Späne, Power, Präzision
Zwar etablieren sich im Flugzeugbau bereits neue Materialien wie CFK , dennoch werden Metall-Legierungen noch lange der Stoff sein, aus dem Flugzeuge und Triebwerke gemacht sind. Die Werkstoffentwicklung stellt dabei immer höhere Ansprüche an die Leistungsfähigkeit von Bearbeitungsmaschinen und –prozessen. Wie die Werkzeugmaschinenindustrie mit diesen Herausforderungen umgeht, fand aerotec-Mitarbeiter Nikolaus Fecht in einer exclusiven Umfrage heraus.
Bearbeitungszentren im XXL-Format für die Aerospace-Industrie zählen zu den ausgesprochenen Spezialitäten der Handtmann A-Punkt Automation GmbH aus Baienfurt, die ihre Anlagen mit unterschiedlichen Bearbeitungsköpfen und Antriebsspindeln an die unterschiedlichsten Anwendungsfälle anpasst. Besonders gefragt seien beispielsweise die Gantry-Hochportalbearbeitungszentren. Manager Bernard Feith: „Wir bauen die Maschinen in den unterschiedlichsten Größen. Unser größtes, doppelspindliges Zentrum hat einen Tisch von 4,40 Meter Breite mal 37 Meter Länge.“
Großvolumige Strukturbauteile lassen sich auf Universalbearbeitungszentren des Typs UBZ HP auf ähnlich großen Tischen zerspanen. Diese Maschinen besitzen ein fest stehendes Portal mit einem fahrbaren Tisch, Hochgeschwindigkeitsspindeln mit 24000 Umdrehungen pro Minute kommen beispielsweise beim Fräsen von Aluminium zum Einsatz. Beim Zerspanen von Titan oder hochfestem Stahl eignen sich dagegen Spindeln mit niedriger Drehzahl (weniger als 1000 Umdrehungen pro Minute) und hohem Drehmoment.
Zum wirtschaftlichen Bearbeiten von langen geraden Profilen wie Sitzschienen oder Querträgern seien dagegen die PBZ Profilbearbeitungszentren des Typs HD gedacht, die über ein wahlweise fest stehendes oder fahrbares Portal mit beweglichen Spannstöcken oder Tisch verfügen. Boeing und Airbus setzen diese Anlagen beispielsweise ein, die dann mit kräftigen 45- bis 110-Kilowatt-Spindeln bestückt sind.
Das horizontale Bearbeiten von Platten, Profilen und Querträgern übernehmen außerdem HBZ Horizontalbearbeitungszentren, die ein fahrbares Portal mit stehendem vertikalen Tisch (maximal sieben mal zwei Meter) besitzen. Für die Bearbeitung von Aluminium-Strukturbauteilen eignet sich die HBZ AeroCell, die Handtmann gemeinsam mit dem Luftfahrtzulieferer Asco Deutschland GmbH aus Geldern entwickelt hat. Das Plus dieser Bauweise: Bei der Horizontalbearbeitung fallen die Späne sofort nach unten und werden effizient aus dem Bearbeitungsraum abtransportiert. Um hohe Zerspanungsleistungen zu erreichen, bestücken die Süddeutschen die AeroCell auch mit leistungsfähigen Antrieben (Spindelleistung bis 195 Kilowatt, maximal 30.000 Umdrehungen pro Minute).
Wie sieht es mit neuen Werkstoffen wie CFK aus? Die entsprechenden Zentren fallen leichter aus als etwa Bearbeitungsmaschinen für Aluminium oder Titan. Sie würden außerdem mit anderen Kopf- und Spindelvarianten bestückt. Anwender würden CFK trocken zerspanen. Dann erhalten die Zentren spezielle Absaugeinrichtungen. Es gebe aber auch nasse Bearbeitung mit Schwallwasser. Diese Zentren erhalten dann spezielle Filtereinrichtungen zur Rückgewinnung des CFK aus dem Abwasser.
