifizierung erforderten diese neuen präzisen Anforderungen eine besser ausgestattete und definierte Testinstallation. Das bedeutete Forschen nach dem richtigen Verfahren. Die gemessenen Daten mussten an genügend vielen Messpunkten in einer aus-reichenden Qualität aufgezeichnet werden, um die Spektren und die Berechnung der Übertra-gungsfunktionen zu verbessern und bei der Berechnung der Schwingformen des Flugzeugs räumliche Mehrdeutigkeit (Spatial Aliasing) zu vermeiden. Dies erforderte innovatives Denken und eine gründliche Bewertung der Prozesse in Bezug auf derzeit bestehende Techniken.

In der Vergangenheit führten die Flugtest-Abteilungen von Airbus mit ihrer selbst entwickelten echtzeitnahen Lösung Datenanalysen durch und übertrugen die Ergebnisse zusammen mit den Rohdaten an Airbus Deutschland, wo die numerischen Flatterprognosen mit den tatsächlichen Flugtests verglichen wurden. Airbus Frankreich hielt es für notwendig, zukünftig tiefergehende Datenanalysen vorzunehmen, damit sie vollständigere Ergebnisse nach Deutschland schicken können. „Es war offensichtlich, dass wir eine Lösung brauchten, die den Abgleich zwischen der Online-Flugdatenanalyse in Toulouse und der Nachbearbeitung im Konstruktionszentrum bei Airbus Deutschland verbessert. Mit den Ergebnissen, die uns nun LMS Test.Lab bietet, sind wir sehr zufrieden,“ berichtet Jean Roubertier, Aeroelastizitäts-Fachmann in der Flugtestabteilung von Airbus.

Aufgrund der Größe des Airbus A380 – mit seinen 525 Plätzen ist er das größte Verkehrsflug-zeug der Welt – verwundert es nicht, dass die während des Flugs gesammelten Testdaten ebenfalls rekordverdächtig sind. „Mit mehr als 100 Sensoren war dies eine der größten Aufbau-ten für eine Flattertestkampagne, die ich je gesehen habe. Auch die Anzahl an Tests unter un-terschiedlichen Flugbedingungen ist beeindruckend. Der resultierende Datenbestand ist immens, wobei Fähigkeiten der effizienten Bearbeitung und Berichterstellung gefordert sind”, erläutert Bart Peeters, LMS Research Project Manager.

Das Airbus Flatter-Team in Toulouse verwendete verschiedene Anregungen, einschließlich Sinussweep und Pulsanregung der Steuerflächen. Pulse werden derzeit eingesetzt, um die Sicherheit der Crew und des Flugzeugs zu gewährleisten, während Sweeps verwendet werden, um genauere Resultate zu erarbeiten, mit denen theoretische FE-Modelle aktualisiert werden können. Die Dauer der Flatterflüge konnte durch die Integrierung von Pulsen in den Prozess er-heblich reduziert werden.

Selbst bei Projekten dieser Größenordnung gibt es immer ein Rauschen in den Daten, das berücksichtigt werden muss. LMS Test.Lab zeichnet ein sehr klares Bild mit Techniken, die selbst aus sehr verrauschten Daten klare Analyseergebnisse hervorbringen. Dieses Feature bietet Kunden wie Airbus einen wahren Wettbewerbsvorteil bei der Offline-Testverarbeitung. „Wir haben festgestellt, dass das exponentielle Fenster für Kreuzkorrelationsberechnungen ein gutes Werkzeug gegen Rauschen in unseren Daten während des Fluges war. Und die Validierungs-Tools, wie Korrelationsgrade, MAC Matrix, Schwingungsformkomplexität (MPD und MPC Kriterien) sind mit Blick auf die Echtzeit-Identifizierungen während der Flatter-Tests sehr gut geeignet,“ betont Miquel Angel Oliver Escandell, Mitglied des Airbus Flatter-Teams.

Im Rahmen des Vergleichstests verwendete das Flatter-Team von Airbus LMS PolyMAX während der Sinussweepanregung des Flugzeugs. Die Ergebnisse bei der Verwendung eines Exponentialfensters von 5% sind gut und liefern neben einer hohen Korrelation in der Synthese (98% bei der Verwendung von lediglich zwei Referenzen) auch klare Stabilisierungsdiagramme. Nicht zuletzt deswegen waren die Experten von Airbus auch sehr beeindruckt von den Ergebnissen der Flatteranalyse sowie der Art und Weise, wie die LMS Test.Lab Software die Schwierigkeiten bei der Verarbeitung der riesigen Menge an Flugdaten des Airbus A380 während der Offline-Analyse handhabt.

Das hinter dem Projekt stehende technische Ziel war der Vergleich der klassischen experimen-tellen Modalanalyse (EMA) mit der LMS Test.Lab Betriebs-Modalanalyse [Operational Modal Analysis (OMA)]. Bei der klassischen EMA werden aus der Steuerflächenerregung und den Antwortsignalen des Flugzeugs die Frequenzgangfunktionen (FRFs) berechnet. Während des eigentlichen Fluges gibt es weitere Anregungen, wie zum Beispiel Turbulenzen. Manchmal führt dies zu verrauschten FRF. So empfängt beispielsweise ein Sensor am Flugzeugheck einen be-grenzten Beitrag von der Flügelerregung. Daher kam die Idee auf, das Erregungssignal zu vernachlässigen und stattdessen für die Beschleunigungssignale am Flugzeug OMA anzuwenden.

„Wir haben tatsächlich mit OMA bessere Ergebnisse erzielt als mit der klassischen Methode EMA. Wir fanden mehr Schwingungsmoden. Die Synthese war besser bei einer höheren Korrelation und weniger Fehlern. Und die Schwingungsformen während des Fluges sahen viel besser aus. Dies war einerseits auf die Anzahl an Sensoren zurückzuführen, die wir verwendet haben, andererseits aber auch auf OMA Fähigkeiten von LMS Test.Lab,” zieht Jean Roubertier ein positives Fazit.

Bei seiner Gründung im Jahr 1995 war Specialist Aviation (heute SA Group) auf die Beschaffung von Ersatzteilen für den 146 Regional Jet (RJ) von BAE spezialisiert. „Ich hatte einmal in der Beschaffungsabteilung von BAE gearbeitet”, erläutert Hammond, „so dass ich in der ganzen Welt Kontakte habe: Ich weiß, wer auf dem Teile-Markt aktiv ist und ich weiß vor allem, wessen Flugzeug-Leasingverträge auslaufen. Das ist wichtig, denn wenn Verträge auslaufen, bleiben oft Ersatzteile zum Verkauf übrig.“

„Daher bieten wir den Luftfahrzeugunternehmen, die es sich nicht leisten können, mit vielen verschiedenen Zulieferern zu verhandeln, eine wertvolle Dienstleistung an. Wir bündeln ihre Bestellungen und liefern die Teile dorthin, wo diese benötigt werden. Das kann ein Flugzeug sein, das aufgrund eines Defektes oder wegen des C-Checks (vergleichbar mit dem TÜV für PKWs) auf einem Flughafen festliegt. Zu unseren Kunden zählen Flybe in Exeter, Marshalls in Cambridge und British Aerospace (seit 1999 BAE Systems).“

„Teilweise verdanken wir es BAE, das wir in die Fertigung eingestiegen sind. Wir haben Ersatzteile für deren Bodentechnik geliefert, aber nichts bei uns selbst hergestellt. Allerdings bot sich uns die Gelegenheit, ein lokales Unternehmen namens Bowman and Sanderson (B&S) zu kaufen, das die von BAE benötigten Teile fertigte. Also haben wir dessen Bestände aufgekauft und die Angestellten und Maschinen übernommen. Wir haben BAE um ein Audit des Unternehmens und um die Fertigungsfreigabe gebeten. Damals gingen dann die ersten Anfragen nach 5-Achsen-Arbeiten ein und ich entdeckte die Vorteile der Haas CNC-Maschinen.”

