CAM-Lösungen: Moderne Fertigungsstrategien in der Luftfahrt

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In Europa ist Großbritannien der wichtigste Standort der Luftfahrtbranche. Mit einem Marktanteil von 17 Prozent weltweit ist das Land führend in Europa und nach den USA die zweitgrößte Luftfahrtnation. Die britische Luftfahrtindustrie umfasst 2.600 Unternehmen mit mehr als 230.000 Mitarbeitern. Insgesamt erwirtschaftet die Branche in Großbritannien über 30 Milliarden Pfund (36,3 Milliarden Euro).
Schätzungen zufolge werden bis zum Jahr 2032 etwa 29.000 neue Zivilflugzeuge, 24.000 Geschäftsflugzeuge und 5.800 Regionalflugzeuge benötigt – mit einem geschätzten Gesamtwert von mehr als fünf Billionen US-Dollar. Für Großbritannien bedeutet das einen potenziellen Marktwert von rund 600 Milliarden US-Dollar in den kommenden zwei Jahrzehnten.Dieser Industriezweig ist für die britische Wirtschaft so wichtig, dass die Regierung für die nächsten zehn Jahre 10 Milliarden Pfund für die Weiterentwicklung der Branche zugesagt hat. Zu den Hauptakteuren gehören GE, GKN Aerospace, Airbus, Rolls-Royce, Bombardier Aerospace, Augusta Westland, BAE Systems und viele andere weltweit bekannte Unternehmen.
Open Mind ist seit vielen Jahren mit einer eigenen Tochtergesellschaft in Großbritannien vertreten und hat sich in dieser Zeit einen führenden Namen für CAM-Lösungen in der Branche erarbeitet. Viele der wichtigsten Erstausrüster und deren Zulieferer setzen daher seit langem auf diesen Softwarehersteller und seine CAM/CAD-Systeme. Auch arbeitet das Unternehmen kontinuierlich mit dem Advanced Manufacturing Research Centre (AMRC) in Sheffield zusammen. Gemeinsam mit diesem Kompetenzzentrum speziell für die Luftfahrtindustrie sowie anderen Unternehmen werden neue Technologien entwickelt und geprüft, um die Branche immer wieder mit neuem Fertigungs-Know-how zu beliefern.

Abgestimmte CAM-Strategien

Um beste Lösungen zu bieten, arbeitet Open Mind beispielsweise auch mit dem britischen Werkzeughersteller Dormer Tools zusammen, dessen britischer Standort direkt neben dem AMRC liegt. Bei Dormer ist das CAM-System HyperMill und das High-Performance-Cutting-Modul
HyperMaxx installiert. Dormer Tools wählte spezielle Technologiepartner aus, um die Kapazitäten seines Produktivitätszentrums zu erweitern. Neben Open Mind zählen Unternehmen wie Sandvik Coromant, Kelch, System 3R, Heller oder Hexagon Metrology zu dieser Expertengruppe.
Die Mitarbeiter von Dormer Tools, waren von dem  Schruppmodul HyperMaxx beeindruckt. Matt Johnson, Machining Applications Engineer bei Dormer, erklärt: „Ich wurde von Open Mind gebeten, die Werkzeuge für eine Bearbeitung an der Universität Warwick zur Verfügung zu stellen. Die erste Bearbeitung führten wir mit HyperMill-Standardstrategien aus. Die Bearbeitungszeit eines Teststückes aus 316-Edelstahl mit einer 18 Millimeter tiefen Tasche betrug 25 Minuten. Für diese Bearbeitung verwendeten wir den Vollhartmetallfräser d S356; wir änderten die Fräsparameter, sodass die Vorschubgeschwindigkeiten und Drehzahlen leicht reduziert waren, jedoch die volle Tiefe von 18 Millimetern in einem Durchlauf bearbeitet wurde. Durch diese Strategie haben wir die Bearbeitungsdauer verkürzt. Bisher nutzten wir ein anderes Programm, das wesentlich länger für die Bearbeitung benötigte, da die Tasche in jeweils 6 Millimeter tiefen Schritten ausgeräumt wurde. Als dritte Option setzen wir das HyperMaxx-Schruppmodul ein. Wir verdreifachten den empfohlenen Vorschub und verdoppelten die Drehzahl des Fräsers nahezu.“
Durch den Einsatz dieses Moduls erzielte Dormer nochmals eine Steigerung in der Produktivität. Die meisten Hersteller von Fräswerkzeugen messen die Produktivitätsvorteile, indem sie den QMax-Wert für den Bearbeitungszyklus berechnen. Dieser Kubikwert (cm3/min) errechnet sich aus Frästiefe, Bahnabstand und Vorschub. „In diesem Fall war der ursprüngliche QMax-Wert 17,1 cm3/min. Durch Verwendung eines 12-Millimeter-Fräsers mit den empfohlenen Parametern wurden 30 cm3/min erreicht. Mit HyperMaxx erzielten wir schließlich einen Wert von 108 cm3/min, was einer Steigerung um 280 Prozent entspricht. Verglichen mit dem ersten Teststück betrug die Verbesserung sogar 630 Prozent“, erläutert Johnson.
Weiter führt er aus: „ Für einen gemeinsamen Kunden bearbeiten wir aktuell ein Flügelbauteil aus Titan. Wir verwenden den 12 Millimeter langen Hartmetallfräser des Typs S357 mit einem Radius von 3 Millimetern. Dank HyperMaxx konnten wir die Lebensdauer des Werkzeugs von 30 Minuten auf über zwei Stunden erhöhen.“
Früher betrug die Fertigungszeit für beide Seiten des Flugzeugbauteils insgesamt 40 Stunden. Jetzt wird das Werkstück in zehn Stunden fertig bearbeitet. Johnson kommentiert: „Der betroffene Luftfahrtzulieferer hat sich vertraglich zur Produktion von 150 Bauteilen verpflichtet, die jeweils eine Woche an Bearbeitungszeit beanspruchten. Vorher dauerte das Fräsen einer Tasche 40 Minuten. Wir konnten die Bearbeitungszeit auf drei Minuten senken. Solch ein Ergebnis bei gleichzeitiger Verbesserung der Lebensdauer des Werkzeugs ist wirklich außergewöhnlich.“
Diese Beispiele verdeutlichen, welche Vorteile der Einsatz von HyperMaxx den Erstausrüstern und Zulieferern der Luftfahrt­industrie bieten kann. Insbesondere wenn es um die Bearbeitung von luftfahrttauglichen Werkstoffen wie 6LV-4-Titanium, Inconel oder anderen Legierungen geht.

