Neue Höhepunkte für neue Materialien
Bei der Entwicklung fortschrittlicher Werkzeuge für die Bearbeitung von Luft- und Raumfahrtkomponenten reicht manchmal ein einfaches Mikroskop aus, um zu verstehen, wie ein Material mit dem Schneidwerkzeug interagiert.
Fortschritte in der Luft- und Raumfahrtindustrie sind oft mit Fortschritten bei den Werkstoffen verbunden - insbesondere beim Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und bei der Temperaturbeständigkeit neuer Werkstoffe.
Die Werkstoffe der Wahl für Triebwerke in der Luft- und Raumfahrt sind heutzutage hitzebeständige Superlegierungen (HRSA), ein komplexer Cocktail aus Spezialmetallen - Nickel, Kobalt, Eisen und einige Legierungen auf TiAl-Basis (Titanaluminid) -, die entscheidende Vorteile bieten, wie z. B. die Möglichkeit, hohe Arbeitstemperaturen zu erreichen. Viele dieser Komponenten haben komplexe Formen und können im 3D-Druckverfahren hergestellt werden. Das wiederum schafft neue Fertigungsmöglichkeiten und Herausforderungen für Werkzeugmaschinenhersteller wie Sandvik Coromant.
Der Trick bei der Konstruktion von Werkzeugen
Seit den Anfängen der bemannten Luftfahrt mit Flugzeugen aus Holz und Stoff war es das Ziel der Hersteller, das Gewicht des Flugzeugs zu verringern. Im Laufe der Jahre ersetzten Konstruktionen aus Aluminium- und Titanlegierungen Holz und Stoff, und schließlich kamen Kohlefaser- und Verbundwerkstoffe zum Einsatz.
Im Vergleich zu Standardmaterialien wie Eisen haben die heutigen HRSA-Materialien in all ihren chemischen und physikalischen Ausprägungen unbeständige Eigenschaften. Es werden immer fortschrittlichere Werkzeuge benötigt, um Bauteile für die Luft- und Raumfahrt in Chargen zu schneiden und zu bearbeiten, die für die Hersteller finanziell und technisch sinnvoll sind.
Die Luft- und Raumfahrtindustrie erfordert extrem hohe Bauteiltoleranzen
Checking wear under the microscope.
"Der Trick bei der Entwicklung von Zerspanungswerkzeugen war schon immer, die Standzeit der Werkzeuge durch geringeren Verschleiß zu erhöhen und gleichzeitig höhere Schnittgeschwindigkeiten zu erreichen", sagt Stina Odelros, Senior R&D Engineer bei Sandvik Coromant. Wir müssen wissen, womit unsere Kunden zu kämpfen haben, und dann versuchen wir, ihre Probleme zu lösen."
Ständige Optimierung der Materialien
Odelros erklärt, dass Flugzeughersteller und Zulieferer ständig an Materialien wie HRSA und anderen Legierungsmischungen feilen, um diese Ziele zu erreichen. Neben den Gewichtsbeschränkungen muss ein Triebwerksbauteil auch Außentemperaturen von bis zu minus 60 Grad Celsius sowie Innentemperaturen von etwa 2.000 Grad Celsius standhalten.
Die Entwicklung von Werkzeugen für diesen anspruchsvollen Industriezweig ist knifflig. Die einzige Methode, um zu sehen, wie ein Werkzeug funktioniert, ist, die verwendeten Einsätze unter dem Mikroskop zu betrachten, um zu sehen, wie sie sich abnutzen. "Wir können nicht auf alle diese Materialien auf dem Markt zugreifen, daher sind wir auf die Zusammenarbeit mit wichtigen Kunden angewiesen, die uns sagen, wie unsere Einsätze funktionieren", sagt Odelros.
Kernpunkt der F&E-Arbeit
Wie Odelros erklärt, kann ein 3D-gedrucktes, geschmiedetes oder gegossenes Flugzeugbauteil nicht mit einem zuvor verwendeten Werkzeug gedreht, gefräst, bearbeitet oder gebohrt werden. Manchmal kann die Bearbeitung eines großen und teuren Triebwerksteils ein oder zwei Wochen dauern, und jeder Bearbeitungsdurchgang muss kontinuierlich erfolgen, um strukturelle Mängel zu vermeiden. Ein Werkzeugausfall auf halber Strecke dieses Prozesses ist nicht akzeptabel, da dies zu einem Bauteilausfall führen könnte. Und ein Bauteilversagen in einem Triebwerk könnte katastrophale Folgen haben, wenn es mitten in der Luft auftritt.
Senior R&D Engineer Stina Odelros.
Unter dem Mikroskop achtet Odelros also nicht nur auf kontrollierte Abnutzung, sondern auch auf das Ausmaß der Abnutzung und darauf, ob unvorhersehbare Abnutzungserscheinungen wie Absplitterungen oder Brüche vorliegen, die im schlimmsten Fall zu kostspieligen Produktionsausfällen führen können.
Dies ist der Kernpunkt der F&E-Arbeit. Ein Hartmetalleinsatz ist zwar nicht größer als ein durchschnittlicher Fingernagel, aber die Möglichkeiten seiner Konstruktion - Winkel, Substrate, Beschichtungen, Materialbeschaffenheit, kristalline Struktur und Behandlungen wie chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung - sind nahezu unbegrenzt. Mit der richtigen Kombination und Mischung lassen sich maßgeschneiderte Ergebnisse für spezifische Kundenanwendungen erzielen.