Chancen durch Diversifizierung

Wie Hammond selbst zugibt, hatte er „von der maschinellen Bearbeitung keine Ahnung”. Doch durch die Übernahme von B&S besaß SA mehr als 20 hochqualifizierte Angestellte, darunter zwei Fachkräfte, die CNC-Maschinen bedienen konnten. „B&S hatte zwei CNC-Maschinen und deren Systeme waren ISO-zertifiziert, mit einer sehr guten Rückverfolgbarkeit, was BAE forderte. Also hat B&S die Fertigung übernommen und SA kümmerte sich um das Projektmanagement, einschließlich um die Endbearbeitung und die Verwaltungsarbeit. Das war eine gute Möglichkeit der Diversifizierung, denn so konnten wir beginnen, Ersatzteile für viele unterschiedliche Kunden und Flugzeugzellen fertigen: wir waren nicht länger auf die Wartung des 146 RJ beschränkt.“

„Allerdings wusste ich, dass wir nur mit der Fertigung von simplen Basisteilen auf dem Markt nicht bestehen konnten. Das wurde mir auf den damaligen großen Maschinenauktionen klar, wo ich immer nur die alten Maschinen sah, die schon lange in Betrieb waren. Moderne 5-Achsen-Maschinen habe ich nur äußerst selten gesehen. Das hat mich überzeugt, dass wir, um konkurrenzfähig zu sein, uns technologisch soweit an die Spitze setzen mussten, wie wir es uns leisten konnten. Zum Glück stellte sich heraus, dass zwei unserer Angestellten den lokalen Haas Vertreter, Danny Sullivan, kannten. „Sullivan war toll. Er traf sich mit mir und zeigte mir die Haas Maschinen im Internet. Dann organisierte er einen Besuch bei einem Kunden in Birmingham, der mit einer 5-Achsen-Maschine arbeitete.“

„Dieser Kunde hat uns sehr geholfen: Vor allem gab er mir einen wertvollen Ratschlag zu dem einzusetzenden CAD/CAM-Paket DELCAM. Offensichtlich hatte sein Team bereits zwei oder drei andere Lösungen ausprobiert, war damit aber nicht zu Recht gekommen. Daher was das ein wichtiger Hinweis. Er sagte mir auch, dass sie zwar ein paar Probleme mit den Maschinen hatten, hauptsächlich Bedienerfehler, Haas diese aber sehr schnell behoben hatte: In der Tat konnte er Haas gar nicht genug loben.

Investition in die Zukunft

„Natürlich haben wir Angebote von anderen Lieferanten von Werkzeugmaschinen erhalten, doch die Haas Maschinen boten ein außergewöhnliches Preis-Leistungsverhältnis und der Service war herausragend. Also haben wir 2009 unsere erste Haas 5-Achsen-Maschine gekauft und wir haben es nicht bereut. Das heißt nicht, dass wir in unserem ersten Jahr nicht eine Menge mit der Software und den Maschinen zu lernen hatten, doch unser CNC-Programmierer ging zu den DELCAM- und Haas Schulungskursen und hat sich alles angeeignet. Das war eine Investition, die sich bezahlt gemacht hat, denn einer unserer Leute hatte einen Auftrag vom Force India F1 Team (ehemals Jordan F1) hereingeholt. Sie brauchten Hilfe und wir konnten einspringen und ein paar Teile für sie fertigen.“

„Das zweite Jahr lief dann ganz anders. Wir hatten 50 bis 60 Aufträge in einem Viertel der Zeit – da mussten wir richtig ran. Das waren zwar immer noch Spritzgusskomponenten, aber wir haben viele Erfahrungen damit sammeln können. Seitdem haben wir unsere Fertigkeiten wirklich ausgebaut. Wir haben an Kunststoff-Spritzgussteilen, Aluminiumkomponenten für die Luftfahrt-Kunden und Titanteilen für Force India gearbeitet, die sie in den Verbundteilen für die Frontseite ihrer Fahrzeuge verwenden. Auch haben wir mit Wabenstrukturen experimentiert, die sehr schwer einzuspannen sind. Für die Bearbeitung frieren wir das Werkstück in Eis ein, so dass die dünnen Wände der Wabe keinen Schaden nehmen. Da das Eis sehr schnell schmilzt, bleiben uns für die Bearbeitung nur wenige Minuten.“

„Die 3-Achsen-Funktionen unserer Haas Maschinen nutzen wir hauptsächlich für die Luftfahrtindustrie, aber sie haben uns auch ermöglicht, anderen wichtigen Kunden, wie BAE und dem Verteidigungsministerium, neue Dienstleistungen anzubieten. So besitzt BAE von Teilen zahlreicher Flughafen-Bodengeräte, die vor über 30 Jahren entworfen wurden, keine Modelle. Doch mit unseren Haas CNC-Programmen können wir diese zurückentwickeln und neu modellieren. Das gleiche machen wir für das Verteidigungsministerium mit deren alten Beständen. Damit haben wir uns in nur zwei Jahren von einem Neueinsteier zu einem sehr kompetenten und vertrauenswürdigen Hersteller entwickelt.

Qualifiziertes Personal, moderne Technologien, robuste Systeme

„Diese Diversifizierung ist für unser Unternehmen, vor allem in diesen schwierigen Zeiten, sehr wichtig. Jetzt haben wir zwei Standbeine – Fertigung und Ersatzteile – und sind nicht mehr von nur einem Geschäftsbereich abhängig. Wir haben das Ersatzteilgeschäft ausgebaut und im letzten Jahr begonnen, alte Flugzeuge zur Ersatzteilgewinnung aufzukaufen. 2010 haben wir zwei Flugzeuge auseinandergenommen. Dieses Jahr sind wir auch schon bei der zweiten Maschine. Die dritte wartet bereits auf ihren ‚Einsatz‘.”

„Daher sind wir weiter auf Wachstumskurs. Zurzeit haben wir 25 Angestellte. Wir arbeiten daran, die SC21 Lieferkettenfreigabe der Society of British Aerospace Companies zu erhalten und im vergangenen Jahr haben wir neue Räume bezogen. Mit mehr Platz und einer wachsenden Zahl von Aufträgen war es uns möglich, in drei weitere Haas Maschinen zu investieren: zwei vertikale 5-Achsen Bearbeitungszentren VF3SS und eine Fräsmaschine TM-1 für den Werkzeug- und Vorrichtungsbau. Diese ergänzen unseren vorhandenen Maschinenpark, der aus einer Haas VF4SS, einem Drehzentrum SL10 und drei anderen Fräsmaschinen besteht. Wir planen, unsere alten Maschinen schrittweise zu ersetzen, bis wir nur noch mit Haas arbeiten.“

„Die höhere Drehzahl, Flexibilität und Genauigkeit der Haas Maschinen helfen uns, mehr Prototypen-Aufträge aus der sich entwickelnden Luft- und Raumfahrtindustrie zu gewinnen, was sehr interessant ist und zahlreiche Ähnlichkeiten zu unserer F1-Arbeit aufweist. Noch wichtiger ist aber”, ergänzt Hammond abschließend, „dass unsere langfristige Investition in Menschen und Technologie uns dabei helfen müsste, die Zulassung der Europäischen Agentur für Flugsicherheit (EASA) nach Part 21j zu erhalten, da wir dann als luftfahrttechnischer Entwicklungsbetrieb in der Lage wären, flugtaugliche Komponenten herzustellen. Damit würden wir mit unserem Unternehmen dann wirklich abheben.”