Die Werkstoffe beherrschen

Bei der Fertigung von schwer zu bearbeitenden Legierungen, wie sie in der Luftfahrt häufig vorkommen, entsteht beträchtliche Wärme. Wird diese Wärme nicht richtig kontrolliert, gleichmäßig verteilt und abgeführt, führt dies zur schnellen Abnutzung der Schneidekante, womit sich die Lebensdauer des Werkzeugs verkürzt. Der Bearbeiter muss deshalb häufig zwischen dem Erhalt des Produktivitätsniveaus und der Werkzeugabnutzung sowie den damit verbundenen Kosten abwägen.
Dabei gibt es unzählige Techniken für die Bearbeitung anspruchsvoller Teile aus hochveredelten Werkstoffen. Für viele Unternehmen ist die anerkannte, jedoch „langsame und beständige“ Herangehensweise aber nicht mehr kosteneffizient. Daher können einige Firmen keine Aufträge aus der Luftfahrtindustrie annehmen, weil sie nicht in der Lage sind, die hohen Zeit- und Qualitätsansprüche kostendeckend zu gewährleisten.
Durch den Einsatz von aktuellen CAM-Technologien und modernen Werkzeugen ist eine kostengünstige Produktion auch von hochkomplexen Werkstücken aus diesen Werkstücken möglich.

