Schichtverbundwerkstoffe

Von Jens Ilg, Thorsten Müller und Sebastian Kuhn,

Werkzeugkonzepte für prozesssichere Trockenbearbeitung

An Werkzeuge, die in der Endmontage von Flugzeugen zum Einsatz kommen, werden unterschiedlichste Anforderungen gestellt. Für die prozesssichere Trockenbearbeitung von Materialkombinationen wie CFK-Aluminium oder verschiedenen Aluminiumlegierungen wurden eigene Werkzeugkonzepte entwickelt.

Im Flugzeugbau kommen viele Verbundwerkstoffe zum Einsatz, deren Bearbeitung spezielle Werkzeuge erfordert.

Hochfeste und gleichzeitig leichte Materialien spielen in der Luftfahrt eine zentrale Rolle. Durch neue Materialkombinationen lässt sich das Gewicht weiter senken, die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit erhöhen sowie die Montage durch eine integrative Bauweise vereinfachen. Während Strukturbauteile aus Aluminium, Titan oder hochfesten Stählen auf Bearbeitungszentren oder Portalmaschinen bearbeitet werden, erfolgt die Bearbeitung der Bauteile in der Endmontage meist durch handgeführte Maschinen, Bohrvorschubeinheiten oder Roboter.

Werkzeuge in der Endmontage

Die Anforderungen an Werkzeuge für die Endmontage unterscheiden sich deshalb maßgeblich von denen für die Teilefertigung. Während die Bauteile in der Teilefertigung einen Wert von rund bis zu 50.000 Euro haben, sind die Bauteile in der Endmontage – abhängig vom Montagefortschritt – mit einen Wert von etwa 50.000 bis 2.000.000 Euro schon deutlich teurer. Fehlerhafte Bearbeitungen müssen entweder aufwendig und kostspielig manuell nachgearbeitet oder die Bauteile müssen komplett ersetzt werden.

Eine Herausforderung für Werkzeughersteller ist die Vielfalt der Werkstoffe, besonders wenn gleichzeitig mehrere Werkstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften bearbeitet werden sollen. Werkzeuge und Prozesse erfordern zudem eine zusätzliche Qualifikation. Bestehende Prozesse werden nur in Ausnahmefällen umgestellt, denn alle Bearbeitungen müssen in konstanter Qualität durchgeführt werden. Beispielsweise muss bei Bohrbearbeitungen in der Endmontage eine geringe Streuung der Bohrungsdurchmesser, ein Cpk-Wert (Prozessfähigkeitsindex) größer 1,7, gewährleistet sein.

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Flugzeughersteller nutzen für die Verbindung der Außenhaut mit den darunterliegenden Strukturbauteilen Nietverbindungen. Hierzu werden unzählige Bohrungen eingebracht. Um einen möglichst geringen Widerstand gegen Strömung zu erhalten (niedriger cW-Wert), werden die Nietköpfe in der Außenhaut versenkt. Hierzu muss am Bohrungseintritt eine zusätzliche Senkung angebracht werden. Während in der Vergangenheit oft ein Prozess mit bis zu vier Einzelbearbeitungen erforderlich war (Vollbohren, Aufbohren, Reiben, Senken), sind heute Bearbeitungen in einem Schritt Stand der Technik. Dadurch wurde die automatisierte Bearbeitung durch Roboter mit Minimalmengenschmierung (MMS) möglich. Allerdings mussten die Bauteile nach der Bearbeitung demontiert, gereinigt und wieder montiert werden. Zudem gelangte das Kühlmedium in den Innenraum des Flugzeugs, wo parallel weitere Montageschritte durchgeführt wurden. Die Forderung nach Werkzeugen zur Trockenbearbeitung verschiedener Schichtverbundwerkstoffe war die Konsequenz.