Weitere Informationen erhalten Sie bei:

MBMC – Worldwide Technology Marketing
+44 (0)1603 283 601
press@mbmc-uk.com

SA Group
www.sagroup.aero

Wie in kaum einer anderen Branche spielen Sicherheitsaspekte in der Luft- und Raumfahrt eine zentrale Rolle. Jedes noch so kleine Teil, jede einzelne Komponente, vor allem in den Bereichen von Flug- und Triebwerk, könnten zu Problemen führen, sollten sie nicht den hohen Anforderungen an Präzision und an die Materialeigenschaften entsprechen. Daraus folgt, dass auch die Herstellungsverfahren und die Bearbeitung solcher Teile und Komponenten höchst anspruchsvoll ist. Das hohe Bedürfnis nach Sicherheit trifft zudem auf eine Reihe weiterer Besonderheiten der Luftfahrttechnik zu.

Die Bauteile sind sehr komplex und schwierig zu bearbeiten. Die Werkstoffe weisen extreme Unterschiede auf unterschiedlich, die Entwicklung neuer Materialien erfolgt in raschem Tempo. Lange Zeit war Aluminium der Standardwerkstoff, das hat sich inzwischen geändert. Der Aluminiumanteil der jüngsten Flugzeuggeneration, beispielsweise beim Boeing Dreamliner oder dem Airbus A350 XWB, liegt nur noch bei rund 20 Prozent. Moderne Jets bestehen zur Hälfte aus Composite-Materialien wie glasfaser- oder kohlefaserverstärkten Kunststoffen. Daneben nimmt die Bedeutung von Titanwerkstoffen zu. Eine weitere Werkstoffgruppe sind die Hochtemperatur-Materialien, die hauptsächlich im Triebwerksbereich zum Einsatz kommen, wie hochlegierte Stähle, Kobalt- und Nickelbasislegierungen. Tendenziell sind diese Pro-blemwerkstoffe immer schwieriger zu bearbeiten, da laufend neue, noch festere Legierungen entwickelt werden.

Impuls für Neuentwicklungen

So stellt auch für den Werkzeughersteller Walter in Tübingen, mit 34 Niederlassungen weltweit vertreten, die Luft- und Raumfahrttechnik eine Herausforderung dar, aber auch einen wichtigen Impulsgeber für Neuentwicklungen. Walter verfolgt seit vielen Jahren die Strategie der Branchenfokussierung. „Eine dieser Fokus-Branchen ist die Luftfahrtindustrie“, erklärt Andreas Evertz, Vorstandsvorsitzender der Walter AG. Sein Augenmerk gilt dem Rundum-Angebot, das der Tübinger Werkzeugspezialist der Aerospace-Branche bieten kann. „Aufgrund des breiten Spektrums an Werkstoffen gehört das Standardprogramm für den Bereich Luftfahrt zu den um¬fangreichsten. Es deckt alle Bearbeitungstechnologien ab. Wir können daher mit Recht sa¬gen, wir sind Komplettanbieter für die Luftfahrtindustrie – egal, ob Sonder- oder Standardlösungen verlangt werden.“

Jeder Werkstoff hat seine eigene Problematik und braucht exakt zugeschnittene Werkzeuge. Bei Kohlefaserverbundwerkstoffen ist die Kerbwirkung ein kritischer Punkt, mehr noch als bei Aluminium. Das Bearbeitungswerkzeug muss die Fasern sauber durchtrennen, sodass es nicht zu Delaminationen, sprich zum Herausreißen der Fasern kommt. Aufgrund der Kerbwirkungen besteht sonst höchste Bruchgefahr. Speziell für das Bohren von Composite-Materialien liefert Walter einen neuen PKD-Spiralbohrer der Kompetenzmarke Walter Titex. Die Schneide wird mittels Sintertechnologie hergestellt, die optimierte Schneidengeometrie verhindert Faserrückstände am Bohrungsaustritt. Versuche bestätigten bereits, dass auch nach über 600 Bohrungen keine nennenswerten Delaminationen auftreten.

Auch wenn die Bedeutung von Aluminium im Flugzeugbau zurückgeht, ist der Werkstoff für die Branche immer noch von erheblicher Bedeutung und effiziente Werkzeuge für dessen Bearbeitung gefragt. Denn die Produktivitätsanforderungen sind auch in dieser Branche stark gestiegen und ähneln heute denen der Automobilindustrie. Dem trägt ein neuer Schaftfräser, der Sky•tecTM von Walter, Rechnung. In ersten Feldversuchen schaffte er doppelt so hohe Zerspanungsraten wie herkömmliche Fräser. Verantwortlich dafür ist das Zusammenspiel einer Reihe von Features. Ein Spiralwinkel mit 25 oder 30 Grad, polierte Spannuten für eine geringe Aufbauschneidenbildung und sicheren Spantransport auch aus tiefen Taschen, eine optionale CRN-Beschichtung der Schneiden, ein spezielles RAPAX-Schruppprofil bei den Schruppvarianten, interne Kühlkanäle mit sowohl axialen wie auch radialen Austrittsbohrungen für optimale Zuführung des Kühlschmiermediums und die Eignung für die Minimalmengenschmierung sind die Merkmale.

Neue Schneidstoffe für schwer zerspanbare Werkstoffe

Gerade der Luftfahrtindustrie kommen die Neuentwicklungen von Walter bei den Schneidstoffen und Beschichtungen zugute, die die Bearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen erleichtern. Markus Heuwinkel, Projektverantwortlicher im Bereich Aerospace beim Werkzeughersteller Walter AG in Tübingen, kennt die Herausforderungen: „Bei Titan, hochvergüteten Stählen oder Nickelbasislegierungen bestehen vor allem extrem hohe Anforderungen an die Prozesssicherheit und die Qualität der Bearbeitung. Die Bauteile aus diesen Materialien sind enorm kostenintensiv. Ein Schneidenbruch kann ein Bauteil unbrauchbar machen. Das können sich die Zerspaner nicht leisten.“

Zu den bedeutendsten Entwicklungen aus Tübingen zählt zweifellos die PVD-Tiger•tec®- Technologie, kurz „PVD-Tiger“ genannt, bei denen die Aluminiumoxid-Hartschicht erstmals nach dem PVD-Verfahren auf den Schneidstoff abgeschieden wird. Inzwischen stehen entsprechende Wendeplatten sowohl für das komplette Fräserprogramm von Walter als auch für das Drehen zur Verfügung. Diese Wendeplatten verfügen über eine enorme Zähigkeit. Das Aluminiumoxid sorgt gleichzeitig für eine hohe Härte und Warmverschleißfestigkeit.

Die Kombination beider Eigenschaften ist besonders bei der Bearbeitung von hochwarmfesten Materialien erwünscht. Ein konkretes Beispiel zeigt den enormen Fortschritt: Nach dem Drehen eines Laufrades aus Inconel 713LC mit stark unterbrochenem Schnitt wies die Wendeplatte mit der PVD-Tiger•tec®-Qualität WSM30 nur minimalen Verschleiß auf. Ein herkömmlicher Vergleichsschneidstoff für derartige Werkstoffe erreichte nach gleicher Eingriffszeit bereits das Standzeitende.

Als Benchmarkwerkzeug für die Titanbearbeitung erweist sich die aktuelle Version des innengekühlten VHM-Fräsers Protostar® Ti 40 der Kompetenzmarke Walter Prototyp. „Er ist auch ein Beispiel für den Trend, dass Standardwerkzeuge in einer exakten Feinabstimmung auf die neuen und schwierig zu bearbeitenden Werkstoffe zugeschnitten werden“, so Aerospace-Projektleiter Markus Heuwinkel. Der Protostar® Ti 40 ist für Schrupp- und Schlichtaufgaben geeignet. Die Entwickler bei Walter verbesserten die Fein¬abstimmung des Werkzeugs für die Zerspanung modernster Legierungen.