Eine Tonne spart Gewicht

In der Luftfahrtindustrie spielt das Gewicht eine maßgebliche Rolle, um bei steigendem Komfort- und Sicherheitsanspruch den Kraftstoffausstoß weiter zu senken. Bauteile müssen einfach immer leichter werden. Um dieses Ziel zu erreichen, kommen moderne Materialien, technologisch führende CAM-Lösungen und innovative Werkzeuge zum Einsatz. Um bessere Fertigungsverfahren zu Verfügung zu stellen, hat Open Mind mit einem Werkzeughersteller zusammen den sogenannten Tonnenfräser entwickelt. Dieses Werkzeug nutzt die schlanke Form des Fräsers in Verbindung mit dem angeschliffenen großen Radius. Der Radius erlaubt eine 5-Achs-Wälzbearbeitung mit großen Bahnabständen. Das wiederum bedeutet eine erhebliche Reduzierung der Bearbeitungszeit bei sehr guten Oberflächengüten.
Ein Beispiel verdeutlicht die Vorteile einer Bearbeitung mit einem Tonnenfräser: Eine Fläche soll mit einem großen Kugelfräser geschlichtet werden. Umso größer der Kugelradius, desto größer kann die Zustellung sein. Der Tonnenfräser nutzt die Vorteile des großen Werkzeugradius, kann aber durch seine Form mit einer hohen axialen Zustellung arbeiten und dadurch in großen Schritten fräsen. Deutlich wird dies, wenn wir Werkzeugradius (Tonnenfräser) und Werkzeugdurchmesser (Kugelfräser) vergleichen. Der 75-Millimeter-Radius eines Tonnenfräsers entspricht einem Kugeldurchmesser von 150 Millimetern. Es ist leicht zu ersehen, dass viele Operationen mit einem Kugelfräser nicht zu bewerkstelligen wären.
Bei der Fertigung von gekrümmten Oberflächen mit Tonnenfräsern lässt sich ein 20-mal höherer Bahnabstandswert im Vergleich zur Bearbeitung mit einem Kugelfräser erreichen. Dies sorgt für eine längere Lebensdauer des Werkzeugs und eine effiziente, zeitsparende Bearbeitung. Der Anwender verfügt mit der richtigen Softwarelösung und den entsprechenden Werkzeugen über eine höhere Flexibilität bei der Programmierung und über neue Möglichkeiten zur Verbesserung der Fertigungsprozesse.
Während der Entwicklungsphase für die Unterstützung von Tonnenfräsern hat Open Mind mit ausgewählten Kunden aus der Luftfahrtindustrie zusammengearbeitet, um die Vorteile der Tonnenfräser zu validieren. So konnte für ein Bauteil aus 304L-Edelstahl die Bearbeitungsdauer von 1 Stunde und 40 Minuten auf nur 20 Minuten gesenkt werden.
Die Nutzung von modernen Werkzeugen und die Möglichkeiten der Erstellung von NC-Programmen, die diese unterstützen, spielen für eine effiziente Fertigung eine immer größere Rolle. HyperMill unterstützt aktuell drei verschiedene Typen von Tonnenfräsern für die 5-Achs-Bearbeitung. So ergibt sich durch die Kombination von Linsenfräsern und traditionellem Werkzeug ein vielseitiges Werkzeugarsenal für die Bearbeitung komplexer Bauteile in einem effizienteren Fertigungsprozess.

Individueller Formenbau

Moderne Verbundwerkstoffe wie etwa Kohlefaser finden in der Luftfahrt immer häufiger Verwendung. Egal, ob das Material eigenständig oder in einer Verbund- oder Wabenstruktur eingesetzt wird: der Werkstoff ist extrem vielseitig. Die Vorteile bei der Gewichtseinsparung und Bauteilbeanspruchung versprechen für die Zukunft der Kohlefaser noch ein hohes Potenzial. Jedoch stellt dieser Werkstoff Hersteller, die Strukturteile aus diesem Werkstoff bearbeiten, vor anspruchsvolle Aufgaben.
Dank der Zusammenarbeit mit einem weltweit agierenden Hersteller von Flügelbauteilen ist Open Mind auch bei der Verarbeitung dieses Werkstoffes mit von der Partie. Baugruppen aus Kohlefaserstrukturteilen, die – wie etwa der Rumpf oder die Flügel – einer beträchtlichen Belastung ausgesetzt sind, sind zweifellos kritische Komponenten bei allen Flugzeugen. Kohlefaser ist ein Schichtverbundstoff, und wenn die Komponenten bei der Flügelmontage nicht 100-prozentig plan verbunden werden, verbindet sich auch der verkleidende Schichtstoff nicht korrekt. Dies führt zu einem Versagen bei Belastung und Druck.
Um die komplexe Produktion zu automatisieren, hat Open Mind mit dem Flügelhersteller einen Prozess entwickelt: Die Strukturteile werden eingescannt, um dann die Flügelflächen der Baugruppe zu rekonstruieren. Auf diese Weise wurde für jedes Strukturteil ein maßgeschneidertes Set passender Bauteile zusammengestellt.
Durch das Scannen des Strukturteils, das Erstellen eines digitalen Bildes und das anschließende Hochladen der Datei auf einen Server hat das britische Team von Open Mind Bearbeitungsvorlagen in seinem HyperMill -CAM-Paket kompiliert. Dabei haben die Experten verschiedene HyperMill
-Funktionen für die Automatisierung wie die Feature- und Makrotechnologie genutzt, um auf einfache Weise Teile zu produzieren. Damit kann der Flügelhersteller aus speziellen, wiederkehrenden „Flügelflächen“ „maßgeschneiderte Teile“ zusammensetzen. Das garantiert eine 100-prozentige Erfolgsrate im Prozess. jbi

Rhys Williams ist Director von Pulse PR in UK.

  • Die Bearbeitung eines „Engine Case“ stellt hohe Anforderungen an die Zerspanung.
  • HyperMaxx beschleunigt die Bearbeitung.
  • Moderne Bearbeitungsstrategien sorgen für Effizienz.
  • Typisches Strukturbauteil aus Aluminium.
  • Auch programmiert mit HyperMill: Ein Teil eines Flugzeug-Fahrwerks.
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