CFK-Teile: Wann ist Schluss mit Handarbeit?
Um Flugzeuge leichter und sparsamer zu machen, werden immer mehr Bauteile aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) eingesetzt. Ihr Nachteil: Sie lassen sich bisher nur teilweise von Automaten fertigen. Es dominiert also immer noch die Handarbeit, was auf Kosten der Effektivität und Wirtschaftlichkeit geht. Deshalb eint der Wunsch nach einer umfassenden Automatisierung der einzelnen Fertigungsschritte weite Teile der Branche. [mehr...]
Premium Aerotec ordert Fiber Placement-Maschinen bei MAG
Der Luftfahrtzulieferer Premium Aerotec, der als Europas größter Hersteller von Aerostructures (Flugzeugrümpfen) gilt, hat einen ersten Auftrag für die Lieferung von zwei Fiber Placement Maschinen Viper 6000 an den Stuttgarter Werkzeugmaschinenbauer MAG vergeben. Dies gab MAG- Chairman Prof. Jürgen Fleischer bei der offiziellen Eröffnung des neuen Composites Centers des Unternehmens in Göppingen bekannt. [mehr...]
CFK: Wo bleibt die Automatisierung?
Die Fertigung von Flugzeugstrukturen und -komponenten aus CFK (Kohlefaserverstärkter Kunststoff) braucht dringend Impulse. Noch immer dominiert hier die Handarbeit, was auf Kosten der Effektivität und Wirtschaftlichkeit geht. Die Maschinenhersteller schlagen sich zwar noch mit manchem Problem herum, es gibt jedoch Fortschritte im Detail: Eine Bestandsaufnahme von aerotec-Mitarbeiterin Dr. Barbara Stumpp. [mehr...]
Businessjets aus der Backform
Mit dem Dreamliner von Boeing hat er eines gemeinsam: Seine Zelle besteht vollständig aus CFK. Aber anders als die 787 steht der Businessjet Grob spn bereits mitten in der Flugerprobung. Hersteller Grob setzt in der Produktion auf ein spezielles Niederdruckverfahren und bäckt das Flugzeug regelrecht zusammen, einen Autoklaven sucht man vergeblich. Aerotec hat sich die Fertigung bei Grob in Tussenhausen-Mattsies angesehen.
Diamant bezwingt CFK
Faserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind in der Luft- und Raumfahrtindustrie mittlerweile state of the art. Als Leichtgewichtsalternative haben sie Aluminium in einigen Anwendungen bereits den Rang abgelaufen – mit steigender Tendenz. Doch bei der Bearbeitung sind die Materialien sehr anspruchsvoll und verlangen den Werkzeugen alles ab. Wer da auf das falsche Pferd setzt, verspielt unnötig seinen Einsatz. In Substrat, Geometrie und Beschichtung optimierte Werkzeugkonzepte liefern dem Anwender dagegen ideale Voraussetzungen, auch solche stark abrasiven Materialien wirtschaftlich zu zerspanen. [mehr...]
Keine Angst vor der Kleinserie bei Tesat-Spacecom
Der Mittelständler Tesat-Spacecom aus Backnang bei Stuttgart gilt als europäischer Marktführer im Bereich der nachrichtentechnischen Nutzlasten von Satelliten. Um diese Wettbewerbsposition abzusichern, hob Tesat seine Produktionsprozesse und Kostenstrukturen selbstkritisch auf den Prüfstand – mit Gewinn.
Das Produktspektrum von Tesat-Spacecom reicht von kompletten Nutzlasten, über Geräte und Baugruppen, bis hin zu Hi-Rel Bauteilen für Raumfahrtanwendungen. Ausgehend von ihrer Führungsposition im kommerziellen Satellitenmarkt und den dort notwendigen höchsten Qualitätsstandards werden die Produkte der Firma auch immer stärker in verschiedenen raumgestützten Systemen für den Sicherheits- und Verteidigungssektor in Deutschland, Europa und den USA eingesetzt. [mehr...]
Triebwerksbauteile mit Hochdruck zerspanen
Die Fertigung von Triebwerksbauteilen gehört zu den anspruchsvollsten Bearbeitungen in der Luft- und Raumfahrt. Dieses ist einerseits auf die sehr hohen Sicherheitsanforderungen an die Bauteile zurückzuführen, andererseits gehören die dort verwendeten Materialien zu den am schwierigsten zu bearbeitenden Werkstückstoffen. Im Zuge der nach wie vor steigenden Fluggastbeförderungen werden mehr Flugzeuge und somit auch mehr Triebwerke benötigt. Hinzu kommt noch, daß die Effizienz der Triebwerke von Generation zu Generation deutlich zunimmt. 