Ein neues Hartmetallsubstrat, eine neue AlCrN-Beschichtung und eine optimierte Mikrogeometrie erlauben Zerspanungsraten an der Grenze des Machbaren. Dazu gehört beispielsweise das Vollnut¬fräsen bis 1.5 x D bei Schnittgeschwindigkeiten bis 80 Meter pro Minute in Werkstoffen wie TiAl6V4. Für die Herstellung so genannter Flaptracks aus TiAl6V4, das sind Teile zur Landeklappenmechanik, kam lange Zeit ein Wendeplattenfräser mit 50 Millimetern Durchmesser und der Zähnezahl 5 zum Einsatz. Das Walter Aerospace Team stellte den Prozess auf den Protostar® Ti 40 der Kompetenzmarke Walter Prototyp mit 16 Millimetern Durchmesser und 4 Zähnen um. Das Zeitspanvolumen konnte von 25 cm3/min auf über 90cm3/min gesteigert werden. Das Beispiel zeigt, wie viel Performance in dem VHM-Werkzeug mit dreimal kleinerem Durchmesser steckt.

Zu den letzten Bearbeitungsprozessen zählt üblicherweise das Gewinden. Gerade bei Flugzeug-teilen ist die Herstellung von Gewinden oft eine heikle Angelegenheit. Bleibt das Werkzeug im harten Material stecken, ist das Bauteil in der Regel Ausschuss. Aufgrund der Fertigungsvorschriften sind Reparaturen per Funkenerosion kaum möglich, da mit unzulässigen Gefügeveränderungen zu rechnen wäre. Gefragt sind folglich äußerst prozesssichere Gewindewerkzeuge. Walter begegnet dieser Forderung unter anderem mit den neuen VHM-Orbital-Gewindefräsern der Kompetenzmarke Walter Prototyp. Für die Herstellung von Gewindehülsen aus Ti99,5 wurden die Werkzeuge in einer Sonderausführung für Gewinde 10-30UNF-3B mit der beachtlichen Tiefe von 5 x D oder konkret 20 Millimetern geliefert. Der Fräsprozess wurde auf zwei Schnitte aufgeteilt. Die Standzeit belief sich auf 1.700 Gewin¬de. Trotz der großen Gewindetiefe erfolgte keine Abdrängung des Werkzeugs. Die Ergebnisse waren absolut lehrenhaltig.

Produktivität durch optimierte Prozesskette

Das Beispiel zeigt, dass in vielen Fällen auch Sonderlösungen vom Werkzeughersteller gefordert sind, vor allem für den Triebwerksbereich. Ein weiterer Trend ist die Ausarbei¬tung kompletter Bearbeitungslösungen, da die Hersteller von Flugzeugteilen verstärkt auf Werkzeuglösungen aus einer Hand setzen. Und hier liegen nicht zuletzt die Stärken des Kompetenzführers aus Baden-Württemberg, dessen Zerspanungs-Know-how sich auf alle Bearbeitungsarten erstreckt. Innovative Technologen entwickeln bei Walter zudem immer häufiger komplette Bearbeitungsstrategien von der Werkzeugauswahl über die Entwicklung von Sonderschneidstoffen und Sonderlösungen bis hin zum NC-Programm.

Schließlich ist Walter Gründungsmitglied des Machining Innovations Network (Netzwerks für innovative Zerspa-nungstechnologien) mit dem Schwerpunkt Luftfahrtindustrie. Innerhalb des Netzwerks (www.machining-network.com) setzen sich die Auftraggeber, die Werkzeughersteller und die Maschinen- und Softwarehersteller an einen Tisch. Aktuelle Projekte des Netzwerkes sind die 5-Achsen-Bearbeitung und die Hochgeschwindigkeitszerspanung von Titan- und Aluminiumbauteilen. In dieser Strategie der gemeinsamen Erarbeitung von Bearbeitungsstrategien sieht Markus Heuwinkel, Projektverantwortlicher im Bereich Aerospace, das größte Potenzial für Produktivitätssteigerungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie:

„Ein High-Performance-Werkzeug mit den modernen Features zahlt sich nur aus, wenn die Maschinenspindel die entsprechende Drehzahl und Drehmomentcharakteristik darstellt. Ein weiteres wichtiges Augenmerk sind die Dämpfungseigenschaften der Maschinenkonstruktion in Zusammenspiel mit den Führungselementen. Abgestimmte Werkzeuge machen nur in Verbindung mit abgestimmten Maschinen Sinn und umgekehrt. Alle Faktoren müssen zusammenpassen und wie Zahnräder ineinander greifen. Wir können zwar immer die eine oder andere Seite optimieren, in gewissen Grenzen sind dadurch auch Verbesserungen möglich. Soll die Produktivität jedoch in größerem Umfang gesteigert werden, müssen wir die gesamte Prozesskette ins Auge fassen.“

„Aluminium bleibt weiterhin das wichtigste Material, das die Struktur eines Flugzeuges bildet“, betont mit Blick auf die Diskussion um Titan und CFK Vertriebsleiter Wolfgang Ziemann von der Handtmann A-Punkt Automation GmbH aus Baienfurt. „Handtmann besitzt gerade in diesem Bereich auch seine Hauptkompetenz.“ Weil sich der Trend jedoch verstärkt in Richtung Titan und CFK bewegt, bieten die Süddeutschen auch in diesen Segmenten hocheffiziente Lösungen in Sachen HSC-Bearbeitungszentren an. So setzt die Flugzeugindustrie die Bearbeitungszentren der Baureihen PBZ und Gantry schon heute für das hochpräzise Bearbeiten von Strukturbauteilen ein. Von oberster Priorität seien dabei neben der Leistungsfähigkeit optimale Absauganlagen. Hierzu hat Handtmann verschiedene, anwenderorientierte Lösungsansätze entwickelt.

Der verstärkte Einsatz von CFK-Materialien in Flugzeugen bringt auch einen steigenden Anteil an Titan mit sich. Um auf die besonderen Eigenschaften dieses Werkstoffs einzugehen, wurde das Zentrum UBZ Titanium mit Drehmomenten bis maximal 3.400 Newtonmetern entwickelt. Doch auch weitere Baureihen eignen sich laut Handtmann für die Schwerzerspanung von Titan.

Auch die Nachfrage der Anwender nach energieeffizienten Werkzeugmaschinen gewinnt verstärkt an Bedeutung. Handtmann geht das Thema beispielsweise durch gezielte Auswahl der Komponenten an. So erhalten die Bearbeitungszentren beispielsweise seit neuestem Steuerungen des Typs „Siemens 840D Solution Line“, um Antriebe besser auszunutzen. Ziemann: „Energieeffizienz spiegelt sich außerdem im Einsatz neuester Bauarten von Kühlaggregaten mit energieeffizienten Pumpen, die in Verbindung mit entsprechender SPS-Programmierung zur bedarfsgerechten Steuerung der Pumpen verhindern, dass diese permanent in Betrieb sind und somit wertvolle Energie verschwenden.“

Die Fachmesse EMO steht für Handtmann ganz im Zeichen der Automation. „Die Kombination von unseren Bearbeitungszentren und anwenderorientierten Automationslösungen erlaubt eine hochwirtschaftliche Produktion, da ein großes Augenmerk auf die Minimierung von kostenintensiven Rüstzeiten gelegt wird“, sagt der Vertriebsleiter. „Die daraus resultierende Reduzierung von Produktionskosten ist nicht nur in der Luftfahrtindustrie ein bedeutendes Thema. Deswegen arbeiten wir auch stark an diesen Einsparpotenzialen.“ Ein Beispiel dafür ist die HBZ CompactCell mit Automationslösung auf Schienen, die das Unternehmen auf der EMO 2011 erstmals dem Fachpublikum vorstellt. Es ist ein Beleg für den Werkstoffwandel: Noch kommt die HBZ CompactCell speziell für bei der Bearbeitung von Aluminium zum Einsatz, doch auch die Entwicklung einer Titanausführung ist in Planung. Auch hier achten die Süddeutschen darauf, dass energieeffiziente Komponenten Einsatz finden.