Umstellung auf Trockenbearbeitung

Das Bohr-Senk-Werkzeug zur Trockenbearbeitung von CFK-Alu-Schichtverbundwerkstoffen vereint die Eigenschaften eines Bohrers zur Bearbeitung von Aluminium mit denen eines Bohrers zur CFK-Bearbeitung. (Bild: Mapal)

Bei der Trockenbearbeitung wird vollständig auf Kühlschmierstoffe verzichtet. Die zentrale Herausforderung bei der Umstellung des Bohrprozesses auf Trockenbearbeitung ist die Wärmeabfuhr beziehungsweise die Vermeidung der Wärmeentwicklung sowie der Abtransport der Späne. Kann die Wärme nicht rechtzeitig abgeführt werden, wird das Material beschädigt. So führt beispielweise ein zu hoher Wärmeeintrag bei faserverstärktem Kohlenstoff zur Verbrennung des verwendeten Harzes; das Material wird spröde. Bei Aluminium hingegen kann eine höhere Gratbildung beobachtet werden.

Im Gegensatz zu einem mehrstufigen Bohrprozess muss das Kombinationswerkzeug die Bohrung für die Nietverbindung in einem Schritt fertigen. Somit ist zum einen die Position der Bohrung und zum anderen die Flucht zwischen dem zylindrischen Teil der Bohrung und der Senkung gewährleistet. Ein Winkelfehler oder Versatz wie bei mehrstufigen Operationen ist so ausgeschlossen.

Neben anderen Qualitätsmerkmalen des Bearbeitungsergebnisses wie Durchmesser, Übergangsradius und Senkwinkel spielt der Austrittsgrat eine große Rolle. Sollte sich bei einer mehrstufigen Bohrbearbeitung, die manuell ausgeführt wurde, am Bohrungsaustritt ein Grat gebildet haben, so kann dieser mithilfe eines Kegelsenkers entfernt werden. Wird der Prozess automatisiert in einem Schritt durchgeführt, ist ein manuelles Entgraten nicht möglich. Daher muss das entsprechende Werkzeug in der Lage sein, nahezu gratfrei zu bohren. Die Flugzeugbauer geben hier meist eine maximale Grathöhe von 0,1 mm vor. Zum Grat am Bohrungsaustritt kommt der interlaminare Grat zwischen den Lagen. Bildet sich dieser, muss der Schichtverbund am Ende der Bohroperationen demontiert werden um den interlaminaren Grat zu entfernen. Diese Demontage ist zeitaufwendig und kostenintensiv, daher muss auch dieser Grat vermieden werden.

Im Flugzeugbau wird häufig ein spezielles CFK mit "Copper Mesh" verwendet. Jegliche Delaminationen oder Faserüberstände am Bohrungseintritt werden vermieden. (Bild: Mapal)

Auch das Maschinenkonzept beeinflusst die Werkzeuggeometrie maßgeblich. CNC-Anwendungen auf Bearbeitungszentren oder Portalmaschinen zeichnen sich durch hohe Steifigkeit und stabile Maschinenführung aus; das Werkzeug wird dadurch sehr gut in der Bohrung geführt. Anwendungen mit Bohrvorschubeinheiten, Robotern oder Handbohrmaschinen sind weniger stabil und erfordern Werkzeuge mit zusätzlichen Stabilisierungsmerkmalen.

Eine weitere Besonderheit bei Bohrvorschubeinheiten sind die sogenannten „Nosepieces“, auch Führungsbuchsen genannt (Bild 3). Der Abtransport der Späne erfolgt über das Werkzeug durch die Führungsbuchse hinweg bis zu einem Absaugkanal, der sich am Ende der Führungsbuchse befindet. Damit die Späne abgeführt werden können, sind lange Spanräume notwendig, die richtig dimensioniert sein und angepasst ausgeführt werden müssen.

Die Bohrungen an der Außenhaut (Rumpf und Flügel) werden mit Portalmaschinen oder Robotern durchgeführt. Die unzugänglichen Bohrbearbeitungen – hauptsächlich in der Endmontage – werden dann mit Bohrvorschubeinheiten oder mit Handbohrmaschinen gebohrt.

Individuelle Werkzeuge für Schichtverbundwerkstoffe

Jeder Werkstoff stellt individuelle Anforderungen an das Werkzeug und die Prozessparameter. Die Wahl der einzelnen Materialkombinationen im Flugzeugbau ist abhängig von den Belastungen, die im Flugbetrieb auf das Bauteil wirken. Generell steht zudem immer eine Einsparung des Gewichts im Fokus.