Die Steigerung der Effizienz wird durch neues Design und durch neue, schwieriger zu bearbeitende, Werkstückstoffe erreicht. Diese, in Kombination mit steigenden Stückzahlen, stellen die Triebwerkshersteller und deren Zulieferer vor eine neue Aufgabe: eine deutliche Steigerung der Produktivität und somit Produktionskapazität. [mehr...]
Neue Fertigungstechnologie bringt 75 % Zeitersparnis
Für den russischen Flugmotorenhersteller Permskij Motorny’j Zavod (PMZ) beginnt ein neues Zeitalter in der Fertigung. Um Perfektion und Ausfallsicherheit der Triebwerke zu gewährleisten, werden höchste Genauigkeit, komplexe Geometrien und futuristische Materialen verlangt. Mit dem Einsatz einer Komplettbearbeitungsmaschine erzielt PMZ nun 75 % Zeitersparnis in der Fertigung.
Die Mission des Permer Werks – ständige Erhöhung der Qualität und die Aufrechterhaltung der Konkurrenzfähigkeit – hat PMZ zur Suche neuer Technologien in der Wellenfertigung gezwungen. In einem langen Evaluierungs- und Auswahlprozess konnte sich der österreichische Hersteller WFL aufgrund der ausgereiften Technologie gegen den internationalen Wettbewerb durchsetzen. Juri Nossov, Projektleiter von PMZ, und sein Team entschieden sich für die Komplettbearbeitungsmaschine WFL M65 MILLTURN mit einer Spitzenweite von 4.500 mm.
Die mit den Spezialisten von WFL ausgearbeitete Technologie erlaubt nun die Triebwerkswellen in einem Arbeitsgang herzustellen. Das Drehen der Außen- und Innenkonturen, Fräsen im Flanschbereich, Tieflochbohrungen, Spindeln von präzisen Flanschflächen, Abwälzfräsen von Außenverzahnungen, Stossen der Innenverzahnungen, Herstellen der Innenkonturen durch CNC-gesteuertes Aussteuerwerkzeug erfolgt nun in einer einzigen Maschine. Um die geforderten hohen Genauigkeiten prozesssicher im Automatikbetrieb zu erreichen, wird durch die integrierte Werkstückvermessung der Fertigungsablauf kontrolliert und gegebenenfalls automatisch korrigiert. Ein spezieller Messzyklus soll die präzise Winkellage der Bearbeitungen zwischen den beiden Einspannungen gewährleisten.
Bisher wurden die Triebwerkswellen mittels aufgelöster Fertigung produziert – auf 18 verschiedenen Werkzeugmaschinen, die nur teilweise mit einer CNC Steuerung ausgerüstet waren. Die vielen Einspannungen hatten einen negativen Einfluss auf die Qualität.
Die Aussen- und Innendurchmesser konnten nicht in einer Aufspannung bearbeitet werden. Daraus resultierende Abweichungen in der Wandstärke riefen beim Betrieb der Triebwerke Unwucht und Vibrationen hervor.
Die Durchlaufzeit betrug aufgrund der hohen Rüst-, Zwischenlager- und Transportzeiten 3 bis 3,5 Monate. „Ziel von PMZ war, diese bei erhöhter Flexibilität und Qualität deutlich zu reduzieren. Dies zwang uns nach neuen technologischen Lösungen zu suchen“, so Juri Nossov.
Die von PMZ und WFL ausgearbeitete Technologie der WFL M65 MILLTURN brachte bedeutende Verbesserungen in der Prozesskette der Wellenfertigung (siehe Kastentext).
Das Werkzeugmagazin mit 72 Plätzen und das Werkzeugsystem „Capto C8“ können alle für die Wellenbearbeitung notwendigen Werkzeuge und Messtaster aufnehmen. Wenn verschlissene Werkzeuge ausgewechselt oder andere nachgerüstet werden müssen, erfolgt dies in einem Hauptzeitparallelen Rüstvorgang.
Für lange und schwere Werkzeuge ist die Maschine mit einem Pick-Up Magazin ausgerüstet. Aus diesem werden Bohrstangen und Sonderwerkzeuge automatisch auf eine zusätzliche Prismenaufnahme gewechselt.