Das HBZ CompactCell mit einer Tischbreite von einem Meter und Tischlängen in der Staffelung zwei, drei und vier Meter deckt ein breites Anwendungsspektrum in der Luftfahrtindustrie ab. „Bereits kurz nach Einführung des kompakten Horizontalbearbeitungszentrums konnten wir einige Maschinen dieser Baureihe an internationale Kunden aus der Luftfahrtindustrie verkaufen“, freut sich Ziemann. „Mehrfach sind diese überwiegend mit Automation bereits erfolgreich in die Produktion integriert worden.“

Die hohe Festigkeit von Titan führt bei der Zerspanung zu starker Temperatur- und Verschleißbeanspruchung der Werkzeugschneide. Daher sind Maschinen gefragt, die mit hohen Drehmomenten bei niedriger Drehzahl fräsen. Dazu entstand bei der Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH in Nürtingen die neue Baureihe F. Eine Schwenkkopfeinheit als fünfte Achse sorgt horizontal, vertikal und in jedem Raumwinkel immer für die gleiche Zerspanleistung. Das 5-Achs-Bearbeitungszentrums FT 2000 ist mit einer HSK63 Werkzeugaufnahme und 242 Newtonmeter Drehmoment auf hohe Leistungsfähigkeit ausgelegt. Der Einsatz der HSK63-Schwenkspindel in der Baureihe F führt laut Heller im Zerspanungsprozess zu Kosteneinsparungen und mehr Laufruhe der Maschine. Es lassen sich nach Firmenangaben damit höchste Oberflächengüten, messbar höhere Werkzeugstandzeiten und eine hohe Prozessstabilität erzielen. Die leistungsstarke und struktursteife Maschinenabstimmung ermöglicht hohe Schnittwerte und damit ein hohes Zeitspanvolumen bei gleichzeitiger Präzision im Mikrometer-Bereich.

Zu den Pionieren bei Werkzeugmaschinen für die Luftfahrtindustrie gehört die StarragHeckert AG aus Rorschacherberg (Schweiz) seit mehr als acht Jahrzehnten. „Unser Engagement in der Abwicklung großer Luftfahrtprojekte begann bereits 1929 mit der ,Dornier X’, dem größten je gebauten Flugboot, zu einer Zeit als die meisten unser Konkurrenten noch nicht einmal gegründet wurden“, erinnert sich Dr. Ing. Frank Brinken, CEO & President.

Die Maschinen vom Bodensee bearbeiten seit fast 40 Jahren auch Titan-Flugzeugbauteile. Dazu zählten anfangs Triebwerks-Komponenten und längliche Integralbauteile wie Flaptracks mit einer Maximal-Abmessung von 2500 Millimetern. Doch der Trend geht hin fast doppelt so langen Integralbauteilen aus Titan. Auf der EMO 2011 stellen die Schweizer nun das entsprechende Equipment vor: Die Rede ist von dem neuen horizontalen Fünf-Achs-Simultan-Bearbeitungszentrum BTP 5000/6000. Die drei Buchstaben stehen für ‚Big Titanium Profiler‘ und die Zahlen für die Länge der X-Achse (5000 bis 6000 Millimeter).

BTP eignet sich zum Bearbeiten von Titan-Integralbauteilen mit einer Maximallänge von 5000 Millimetern und einem maximalen Querschnitt von 600 Millimetern mal 2000 Millimetern. Eine Hauptrolle spielt bei der Titanbearbeitung die Steifigkeit der Bauelemente: Schwer und massiv fallen daher die Werkstückpaletten aus, die mit Rohteilen auf eine Masse von 35 und mehr Tonnen kommen. Zwei Kugelrollspindeln mit hochdynamischen Servomotoren lassen die Schwergewichte auf stickslip-freien Rollen-Umlaufsystemen gleiten. Walter Hagspiel, Produktmanager für Zentren: „Die Duplex-Anordnung der Antriebe bringt uns die notwendige hohe Steifigkeit und leitet die für die Titan-Zerspanung unabdingbar hohen Vorschubkräfte symmetrisch zu den Reibungs- und Massenschwerpunkten in die Schlitten ein.“

Ein Zwei-Achs-Schwenkkopf mit Getriebespindel sorgt für hohes Spanvolumen. Dr. Brinken: „Dieses bewährte, kontinuierlich weiterentwickelte Antriebskonzept ist beim Schruppen wie beim Schlichten hoch produktiv und hat sich im Vergleich zur Motorspindel als absolut zuverlässig erwiesen.“ StarragHeckert liefert die BTP 5000/6000 wahlweise mit einem oder mit zwei Fräsköpfen. Der Zweispindler (Abstand zwischen den Köpfen: 650 Millimeter) eignet sich zum parallelen Bearbeiten von zwei maximal 4500 Millimeter langen Bauteilen mit jeweils 500 Millimeter mal 500 Millimeter Maximalquerschnittfläche.

Zu den Stammausrüstern der Luftfahrtbranche zählt auch Dörries Scharmann Technologie GmbH (DST) aus Mönchengladbach, die seit Anfang 2011 zur StarragHeckert AG gehört. DST hat im Jahr 2000 die erste ECOSPEED Maschine an einen Kunden in der Luftfahrtindustrie ausgeliefert. Mit dem Einsatz des revolutionären parallelkinematischen Sprint Z3-Kopfes betrat die Firma damals Neuland. Mittlerweile rund 60 Systeme dieser Baureihe sind bei den wichtigsten Unternehmen im Flugzeugbau im Einsatz. DST bezeichnet ECOSPEED als die produktivste Lösung für Aluminiumstrukturbauteile im Flugzeugbau. Nach Firmenangaben erhöht sich die Produktivität beim Anwender gegenüber konventionellen Maschinensystemen vielfach um den Faktor zwei bis drei.

DST erweitert nun das Modell ECOSPFEED F um zusätzliche Maschinengrößen: Bei der ECOSPEED F steht der Buchstabe F für „fester Ständer“. Anders als bei der ECOSPEED verfährt nicht der Ständer, sondern die Palette in X-Richtung auf der vertikal angeordneten Tischgruppe. Bei diesem Konzept ist die bewegte Masse in der Maschinen-X-Achse – der Tischachse – besonders kompakt verteilt. Dies ermöglicht nach Firmenangaben ausgezeichnete dynamische Eigenschaften und sehr hohe Ruckeinstellungen und damit nochmals reduzierte Bearbeitungszeiten.

Das „F-Konzept“, zunächst nur für „kleinere“ Strukturbauteile bis 6.300 mm ausgelegt, kam im Flugzeugbau gut an. Der Trend zu größeren, aus dem Vollen gefrästen Strukturbauteilen führte zur Entwicklung von vier neuen Maschinengrößen. Die ECOSPEED F gibt es nun mit sechs Palettengrößen von 2.500 mal 3.800 Millimetern bis 2.500 mal 8.000 Millimetern, sowie für Zuladungen von 3.000 bis 6.000 Kilogramm. Ein neues automatisches Palettenwechselsystem ermöglicht hauptzeitparalleles ergonomisches Rüsten: Die Palette wird auf einer seitlich angeordneten, schwenkbaren Doppelpalettenstation horizontal beladen und dann vertikal direkt an den Maschinentisch übergeben. Zusätzlich erhielt die ECOSPEED F maßgeschneidert von den Spezialisten der GMN Paul Müller Industrie GmbH & Co. KG aus Nürnberg eine wesentlich leistungsstärkere Motorspindel, die die Leistung im Dauerbetrieb (S1) von vormals 80 Kilowatt mit 46 Newtonmeter auf 120 Kilowatt mit 83 Newtonmeter (bei einer maximalen Drehzahl von 30.000 Umdrehungen pro Minute) erhöht. Es gibt die ECOSPEED F als Einzelmaschine mit Zweifach-Palettenwechsler oder als Mehr-Maschinen-System mit entsprechender Verkettung.