Das heißt: Zentren für die Aerospace-Branche erfordern oft einen sehr großen Beratungsaufwand. Feith: „Wir verkaufen nicht nur eine Maschine, sondern eine komplette Beratung.“ Handtmann verfügt dazu über einen großen Pool an Anwendungstechnikern und -ingenieuren, die Kunden auch bei der Werkzeugauswahl unterstützen.
Die Aerospace-Branche besitzt für Dörries Scharmann Technologie GmbH (DST) aus Mönchengladbach große Bedeutung: Seit 15 Jahren werden etwa 30 Prozent des Umsatzes in diesem Bereich erwirtschaftet. Ein Team von Key-Account-Verkäufern, Projektingenieuren, Konstrukteuren und Technologen betreut Luftfahrtkunden.
DST führt nach eigenen Angaben beim Bearbeiten von Integralbauteilen aus Aluminium, die immer größer werden. Je nach Bauteilgröße kommen vor allem Maschinen der Baureihe Ecospeed zum Einsatz. Das Herz dieser Baureihe ist der parallelkinematische Bearbeitungskopf Sprint Z3. Ein Anwendungsbeispiel: In den letzten vier Jahren hat Moyola Precision Engineering mit Sitz im nordirischen Castledawson als First-Tier-Lieferant von Flugzeug-Strukturbauteilen stark in seinen Geschäftsbereich Aerospace investiert. Im Mittelpunkt standen dabei drei 6-Achs-Hochgeschwindigkeits BAZ vom Typ Ecospeed F und HT. Eine außer den sonst üblichen fünf Achsen vorhandene zusätzliche CNC-Achse bringt Moyola Geschäftsführer Mark Semple deutliche wirtschaftliche Vorteile bei der Bearbeitung von Flugzeugstrukturbauteilen – insbesondere bei komplexen Geometrien. Denn es können optimale Werkzeuglängen eingesetzt und dadurch Qualität sowie Wirtschaftlichkeit enorm verbessert werden.
Neu zum Einsatz kommt eine 120 Kilowatt-Spindel (maximal 30.000 Umdrehungen/Minute), die bereits ab 13.800 Umdrehungen/Minute die volle Leistung bringt. Semple: „Wir erreichen extrem hohe Zerspanungsraten bei der Rohbearbeitung und gleichzeitig eine gute Oberflächengüte und hohe Präzision in den Endbearbeitungszyklen.“ In Tests, die in einem frühen Stadium mit verschiedenen Maschinenlieferanten durchgeführt wurden, produzierte DST eine Tragflächenrippe des Airbus A320 in 2,05 Stunden, für die das Unternehmen auf einem 5-Achsen-BAZ normalerweise 9,5 Stunden gebraucht hätte. „Die nächst schnellste Maschine eines anderen potenziellen Lieferanten brauchte über vier Stunden“, erklärt der Geschäftsführer.
Der irische Zulieferer setzt auch eine Ecospeed F 2060 mit einem Spannbereich von zwei mal sechs Metern ein. „Wir erzielen damit bedeutende Einsparungen durch die Methode der verschachtelten Anordnung“, bestätigt Semple. „Diese Technik bringt für jedes Teil, das wir fertigen, eine zusätzliche Marge und kann sogar ausschlaggebend sein, ob ein Auftrag rentabel ist oder nicht.