Eines dieser Sonderwerkzeuge ist ein CNC-Aussteuerwerkzeug für die Herstellung der innenliegenden Bottleboring-Konturen. Die Aussteuerbewegung der Werkzeugschneiden wird mittels Rotation der Frässpindel durchgeführt. In Kombination mit einem speziellen Softwarezyklus können damit sämtliche Innenkonturen hergestellt werden.
„Um die Programme für die 7 verschiedenen Wellentypen (von denen es bis zu 4 Varianten gibt) effizient erstellen zu können, wurde auf Basis von Unigraphics von den PMZ-Programmierern ein eigener Postprozessor entwickelt“ betont Juri Nossov mit Stolz auf sein Team.
„Nach eineinhalb Jahren im Zweischichtbetrieb blicken wir auf eine nahezu 100%ige Verfügbarkeit zurück. Der WFL-Service besitzt in Russland einen sehr guten Ruf. Aufgrund der guten Performance der Maschine mussten wir diesen jedoch noch nicht beanspruchen. Das veranlasste uns zwei weitere Maschinen mit einer Spitzenweite von 1000 mm bei WFL zu bestellen. Diese sind für die Herstellung von dünnwandigen Turbinenscheiben aus Inconel und Titan bestimmt.“ ergänzt abschließend Hr. Nossov
Wirtschaftliche Vorteile
Amortisation der Maschine in 3 Jahren
Reduzierung der Bearbeitungszeit um 129 Stunden auf nun 42 (entspricht 75 %!)
Einsparung von 18 verschiedenen Werkzeugmaschinen und 320 m² Produktionsfläche.
Keine Zwischenlagerung der Werkstücke (für eine Turbinenwelle gab es bisher 43 Operationen)
Erhebliche Reduktion des Rüstaufwandes
Entfall der teuren Einspannvorrichtungen (pro Turbinenwelle waren 17 Einspannvorrichtungen und Führungsschablonen notwendig)
Vermeidung von Organisationsfehlern durch einfachere Prozessplanung
Qualitative Vorteile
0,1 mm Toleranz in der Wandstärke auf die gesamte Bearbeitungslänge (1300 mm)
Exakte Winkellage zwischen den einzelnen Bohr- und Fräsoperationen
Kontinuierliche und reproduzierbare Qualität durch WFL Inprozessmessung
Hohe Oberflächengüte und präzise Durchmesser ersparen nachträgliche Schleifoperationen
Fact Box Permskij Motorsny Zavod:
Die Firma „Werk 19“ wurde 1934 in Perm auf Beschluss der Regierung der UdSSR gegründet. Die Haupttätigkeit des Werks war seit der Gründungszeit die Produktion von Flugzeugmotoren. Anfänglich wurden sogenannte „Reitmotoren“ in der Stadt am Ural produziert. Mit der Produkterweiterung der Flugzeugantriebe auf die Ilyushin und Tupolev wurden im November 1997 die neuen Statutendokumente unterschrieben und die Firma in Permskij Motorny’j Zavod (PMZ), Perm Engine Company umbenannt.
Zum heutigen Tage werden von den ca. 8.000 Mitarbeitern am einzigen Produktionsstandort Perm die Motoren „Solowjev PS-90A“ und seine Varianten gefertigt. Auf Basis dieses Antriebes werden auch gasbetriebene Generatoren im stationären und verfahrbaren Bereich und sogenannte Gaspumpstationen ausgestattet.
Titan und Aluminium schnell und präzise zerspanen
Die Zulieferer der Luftfahrtindustrie müssen Aluminium- und Titanbauteile mit komplizierten Geometrien immer häufiger flexibel bearbeiten. Deswegen entwickelte StarragHeckert ein Fertigungszentrum, auf dem beide Werkstoffe effizient zerspant werden können. Der Technologiewechsel auf der Maschine ist möglich, da mehrere Arbeitsspindeln zur Auswahl stehen.
Damit lassen sich sowohl Titan- als auch Aluminium-Werkstücke bearbeiten. Auch sonst ist das Bearbeitungszentrum auf ständig wechselnde Anforderungen in der Fertigungstechnik ausgerichtet.