Ein wichtiger Baustein zur Erzielung der hohen Produktivität ist neben der Maschinentechnik aber auch der Prozess. DST verfügt über umfangreiches anwendungstechnisches Know-how und liefert neben der Maschine auch Werkzeugpakete, Bearbeitungsstrategien und ganze Teilprogramme für Flugzeugintegralbauteile aus Aluminium.

Nikolaus Fecht

Hier finden Sie die Firmen auf der EMO 2011:

• Dörries Scharmann Technologie GmbH (DST) und StarragHeckert AG: Halle 13, Stand B62
• Handtmann A-Punkt Automation: Halle 12, Stand A72
• Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH: Halle 12, Stand C 4

Die Argumente sind „schwerwiegend: Eine Gewichtsreduzierung von bis zu 40% bei gleichzeitig verbesserten mechanischen Eigenschaften sprechen eindeutig für den Einsatz von Leichtbaustrukturen im Flugzeugbau. Kein Wunder also, dass sich Airbus neben Boeing mittlerweile zum Hauptakteur bei dieser Werkstoffoffensive entwickelt hat. Das konzernweit agierende ‚Center of Excellence‘ am Airbus Standort Stade ist heute der größte europäische

Fertigungsstandort für Leichtbaustrukturen. Und mit dem CFK-Valley Stade, das gleich nebenan entstanden ist, hat sich ein Kompetenznetzwerk der CFK-Leichtbautechnologie gebildet, das ziemlich einzigartig ist.

Wer den Stand der Dinge erkunden will, der ist bei Christian Peters vom Faserinstitut Bremen e.V. (FIBRE) an der richtigen Adresse. Er ist ein ausgewiesener Experte, wenn es um thermoplastische Faserverbundwerkstoffe im Flugzeugbau geht. Er sagt: „Bisher bestanden die meisten FVK-Bauteile aus duroplastischen Matrixsystemen.“
Diese Werkstoffe sind für kleinere Bauteile aber alles andere als einfach in der Handhabung. Die Matrices und imprägnierten Faserhalbzeuge müssen in Kühlhäusern gelagert werden, die Verarbeitung von vorimprägniertem Gewebe erfolgt teuer im Autoklaven und die lange Aushärtezeit bei bis zu 180°C verlangsamen die Serienproduktion zusätzlich.

Eine Alternative dazu sind thermoplastische glasfaser- oder kohlenstofffaserverstärkte Faserverbundbauteile. Christian Peters: „Diese Materialien werden seit 1990 im Flugzeugbau verwendet und kommen jetzt zunehmend in zahlreichen Interieur- und Exterieur-Anwendungen bei Boeing und Airbus zum Einsatz.“ Ausgangspunkt für deren Herstellung sind faserverstärkte thermoplastische Halbzeuge, sogenannte Organobleche.

Ein Kunstwort, weil dafür Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfasern mit einer thermoplastischen, organischen Matrix – für Luftfahrtanwendungen meist Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheremid (PEI) und Polyetheretherketon (PEEK) und für übrige Anwendungen außerhalb der Luftfahrt meist Polyamid (PA), Polypropylen (PP), oder Polyurethan (PUR)  – mit statischen oder zum Teil auch kontinuierlichen Doppelbandpressen zu nahezu beliebig großen Platten verpresst werden.

Die kann man dann wie Blechplatten einfach lagern und weiterverarbeiten. Das Halbzeug hat gute mechanische Eigenschaften: Hohe Schlagzähigkeit, gutes Impact-Verhalten und minimierte Rissausbreitung. Organobleche sind schweißbar, spanend zu bearbeiten und gut zu recyclen. Für Hochleistungsfaserverbunde kommen ausschließlich Endlosfasern als Gewebe oder Gelege zum Einsatz. Die Faserlänge entspricht dabei der späteren Bauteilgröße.

Die Bauteile entstehen dann in einem – möglichst schon automatisierten – Thermoformverfahren. Dies etwa so: Die Platten werden von einem Roboter gegriffen, mittels Infrarotstrahlung aufgewärmt, in ein temperiertes Thermoformwerkzeug eingelegt, unter Druck umgeformt und kühlen dann im Werkzeug aus. Und das Ganze mit Prozesszeiten – je nach Bauteilgröße – von 60 bis 120 Sekunden. Dieser Vorgang ähnelt nun schon sehr der Verarbeitung von metallischen Blechen und ist deshalb nicht nur in der Luftfahrtindustrie auf dem Vormarsch.

Christian Peters sagt: „Das Thermoformen liefert in kurzen Prozesszeiten Bauteile mit ausgezeichneter Laminatqualität, hat sich in seinen Abläufen als Stand der Technik etabliert und schafft so die Voraussetzung für eine wirtschaftliche Massenfertigung im Flugzeugbau.“ Denn es gibt sie ja jetzt, die voll automatisierten Fertigungszellen für hochwertige thermoplastische Faserverbundbauteile.

Wer stellt aber nun Organobleche für den Flugzeugbau her? Auch hier kommen Antwortenaus dem CFK-Valley. Andreas Neugebauer, Sales Manager der TEN CATE Advanced Composites aus dem holländischen Nijverdal, verweist auf CETEX . Sein Unternehmen produziert dieses Halbzeug bereits seit Anfang der 90er Jahre, ist mittlerweile in Europa Marktführer und als Systemlieferant damit zum Beispiel bei Airbus, Boeing und Embraer zertifiziert. CETEX erfüllt unter anderem die Airbus Material Specification, die auch die US-Bundesluftfahrtregelungen einschließt.

Der Werkstoff wird auf Entflammbarkeit, Rauchentwicklung und Toxität geprüft, muss zudem in mechanischen Prüfungen die Zug-, Druck-, Biege-und Schälfestigkeit nachweisen und der Hersteller selbst, der Produktionsstandort und die Produktionsanlagen werden auch unter die Lupe genommen. Mit der Konsequenz, dass das Produkt dann auch nur auf der zertifizierten Anlage produziert werden darf. Ein Anlagenwechsel ist mit dem Eigentümer der Spezifikation abzustimmen. CETEX wird auf Basis verschiedener Kohlenstofffaser- und Glasfasergewebe mit den Matrixsystemen Polyetherimid (PEI) oder Polyphenylensulfid (PPS) gefertigt.
PEI ist ein Hochleistungsthermoplast mit sehr hoher Festigkeit und beständig gegenüber UV- und Gammastrahlen. Die Verarbeitungstemperatur liegt zwischen 320 und 400 °C, die Werkzeugtemperatur zwischen 120 und 180 °C. PPS ist ein teilkristalliner Hochleistungskunststoff, dessen gute mechanische Eigenschaften auch bei Temperaturen weit über 200 °C erhalten bleiben und der sich durch chemische Beständigkeit gegenüber nahezu allen Lösemitteln, vielen Säuren und Laugen, gegen aggresive Hydraulikflüssigkeit, so wie gegen Luftsauerstoff auch bei hohen Temperaturen auszeichnet und gute mechanische Eigenschaften hat. Die Schmelztemperatur von PPS liegt bei 280°C. Es wird bei ca. 300°-320° C umgeformt, die Dauereinsatztemperatur liegt bei 220° C. Mit diesen Polymeren werden also nun die einzelnen Verstärkungsgewebe imprägniert, nach Anforderung des Auftraggebers aufgebaut und anschließend zu Platten verpresst.

Es können dabei rein unidirektionale Aufbauten sowie Kombinationen aus mehreren solcher Schichten realisiert werden. Bei der Umformung findet dann ein Phasenübergang statt, für den die Thermoplastmatrix bis zur Erweichung erwärmt wird. Dann lassen sich die einzelnen Gewebelagen auch gegeneinander verschieben und durch Drapieren einfach in die gewünschte Form bringen. Das hört sich gut an und Andreas Neugebauer ist sich sicher: „In der Zukunft wird thermoplastischen Faserverbundmaterialien durch kontinuierlich steigende Forderungen nach automatisierten Verarbeitungsverfahren eine wachsende Bedeutung zukommen. Kurze Zykluszeiten und die damit verbundenen Möglichkeiten zur Senkung der Prozesskosten werden diesen Umstand noch unterstützen.”