Außenhaut und Rippen von Flugzeugen der neusten Generation bestehen überwiegend aus einem Verbund aus CFK und Aluminium. Zudem werden im Bereich der Luftfahrt oft Kombinationen aus verschiedenen Aluminiumlegierungen oder aus CFK-Titan eingesetzt. Das Entscheidende bei den Bohrungen in diesen Schichtverbundwerkstoff ist die Maßhaltigkeit. In beiden Werkstoffen der jeweiligen Kombination muss die Bohrung den exakt selben Durchmesser aufweisen. Gebohrt wird grundsätzlich von außen nach innen. Somit liegt beispielsweise bei der Bearbeitung von CFK-Aluminium der Bohrungseintritt und die Senkung in der Außenhaut, die aus CFK besteht, und der Bohrungsaustritt in der darunterliegenden Struktur, die in Aluminium ausgeführt ist. Bei der einzelnen Bearbeitung der Materialien CFK und Aluminium sind die Geometrien der Werkzeuge sowie die Schnittdaten grundverschieden.

Bei der Paarung CFK-Titan werden Werkzeuge benötigt, deren Schneidkante stabil genug ist, um dem duktilen Titan zu widerstehen und gleichzeitig eine entsprechende Schärfe besitzt, um das CFK zu schneiden. Ob ein Bohrprozess allein ausreicht, um die Bohrung zu fertigen, oder ob die Bohrung im Nachgang noch gerieben werden muss, hängt bei dieser Materialkombination von der geforderten Bohrungstoleranz ab.

Für eine zusätzliche Stabilisierung kommen sogenannte "Nosepieces" zum Einsatz. Diese erschweren den Abtransport der Späne. (Bild: Mapal)

Werkzeuge zum Bohren von Schichtverbundwerkstoffen aus unterschiedlichen Aluminiumlegierungen, beispielsweise 7050 und 2024, benötigen keine verschleißhemmende Beschichtung. Denn die im Flugzeugbau verwendeten Aluminiumsorten enthalten wenig bis kein Silizium und können somit nahezu verschleißfrei gebohrt werden. Dies unterscheidet diesen Schichtverbund bei der Bearbeitung entscheidend von Verbunden, die CFK enthalten.

Werkzeuge, die für CFK-Materialkombinationen eingesetzt werden, werden generell mit einer Diamantschicht versehen. Diese wirkt der Abrasion des CFK entgegen und ermöglicht hohe Standzeiten. Ein Nachschliff dieser Werkzeuge ist nicht möglich, da die verwendete Diamantschicht eine sehr hohe Härte aufweist.

Die Wahl des richtigen Werkzeugs

Um die Prozesssicherheit zu gewährleisten, muss bei der Auslegung der Werkzeuggeometrie die Qualitätsanforderung, das Material und der Prozess beachtet werden. Da die Großzahl der Bohrungen im Flugzeug aufgrund der Nieten mit Senkung produziert werden, ist der Bohrungsaustritt kritischer zu bewerten, um kostenintensive Nacharbeiten auszuschließen. Im Werkstoff CFK müssen Delaminationen und Faserüberstande, im Aluminium die Gratbildung verhindert werden. Wichtig ist bei der Bearbeitung aller Einzelmaterialien sowie aller Schichtverbundwerkstoffe zudem die Spanabfuhr.

Ist die Spanabfuhr nicht gewährleistet, ist die Bohrungsqualität beim Trockenbohren deutlich außerhalb der geforderten Toleranzen. Die größte Herausforderung bei der Entwicklung eines Trockenbohrers stellt aber die Anpassung der Werkzeuggeometrie auf das labile Bearbeitungssystem der Bohrvorschubeinheiten in Kombination mit Schnittparametern und Spann-systemen (ConcentricCollet) dar.