Als wichtigste Vorteile der STC-Bearbeitungszentren gelten das modulare Maschinenkonzept, die Getriebespindel mit hohem Drehmoment, ein beidseitig gelagerter Fünfachs-Schwenkkopf sowie eine hohe Maschinensteifigkeit für optimale Werte in der Zerspanung besonders harter Materialien. Damit können schwer zerspanbare Werkstoffe wie Titan, Inconel und hoch legierter Stahl in die gewünschte Form gebracht werden – und zwar in kürzester Bearbeitungszeit. Die STC-Reihe zielt besonders auf anspruchsvolle Fertigungslösungen im Flugzeug- und Triebwerksbau. Da im Flugzeugbau die Fertigung immer komplexerer Integralbauteile stetig zunimmt, müssen Teile in Fünf-Achs-Bearbeitung aus dem Vollen hergestellt werden. Das umfasst die ganze Palette von der Schwerzerspanung hochfester Titanlegierungen bis hin zum High-Speed-Cutting (HSC) verschiedener Leichtmetalle. Jetzt stellte der Schweizer Hersteller StarragHeckert das neueste Modell der Reihe vor – das fünfachsige Bearbeitungszentrum STC 800 (800 x 800 mm Palettengröße).
Als regelrecht revolutionär gelten das Spanvolumen und die Schnitttiefen, die auf der STC 800 erzielt werden können: zum Beispiel 500 Kubikzentimeter pro Minute im Titan mit einem Igelfräser d = 80 mm und bei einer Schnitttiefe von 80 Millimetern. Die Arbeitsgenauigkeit unter nicht klimatisierten Bedingungen über den gesamten Fahrweg liegt bei sieben Mikrometern.
Die STC 800 zeigt ihr Potenzial besonders bei der Bearbeitung komplexer Werkstücke, bei denen auch unter nicht rechten Winkeln gefertigt werden muss. Da das Werkzeug in beliebiger Lage zum Werkstück positioniert werden kann, ist nur eine einzige Aufspannung erforderlich. Die Maschine gewährleistet die Ausführung schwerer Schrupp- und Schlichtoperationen über viele Jahre – und das bei gleichbleibender Präzision.
Auf der STC lassen sich Werkstücke über fünf simultan gesteuerte Achsen in einer Aufspannung an fünf Seiten bearbeiten. Somit wird der Vorrichtungsaufwand drastisch reduziert, was die Durchlaufzeiten enorm verkürzt. Das Bearbeitungszentrum arbeitet effizient und zuverlässig, weil StarragHeckert nur erprobte Baugruppen mit qualitativ hochwertigen Einzelkomponenten einsetzt. Udo Kurth, Prokurist der StarragHeckert AG, erläuterte auf der Luftfahrtausstellung ILA in Berlin: »Unsere erfahrenen Technologen erproben und testen die Leistungsfähigkeit der STC 800 bei uns im Haus, bis der Fertigungsprozess den Kundenanforderungen entspricht.« Um Ausfallzeiten auf ein Minimum zu reduzieren, ist die STC-Baureihe mit einem grafisch gestützten Diagnosesystem ausgerüstet. Alle Maschinenzustände oder Fehlfunktionen können sehr einfach online und in Echtzeit lokalisiert werden. Dieses leicht zu bedienende Ferndiagnosesystem ermöglicht darüber hinaus eine sofortige Online-Unterstützung durch die jeweiligen Spezialisten.
Präzision und eine hohe Verfügbarkeit sind entscheidend, wenn es um die Bearbeitung von Impellern und Blisks der neuesten Generation geht. Besonders dann, wenn schwer zerspanbare Materialien wie Titan, Gamma-Titan oder Inconel bearbeitet werden. Udo Kurth: »Wir verfügen über jahrzehntelange Erfahrung in der Fünf-Achs-Bearbeitung von Strömungsflächen und können unsere Kunden kompetent unterstützen – sei es im Bereich der Programmierung oder bei der Wahl und Entwicklung der geeigneten Werkzeuge.«
Die erforderliche CAM-Software wurde eigens für die effiziente Programmierung von komplexen Mehrschaufelkomponenten wie Impellern, Blisks oder beschaufelten Rotoren, Diffusoren, Kompressor- und Pumpenrädern oder Leitringen entwickelt. Den Anspruch und die Philosophie des Unternehmens formuliert Udo Kurth so: »Wir haben vor vielen Jahren entschieden, hochgenaue und am Markt nicht oder nur schwer erhältliche Vollhartmetall-Fräswerkzeuge selbst zu entwickeln und herzustellen. Die in Rorschacherberg hergestellten Fräswerkzeuge sind exakt auf die jeweiligen Anwendungen abgestimmt, weil das gesamte Prozesswissen in die Produktentwicklung einfließt. Es ist unser Ansporn, nicht nur eine Maschine anzubieten, sondern eine individuelle Prozesslösung mit dem größtmöglichen Anwendernutzen zu liefern.«
Falsche Diamanten schützen Jet-Triebwerke
Besonders bei Starts und Landungen attackieren Sand, Staub und in Meeresnähe auch Salzkristalle die Schaufeln der Flugzeugtriebwerke. Neu entwickelte Schichten aus Zirkonoxid wirken dem Verschleiß wirksam entgegen. Momentan sind die Kosten dieser Zirkonschichten noch ein Problem, denn die Herstellung ist sehr energieintensiv. Jetzt müssen Lösungen entwickelt werden um die Kosten zu senken.