Das deckt sich mit der Einschätzung von Christian Peters. Er geht zum Beispiel davon aus, dass sich „der Anteil an thermoplastischen faserverstärkten CFK-Bauteilen beim Airbus A350 XWB und bei zukünftigen Flugzeuggenerationen massiv verstärken wird, insbesondere für strukturtragende Bauteile im Flugzeugrumpf. Für die kommende Hochlaufphase des A350 sind derzeit etwa 1,5 Millionen thermoplastische Faserverbundbauteile pro Jahr in Planung.“

Jede Menge Teile also, aber die müssen vor dem Einbau ja auch noch bearbeitet werden. Es sollen zum Beispiel Bohrungen und Aussparungen eingebracht werden, Abmaße korrigiert und die notwendige Qualität für Anschlussflächen erzeugt werden.

Damit hat sich Dr.-Ing. Martin Garbrecht, als Abteilungsleiter im Institut für Werkstofftechnik (IWT) in Bremen, intensiv beschäftigt. Er sagt: „Bauteile aus Organoblechen sind nicht einfach zu bearbeiten, aber wir wissen mittlerweile durch unsere systematischen Untersuchungen, wie das sehr gut geht.“ Als zu bewältigende Herausforderungen benennt Garbrecht den hohen abrasiven Verschleiß der Werkzeuge. Außerdem sind Bohrer und Fräser durch den inhomogenen Werkstoffaufbau starken Wechselbelastungen ausgesetzt. Auf keinen Fall dürfen bei der spanenden Bearbeitung Delaminationen und Ausbrüche beim Bohreraustritt auftreten. Bei der Bearbeitung muss zudem auf die Richtungsabhängigkeit und auf den Geschwindigkeits- und Temperatureinfluss der Matrix geachtet werden.

Insgesamt resultieren daraus teilweise gegensätzliche Anforderungen an die Werkzeuggeometrie und Schneidstoffe. Mit all diesen Problemen ist Ralph Hufschmied als Geschäftsführer der Hufschmied Zerspanungssysteme im bayerischen Bobingen bestens vertraut. Auch er ist Mitglied im CFK-Valley Stade und hat sich und sein Unternehmen schon vor 20 Jahren auf die Werkzeugherstellung für die Bearbeitung von neuen Werkstoffen spezialisiert.

Hufschmied erläutert die Problematik: „Bei den Organoblechen ist das Hauptproblem die Kombination der Faser mit einer thermoplastischen Matrix. Ein taugliches Werkzeug benötigt also auf der einen Seite eine relativ stumpfe Schneide, die gegen die abrasive Faser genügend Widerstand leistet und auf der anderen Seite eine möglichst scharfe Schneide, damit im Thermoplast keine Wärme entsteht, was zu massiven Aufschmierungen führen würde.“

Martin Garbrecht hat mit seinen Untersuchungen gezeigt, dass beschichtete Hartmetalle gute Ergebnisse bringen. Das kann auch Ralph Hufschmied bestätigen. „Wir haben sowohl für Bohr- als auch Fräsoperationen ein spezielles Hartmetall entwickelt, das hohe Widerstandskraft gegen die Faser aufzeigt. Und kombinieren dies mit einer scharfen Schneide. Eine relativ dünne, nanokristalline Diamantschicht rundet dann die perfekte Paarung für die Zerspanung von Organoblechen ab.“ Außerdem wird durch die Hufschmied NC-Schneidengeometrie die Delamination der Fasern sowohl beim Bohren als auch beim Fräsen vermieden.

Solch eine Ablösung von Schichten im Werkstoffverbund könnte auch bei der Premium AEROTEC (PAG) in Bremen nicht toleriert werden. Die Division ‚Thermoplastic Parts Production‘ fertigt schon seit dem Jahr 2006 gewebeverstärkte, thermoplastische Umformteile aus Organoblechen für die Airbus-Rumpfstruktur. Umgeformt werden Platten, die aus Kohlenstofffasergewebe und Polyphenylensulfid (PPS) oder Polyetheretherketon (PEEK) bestehen. PEEK ist ein Hochleistungskunststoff mit sehr guten mechanischen Eigenschaften, hoher Temperaturbeständigkeit bis 250 °C und guter chemischer und Strahlungs-Beständigkeit.

Bei der PAG werden sowohl aus PPS- als auch PEEK-Organoblechen die sogenannten Clips als Verbindungselemente zwischen Flugzeugrumpfschale und Spant gefertigt. Seit Mai 2010 stellt die Teilefertigung Bremen alle Clips für die gesamte vordere Rumpfsektion S13/14 sowie für die gesamte hintere Rumpfsektion S16/18 des A350XWB her. Bei insgesamt mehr als 4.000 Clips pro Flugzeug wird die Teilefertigung Bremen so den wesentlichen Teil der thermoplastischen Bauteile des A350XWB produzieren. Dafür wurde zum Jahreswechsel 2009 / 2010 eine automatisierte Thermo-Formzelle zum Aufheizen, Umformen, Pressen und Abkühlen in einem Prozessschritt in Betrieb genommen. Die so hergestellten Bauteile werden dann im Werk auf Endkontur gefräst und einer Maß-, Sicht- und Ultraschallprüfung unterzogen.

Till Fesser, Entwicklungsingenieur für die CFK-Technologie, bewertet die Werkstoff-Vorteile der Organobleche gegenüber herkömmlichen Faserverbundmaterialien so: „Es sind sehr kurze Prozesszyklen möglich, das Halbzeug ist nahezu unbegrenzt lagerfähig, die umgeformten Werkstücke weisen eine hohe Schlagzähigkeit auf und sind wiederholt schmelz- und auch noch schweißbar.“ Und was steht für die nächste Zukunft an?

Gaby Soehner, Leiterin des Bereichs Zukunftstechnologien, sagt: „Derzeit arbeiten wir zum Beispiel an einer den Verschnitt optimierenden Lösung für die Plattenhalbzeuge und die bestehenden  Prozesse werden weiter entwickelt.“

Das klingt erfolgversprechend. Denn mit erreichbaren Taktzeiten von 60 Sekunden bei der automatischen Umformung von Organoblechen wird die Serienfertigung solch hochstabiler und leichter Teile in großen Stückzahlen richtig interessant.

Robert Wouters

Schon seit Jahren fertigt die BBW Lasertechnik im oberbayrischen Prutting luftfahrttechnische Komponenten auf der Basis von Herstellerfreigaben. Jetzt erfolgte die Zulassungsprüfung eines BBW  Faser-Schweißlasers  für Fertigungsaufgaben für die Luftfahrtindustrie.  Dr. Wilfried Behr, der vom  DIN/DVS Prüfungsausschuss ” Schweißen im Luft- und Raumfahrzeugbau” bestellte Prüfungsbeauftragte, führte die  Maschinenabnahme des Schweißlasers durch. Mit der jetzigen Zertifizierung ist die Voraussetzung  zur Fertigung von “Luft- und Raumfahrtgerät” gegeben. In umfassenden Prüfungen werden die Konstanz und Reproduzierbarkeit der Maschinenparameter überwacht und dokumentiert. Eine hohe Hürde für die Zertifizierung war zunächst die Formulierung geeigneter Abnahmekriterien, da für Faserlasermaschinen noch keine entsprechende Norm existiert. In Absprache mit dem Obmann und dem Geschäftsführer des Gemeinschaftsausschusses DVS / DIN AG A 9 / NA 092-00-17 AA „Schweißen im Luft- und Raumfahrzeugbau” definierte Dr. Behr das Prüfprocedere, das letztlich die Anerkennung durch die DVS-Repräsentanten fand. – dies ist im Übrigen der Grund, weshalb für die Zulassung die vielen Normen zur Anwendung kommen. Die Laserstrahlschweißmaschine „Laser 10, Masch.-Nr.: 7012550“ – eine Laserschweißmaschine mit Faserlaser vom Typ IPG YLR-2500 war zu prüfen.

