Zerspanungsprozesse im Flugzeugbau mit Optimierungspotenzialen

Die Luftfahrtindustrie und der Flugzeugbau haben schwierige Jahre hinter sich: Die weltweiten Reisebeschränkungen durch die Covid-Pandemie haben nicht nur zur gähnenden Leere auf Flughäfen geführt, sondern auch zu massiven Einbrüchen in der Produktion. Mittlerweile hat sich der Markt erholt, die Fluggastzahlen steigen wieder an: In Deutschland sind 2022 immerhin schon wieder 155,2 Millionen Reisende registriert worden. Damit liegt man zwar immer noch ein Drittel unter den Top-Auslastungszahlen von 2019, aber vor allem in Asien sind die Zahlen bereits wieder auf dem Niveau von 2019.

Für den Flugzeugbau sind das natürlich gute Nachrichten: Die tiefgreifende Transformation, die sich im Sektor bereits vor Covid anbahnte, nimmt mit veränderten Ansprüchen der Passagiere, an Energiekosten und CO₂-Emissionen dynamisch an Fahrt auf. Airlines passen ihre vorhandenen Flotten an diese neuen Ansprüche an, zum Beispiel durch Umbauten im Kabinenbereich. Viele Flotten müssen zudem modernisiert werden. Aber auch wenn die Auftragslage im Flugzeugbau nach oben zeigt, bleiben Produktionsumfeld und -bedingungen für die Branche herausfordernd. Wirtschaftliche und politische Krisen weltweit stellen ganz neue Anforderungen an die Resilienz der eigenen Lieferketten. Mit China und Indien haben sich zwei weitere große Akteure auf dem Markt fest etabliert. Produktions- und Wertschöpfungsketten verschieben sich. Der Druck auf Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Prozesse bleibt also hoch.

Gerade bei der aufwändigen und anspruchsvollen Aluminium-Zerspanung suchen Prozessverantwortliche deswegen nach Möglichkeiten, Costs per Part zu senken und den Ausstoß zu erhöhen. Bauteile wie Spante und Flügelrippen werden oftmals aus dem Vollen gefräst. Bauteile von mehreren Metern Länge erfordern zudem große und kostenintensive Maschinen. Um die notwendigen hohen Zerspanungsvolumen darstellen zu können, entwickeln Maschinenbauer Bearbeitungscenter mit immer leistungsstärkeren Spindeln. Standard sind heute Werte über 80 kW, die neueste Maschinengeneration liegt bei etwa 130 kW Spindelleistung. Pure Power allein hat aber noch keinen Zerspanungsprozess grundlegend effizienter gemacht. Ein wichtiger Faktor, um die theoretisch mögliche Maschinenleistung auch wirklich auf das Bauteil zu bringen, ist das Zerspanungswerkzeug, das zum Einsatz kommt. Nur mit dem entsprechenden Werkzeug und einem gut aufgesetzten Prozess lassen sich die Potenziale einer modernen leistungsstarken Zerspanungsmaschine mit Spindelleistungen bis zu 130 kW tatsächlich wirtschaftlich und prozesssicher nutzen.

Der Zerspanungslösungsanbieter Walter unterstützt mit einem ausgefeilten Portfolio an Hochleistungswerkzeugen seit Jahren Kunden aus dem Flugzeugbau darin, ihre Effizienzziele zu erreichen. Das Unternehmen investiert erheblich in die Weiter- und Neuentwicklung für Zerspanungslösungen. Das zeigt sich gut an der New Sales Ratio: Aktuell beträgt bei Walter der Anteil an Werkzeugen, die weniger als fünf Jahre auf dem Markt sind, über 25 %. Seit Oktober 2022 sind die Vollhartmetallfräser MD265 Supreme und MC268 Advance auf dem Markt. Sie wurden eigens für hohe Zerspanvolumina bei der Bearbeitung von ISO N-Werkstoffen wie Aluminiumlegierungen entwickelt, welche im Flugzeugbau häufig bearbeitet werden.

Einen besonderen Schwerpunkt haben die Entwickler hier auf die Optimierung der Mikrogeometrie gelegt: Für beide Fräser typisch ist die spezielle „V-Zentrumsschneide“. Die neue Schneide ermöglicht prozesssicheres schräges Eintauchen mit geringerem thermischen Eintrag in das Werkstück. Das verhindert Gefügeveränderungen im Material, die beim Einsatz vergleichbarer Fräswerkzeuge auftreten können. Denn hier ergeben sich bei hohen Zerspanraten unter Minimalmengenschmierung punktuell Temperaturen von bis zu 480° C. Das kann Auswirkungen auf die elektrische Leitfähigkeit des Materials haben und bei der Qualitätsprüfung zum Ausschluss führen. Mit der neuen Zentrums-Geometrie bleibt die Temperatur unterhalb von 140 °C. Außerdem sind die Schneiden, Kordel- beziehungsweise Rapaxprofile und Nuten fein poliert, sodass kaum zerspantes Material an ihnen haftet. Die besondere Mikrogeometrie ermöglicht ein sanftes Schneiden, das Ergebnis ist eine hohe Prozesssicherheit. Anwender können außerdem mit geringerer Schnittkraft fahren – was Spindelleistung spart und die Effizienz der eingesetzten Leistung maximiert.

Der MC268 Advance ist mit seinem Kordelprofil als universell einsetzbares Schruppwerkzeug konzipiert. Der MD265 Supreme mit Rapaxprofil ist auf maximales Zeitspanvolumen ausgelegt. Seine NHC-Beschichtung ist für ein Zeitspanvolumen ausgelegt und ermöglicht dies von bis zu 9,2 l/min in Al7075 im 24/7-Betrieb. Dieses Zeitspanvolumen wir mit einem Werkzeug mit 25 mm Durchmesser bei 33.000 1/min und einem Zahnvorschub von 0,15 mm sowie einer Schnitttiefe und Schnittbreite von jeweils 25 mm erreicht. Die benötigte Spindelleistung liegt bei etwa 120 kW. Das Maximum aktueller Werkzeugmaschinen wird optimal ausgenutzt.

Seit April 2023 sind die VHM-Bohrer DC166 Supreme auf dem Markt. Konzipiert für Serienfertiger, die viele identische Bohrungen in ein Werkstück aus Aluminiumlegierung einbringen müssen, machen die Bohrer Steigerungen der Produktivität um bis zu 30 % möglich. Aufgrund der optimierten Kühlung zum Zentrum hin und der starken Ausspitzung sowie der polierten Spannuten lässt sich mit dem DC166-Bohrer eine deutlich höhere Vorschubsgeschwindigkeit fahren. Dabei kann die Bearbeitungszeit teilweise halbiert werden. Zudem erhöht sich die Standzeit aufgrund der verringerten Aufbauschneidenbildung. Das innengekühlte Standardwerkzeug ist optimiert für Minimalmengenschmierung (MMS) und Kühlung mit Emulsion.