Im kühleren Bereich eines Triebwerks verschleißen die Partikel die Turbinenschaufeln mechanisch. Außer den Kosten zum Austausch beschädigter Triebwerksteile kommt noch ein weiterer Faktor, denn “schon relativ geringe Schäden erhöhen den Kraftstoffverbrauch um ein oder zwei Prozent”, so Dr. Thomas Uihlein Leiter des Managements Technologietransfer bei MTU. In einem Team entwickelte er das so genannte ERCoat-Beschichtungssystem, eine Multilayerschicht, das dieser Schmiergelei Einhalt gebietet. Diese Schicht besteht aus mehreren, übereinander abgeschiedener Schichten aus Metall und Keramik. Diese fünf bis 50 Mikrometer dicke Schutzschicht ist gleichzeitig hinreichend duktil, um sich im selben Maß wie das Turbinenblatt zu verformen. Bis zu 650°C bieten diese Schichten wirkungsvollen Schutz. Je nach Sandbelastung und –art steigt die Lebensdauer der entsprechenden Bauteile um einen Faktor 4 bis 10 oder höher durch die Beschichtung. Die Schichten sind mittlerweile sowohl von der europäischen als auch von der amerikanischen Luftfahrtbehörde zertifiziert.
Im nachfolgenden heißen Bereich des Triebwerks steigen dann die Temperaturen auf Werte zwischen 1100 und 1500 °C. Unter dieser Hitze schmelzen die Partikel und reagieren chemisch mit den thermischen Schutzschichten auf den Turbinenteilen. Sand etwa verwandelt sich in Glas und “geschmolzenes Glas löst alles”, bestätigt Prof. Nitin Padture von der Ohio State University.
Die Schutzschichten in diesem heißen Bereich bestehen aus Zirkonoxid. Das heiße Glas dringt nun über Poren ein, erreicht das Metall und kann mit ihm reagieren. Beim Abkühlen des Triebwerks verfestigt es sich und bildet eine starre Glasur. Heizt das Triebwerk sich wieder auf, dann dehnen sich die Schaufeln aus, die Glasur blockiert die Ausdehnung der keramischen Schicht und lässt sie brechen, was die Einsatzzeit der Schaufel reduziert. Forscher und Ingenieure in aller Welt suchen nach Lösungen diesen Effekt zu verhindern.
Das Team um Nitin Padture hat jetzt eine Lösung gefunden, es gibt dem Zirkon Aluminium und Titan zu. Trifft nun das geschmolzene Glas auf die Schutzschicht der Turbine, dann nimmt es Aluminium und Titan auf. Dies wandelt das geschmolzene Material in einen stabilen Kristall um, der nicht mehr weiter eindringt. “Das Glas wird buchstäblich zu einer neuen keramischen Beschichtung auf der alten. Es ist wie eine sich konstant erneuernde Beschichtung auf der Turbinenoberfläche”, so Padthure. Das Verfahren ist mittlerweile patentiert. Jetzt arbeiten die Wissenschaftler mit Inframat Corp. zusammen um die Schichten weiter zu testen und die Technik für den Serieneinsatz weiter zu entwickeln.
Momentan sind die Kosten dieser Zirkonschichten noch ein Problem, denn die Herstellung ist sehr energieintensiv. Jetzt müssen Lösungen entwickelt werden um die Kosten zu senken. “Es gibt momentan viele innovative Ansätze für solche Schichten”, weiß Dr. Günter Wilfert Leiter Technologiestrategie bei MTU. “Bis allerdings die Grundlagen untersucht und die Beschichtungen anwendungsreif sind vergehen noch einige Jahre.” Wie andere Triebwerkshersteller beobachtet MTU kontinuierlich solche Entwicklungen und prüft ob sich eine Verbesserung gegenüber den bisherigen Produkten ergibt.
Dr. Barbara Stumpp