Für die Aerospace-Industrie gibt es bei dem japanischen Hersteller Yamazaki Mazak eine sehr große Bandbreite an Maschinen. Infrage kommen laut Marcus Burton, Group Managing Director Europe von der Yamazaki Mazak U.K. Limited in Worcester (Großbritannien) beispielsweise vertikale CNC-Drehzentren oder die Fünf-Achsen-Maschinen (etwa für die Highspeed-Bearbeitung von Aluminiumbauteilen). Anspruchsvolle Dreh- und Fräszentren eignen für das Komplettbearbeiten von Turbinengehäusen oder Blades. Burton: „Es handelt sich um multifunktionale Maschinen, die das Drehen und Fräsen in einem Arbeitsgang kombinieren – mit der Fähigkeit zur Fünfachsen-Bearbeitung.“
Als ein neues Highlight präsentierte Mazak beispielsweise auf der METAV 2010 die Hyper Variaxis 630, die auf einer Palette von 630 Millimetern (Durchmesser) mal 500 Millimetern mit einer Fünf-Achsen-Simultansteuerung in einer Aufspannung zerspant. Linear- und Direktantriebe in den Achsen sorgen für sehr schnelle Bearbeitung (Eilgang: 8000 bis 80.000 Millimeter/Minute in X/Y/Z-Richtung). „Auf dieser speziellen Maschine lassen sich unterschiedliche geformte Bauteile herstellen“, erklärt der Geschäftsführer.
In Düsseldorf stellte Mazak in der Baureihe der vertikalen Bearbeitungszentren mit Fahrständer außerdem die VTC 800/30 SR vor, mit der sich Aluminium-Strukturbauteile zerspanen lassen. Für die Bearbeitung großer und langer Wellenteile kommen kraftvolle CNC-Drehzentren infrage, die ausdrücklich für die Schwerzerspanung ausgelegt sind. Ein Beispiel hierfür ist die Baureihe Slant Turn Nexus für große Bauteile (bis zu 1040 Millimeter Durchmesser, maximal 3200 Millimeter Länge).
Wie reagiert Mazak auf den Trend zu neuen Werkstoffen? „Die Luftfahrtindustrie konfrontiert uns bereits mit Anfragen nach entsprechender Fertigungstechnik für typische Materialien wie Inconel oder Titan“, erklärt Burton. „Wir machen unsere Maschinen durch den Einsatz von speziellen, kraftvollen Spindeln und Antrieben für derartig anspruchsvolle Werkstoffen fit.“
Die Werkzeugmaschinengruppe DMG mit Stammsitz in Bielefeld setzt im Aerospacebereich auf ein „Center of Excellence“, das als direkter Ansprechpartner der Luftfahrtindustrie dient. Dessen Leistungsspektrum reicht von der Technologie-, Prozess- und Produktentwicklung, über Seminare und Workshops sowie Maschinenvorführungen bis hin zu konkreten Probearbeiten. Die Tochter Deckel-Maho bietet angepasste Module für die Luft- und Raumfahrt, mit denen sich die Standardmaschinen der Pfrontener aus einem Aerospace-Baukasten heraus individuell auf die Anforderungen der ,Fliegerei’ anpassen lassen. Der modulare Aufbau der duoBLOCK-Maschinenreihe eignet sich beispielsweise nicht nur für den HPC- oder HSC-Einsatz mit modernsten 5-Achs-Frästechnologien, sondern er erlaubt auch Kombinationen wie das Fräsen und Drehen in einer Aufspannung.
Spezielle Aerospace-Spindeln passen in Gehäuse aller Maschinen der Längswegklasse 800 bis 1.600 Millimetern. Diese Aerospace-Spindeln leisten bis zu 100 Kilowatt bei 180 Newtonmetern und einer maximalen Drehzahl von 15.000 Umdrehungen pro Minute mit der HSK A100-Aufnahme. Die Spindeln ermöglichen in Kombination mit der eigensteifen Bauweise auch die HSC- und HSP-Bearbeitung von schwer zerspanbaren Materialien wie titanhaltige Legierungen.
Ein Einsatzbeispiel: Das Planfräsen von einem Bauteil aus AlZnMgCu1.5 auf einem 5-Achs-Universal-Bearbeitungszentrum des Typs DMC 100 U mit A-Achse ergab bei einer Spindeldrehzahl von 11.000 Umdrehungen pro Minute ein Spanvolumen von rund 8.000 Kubikzentimetern pro Minute.
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