Bearbeitung von Alu-Alu-Kombinationen

Die Bohrungsdurchmesser in der Decklage bei der Bearbeitung von Alu-Alu-Schichtverbundwerkstoffen mit dem Mapal-Werkzeug liegen prozesssicher innerhalb der vorgegebenen Toleranzen. (Bild: Mapal)

Für die Trockenbearbeitung der Schichtverbundwerkstoffe aus unterschiedlichen oder gleichen Aluminiumlegierungen hat Mapal einen Bohrer mit Senkstufe entwickelt. Durch spezielle Geometriemerkmale wird die Gratbildung geringgehalten sowie eine verbesserte Zentrierung erreicht. Die Beschichtung des Bohrers verhindert die Bildung einer Aufbauschneide an der Schneidkante. Speziell ausgeformte Spannuten stellen die Spanabfuhr sicher. Gekühlt wird mit Luft, was sowohl die Überhitzung an der Werkzeugschneide als auch die des Aluminiums und damit die Gratbildung verhindert. Zudem werden mit der Pressluft die Späne ausgeblasen.

Bei einem Flugzeughersteller kommt der Bohrer unter anderem für die Bohrungen an der Längsnaht im hinteren Hauptfeld zum Einsatz. Hier wird mit einer Drehzahl von 2.959 min-1 und einem Vorschub von 0,154 mm gearbeitet. Prozesssicher bearbeitet der Bohrer mit einem Durchmesser von 4,748 mm und einer 100°-Senkstufe 1.600 Bohrungen, bevor die Bohrungen nicht mehr die geforderte Toleranz von 4,73–4,805 mm erreichen (Bild 4).

Bearbeitung von CFK-Alu-Kombinationen

Die Bohrungsdurchmesser in der Decklage bei der Bearbeitung von CFK-Alu-Schichtverbundwerkstoffen. (Bild: Mapal)

Um Schichtverbundwerkstoffe aus CFK und Aluminium prozesssicher zu bearbeiten, hat Mapal ebenfalls einen Bohrer mit Senkstufe zur Trockenbearbeitung entwickelt. Die spezielle Geometrie des Werkzeugs sorgt dafür, dass die entstehende Bearbeitungswärme nicht an das Bauteil abgegeben wird. Zudem werden weder das Bauteil noch die Arbeitsumgebung durch Kühlmittel verschmutzt. Der zweischneidige Bohrer aus Vollhartmetall vereint die Eigenschaften eines Bohrers zur Bearbeitung von Aluminium mit denen eines Bohrers zur CFK-Bearbeitung. Durch die speziell ausgeführten Spanräume ist die prozesssichere Abfuhr der Späne sichergestellt. Da CFK ein extrem abrasiver Werkstoff ist, ist der Bohrer diamantbeschichtet. Damit wird gegenüber einem unbeschichteten Bohrer die achtfache Standzeit erreicht.

Das Bohr-Senk-Werkzeug zur Trockenbearbeitung von CFK-Alu-Kombinationen ist erfolgreich bei Kunden im Einsatz. Es wird mit einer Drehzahl von 5.000 min-1 und einem Vorschub von 0,1 mm gearbeitet. Das Werkzeug überzeugt in der Praxis nicht nur durch die erreichten Ergebnisse hinsichtlich Prozess- sicherheit, Standzeit und Bearbeitungsergebnis, sondern auch durch den ruhigen Bohrprozess (Bild 5).

Trockenbearbeitung auf dem Vormarsch

Unterschiedliche Materialkombinationen, die engen Toleranzvorgaben sowie die geringe Maschinenführung stellen die Werkzeughersteller vor eine große Herausforderung. Im Hinblick auf die automatisierte Fertigung durch Roboter gewinnt zudem die Trockenbearbeitung in der Luftfahrt immer mehr an Bedeutung. In Zusammenarbeit mit Flugzeugherstellern hat sich Mapal diesen Herausforderungen erfolgreich gestellt und innovative Bohr-Senk-Werkzeuge zur prozesssicheren Trockenbearbeitung von Schichtverbundwerkstoffen aus CFK-Aluminium und Aluminium-Aluminium entwickelt. Die gezielte Auslegung der Werkzeuggeometrie im Hinblick auf Werkstoffkombination, Maschinenkonzept und Bohrprozess ermöglicht in der Praxis eine signifikante Erhöhung der Prozessfähigkeit sowie der Standzeit der Werkzeuge. Bohrungen außerhalb der Toleranz sowie Defekte an Bohrungsein- und -austritt gehören damit der Vergangenheit an.

Jens Ilg, Center of Competence (CoC) Aerospace & Composites; Thorsten Müller, Forschung und Entwicklung; Sebastian Kuhn, Technisches Marketing; Mapal / ag

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