Pilotprojekt für  luftfahrttechnische Faserlasermaschinen-Zulassung
Zur Sicherstellung der Konstanz und Reproduzierbarkeit der Anlagenparameter für die  Fertigung von Luftfahrtgerät  war die Abnahme der Laser-Anlage gemäß DIN EN ISO 15616-1/2 erforderlich. In Abstimmung mit dem Ausschuss für Schweißen im Luft- und Raumfahrzeugbau wurden für die faserlaserspezifischen Abnahmebereiche die Prüfkriterien der EN ISO 22827-1/2 berücksichtigt. Die Norm bezieht sich im Teil  1 auf Nd:YAG Laser, da es für Faser-Schweißlaser noch keine eigene Norm gibt und  Nd:YAG Laser, technisch betrachtet, dem Faserlaser am nächsten kommen. Der Teil 2 der Norm bezieht sich auf Prüfungsverfahren und Prüfungsart für Bewegungseinrichtungen an Lasern. Ergänzend fanden die DIN EN ISO 11554, die DIN EN ISO 15614-11 sowie die DIN EN ISO 14744 Anwendung.

Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wird es im Verlauf der nächsten Monate zur Erarbeitung einer „offiziellen“ Abnahmenorm für Faserlasermaschinen kommen; BBW ist jedoch die erste Fa. die einen solchen Eignungsnachweis erhält und damit hat, unabhängig davon, wie die Norm in Zukunft aussehen wird.

Dies – so Dr. Behr -  war für ein ansonsten sehr formell orientiertes Procedere eine äußerst flexible und industriefreundliche, zeitsparende  Vorgehensweise. Eben ein echter “Ausnahmefall”. Er sagt „so eine Normung benötigt normalerweise einen Zeitraum von 1 bis zu 3 Jahren. Hier hat uns die technische Entwicklung überholt. Der Faserlaser war  bislang für den Normungsausschuss noch kein relevantes Fertigungswerkzeug  und die normativen Grundlagen waren erst zu schaffen“.

Die Abnahmeprüfung erfolgte am 16.07.2010 und am 17.07.2010 am Betriebsort der Laser-Anlage in der Maschinenhalle der Firma BBW-Lasertechnik GmbH in Prutting.  Anwesend waren neben Dr. Wilfried Behr  als Abnahmebeauftragter des DVS, der Laserexperte Dr.  Simon Olsckok  vom ISF der RWTH Aachen; sowie Georg Aßböck und  Michael Schindler, beide  BBW Lasertechnik.  Als verantwortliche Schweißaufsichtsperson seitens der Fa. BBW Lasertechnik wurde Dr. Ing. Johannes Weiser benannt.

Die verwendeten Messgeräte, der Messaufbau und die Durchführung der Messungen entsprachen DIN EN ISO 15616-1/2, DIN EN ISO 14744 und DIN EN ISO 22827.

Hauptzweck der Prüfungen war entsprechend den Anforderungen der bestehenden Luft- und Raumfahrtvorschriften die Dokumentation der Konstanz der gemessenen Größen, und nicht deren Absolutwert. Deshalb werden die Leistungsgrenzen der zu zertifizierenden Maschine durch den Anwender oder die zu bearbeitenden Aufgaben vorgegeben und orientieren sich nicht an den Minimal- oder Maximalwerten des Maschinenherstellers. Besonderen Hürden  sind im Rahmen der Prüfung insbesondere im unteren Geschwindigkeits- und Leistungsbereich der Achsen und der Strahlquelle zu überwinden. Hier stehen auch neueste Maschinen immer wieder vor  hohen Anforderungen.  Im Zuge der Prüfung wurde z.B. die Laserleistungsstabilität und die Laserleistungswiederholbarkeit gemäß  DIN EN ISO 15616  bzw. DIN EN ISO 22827 gemessen,  um die Betriebsstabilität des Lasers nachzuweisen.

Untersucht wurden zusätzlich die Abweichungen vom  Bildschirmmittelpunkt zum Strahlmittelpunkt, die sogenannte „Strahlfleckabweichung“ sowie die „Abweichung der Lichtbogenbahn“ gemäß Markierungsbild nach ISO 22827-2; beide Messgrößen sind im automatisierten CNC-Betrieb von hoher Bedeutung.

Eine umfassende Strahlvermessung im unteren und oberen Leistungsbereich des Lasers bildet die Grundlage für die Dokumentation und Bewertung der Strahleigenschaften. Die Bewegungskonstanz der Linearachsen und des Drehantriebes wurden ebenso überprüft, wie deren Führungsgenauigkeit.

Drücke und Durchflussmengen der Prozess- u. Schutzgase waren weitere Prüfgrößen der Abnahmemessung. Anhand eines „typischen“ Schweißverfahrens gem. ISO 15614-11 wurde abschließend die Gesamtfunktion der Maschine in Form eines Prüfstücks dokumentiert.

Ergänzend zu den qualitätsbeeinflussenden Kriterien der Maschine wurden auch Lasersicherheitskomponenten kontrolliert. Dies waren unter Anderem:

• Funktionsprüfung der Verriegelung
• Zustand der Lichtleiter
• Vorhandensein und Wirkungsweise  der Schutzeinrichtung gegen unzulässige Strahlrichtung  bzw. Strahlausbreitung
• Prüfung des Maschinenaufbaus bei Not-Aus

Auch die Prozedur für Neustart nach Not-Aus und die Maßnahmen gegen unbeabsichtigtes Einschalten gehörten zum ergänzenden Prüfumfang.

Prüfung bestanden
Die Faserlasermaschine der  BBW Lasertechnik , Laser 10, Masch.-Nr.: 7012550, entspricht innerhalb der überprüften Arbeitsbereiche den  Anforderungen nach DIN EN ISO 15616-1/2 sowie den Prüfkriterien der DIN EN ISO 22827-1/2. Ergänzend finden die DIN EN ISO 11554, die DIN EN ISO 15614-11 sowie die DIN EN ISO 14744-1 Anwendung. Die Vielzahl zitierter Regelwerke begründet sich im „einmaligen“ Charakter dieser Abnahmemessung.

Dr. Behr stellt schlicht fest „Es war eine Premiere, die bestens gemeistert wurde. Diese Maschine ist in den Grenzen der Norm voll tauglich!“  Er hat noch hohes Lob für den Maschinenbetreiber: „Diese erstmalige Abnahme einer derartigen Maschine war hervorragend vorbereitet “, – eine Prüfungsvorbereitung, wie sie selbst bei  Großkonzernen nicht immer gegeben sei. Und fährt fort: “Für einen vergleichsweise kleinen Zulieferer wirklich erste Klasse“.

Robert Koehler, Vorstandsvorsitzender SGL Group

Mit Blick auf die neue Carbonfaser-Pilotanlage betonte Dr. Gerd Wingefeld, der im Vorstand der SGL Group die Technologie und Innovation vertritt, deren hohen Stellenwert für die Produkt- und Prozessentwicklung: „Auf dieser weltweit modernsten Carbonfaser-Pilotanlage entwickeln wir die nächste Generation von hochleistungsfähigen Carbonfasern“. Weiterhin dankte Dr. Wingefeld allen Projektpartnern für den hohen persönlichen Einsatz und würdigte die Unterstützung durch das Bundeswirtschaftsministerium, die es ermöglicht, diese hochfesten und luftfahrtgeeigneten Carbonfasern zu entwickeln.