Die Bearbeitung neuer Materialien in der Luftfahrt: MÉCANUMÉRIC, Expertise im Dienste der Innovation
Warum sprechen wir über die Bearbeitung neuer Materialien in der Luftfahrt?
Was die technischen und technologischen Anforderungen betrifft, gehört die Luftfahrtindustrie mit ihrem ständigen Streben nach Leichtigkeit zu den fortschrittlichsten Hightech-Branchen. Zwar war das Gewicht schon immer ein entscheidender Faktor in dem ständigen Innovationsprozess, der ihr zugrunde liegt, doch ist zu beachten, dass diese Leistungssteigerung in erster Linie auf Expansionsperspektiven abzielte. Kurz gesagt: Wie kann man größer, weiter und billiger werden?
Heute geht es jedoch nicht mehr so sehr darum, die Rentabilität zu steigern, sondern vielmehr darum, den langfristigen Fortbestand des Sektors zu sichern. So ist die Politik des MEHR, die von einer Fülle von Mitteln getragen wurde, der Politik des BESSER gewichen, die die Optimierung ihrer Nutzung fördert, wobei der ökologischen Nachhaltigkeit ein zunehmendes Interesse entgegengebracht wird.
In dieser Dynamik spielt die Verwendung neuer Materialien eine wesentliche Rolle. Verbundwerkstoffe, thermoplastische Polymere, Leichtmetalle und Superlegierungen bieten erhebliche Vorteile, wie z. B. geringeres Gewicht, höhere Verschleißfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Belastungen, flexibleres Design, mehr Komfort und Sicherheit, geringere Wartungskosten und -zeiten und vieles mehr.
Damit bieten sie mittelfristig eine nicht zu unterschätzende Perspektive für die Optimierung der Herstellungs- und Betriebskosten, der wirtschaftlichen, aber auch der Umwelt- und Energiekosten.
Die Herausforderung der CNC-Bearbeitung von Verbundwerkstoffen, Leichtmetallen und Polymeren
Angesichts eines solchen Innovationspools ist es nicht verwunderlich, dass unter den Akteuren der industriellen Zulieferer der Luftfahrtbranche ein starker Wettbewerb entstanden ist.
Diese Werkstoffe bieten jedoch nicht nur Lösungen, sondern stellen aufgrund ihrer strukturellen Komplexität und ihrer spezifischen Eigenschaften auch Herausforderungen dar, insbesondere in Bezug auf die CNC-Bearbeitung.
Die Herausforderung liegt also bei den Akteuren der Lieferkette, die die Beherrschung dieser Technologien erwerben oder perfektionieren und gleichzeitig ihre Wettbewerbsfähigkeit durch die Senkung der Bearbeitungskosten und die Erhöhung der Produktionsrate aufrechterhalten müssen.
Hier kommt MÉCANUMÉRIC ins Spiel.
Das Unternehmen, das seit 30 Jahren als internationaler Spezialist für die Entwicklung und Herstellung von Werkzeugmaschinen für anspruchsvollste Anwendungen anerkannt ist, hat sich zu einem unverzichtbaren Partner für die komplexe Bearbeitung von Verbundwerkstoffen und Polymeren in der Luft- und Raumfahrtindustrie entwickelt.
Es bietet hochspezialisiertes Fachwissen sowie innovative CNC-Lösungen, die auf die Bedürfnisse seiner Kunden aus der Luftfahrtindustrie zugeschnitten sind, wie z. B. das Fräsen komplexer Teile aus Aluminium und Leichtmetallen, das Hochdruckwasserstrahlschneiden von Verbundwerkstoffen oder das Thermoformen von thermoplastischen und duroplastischen Polymeren.
Verbundstoffe und ihre Verwendung in der Luftfahrt
Die Materialfamilie, die diesen Innovationswettlauf am besten repräsentiert, ist zweifellos die der Verbundwerkstoffe. Die Entwicklung ihres Anteils am Materialmix der Flugzeuge des Herstellers Airbus ist ein hervorragendes Beispiel dafür. Während 1980 Kohlenstoff-Epoxid-Verbundwerkstoffe nicht mehr als 10 % der Strukturmasse eines A300 ausmachten, sind es heute, 50 Jahre später, mehr als 50 % der Strukturmasse eines A350-900 XWB.
Kohlefaser-/Epoxy-Verbundstoffe (CFK)
Carbonfaser-/Epoxy-Verbundwerkstoffe sind wahrscheinlich die am weitesten verbreitete Kategorie von Verbundwerkstoffen, sowohl in der Industrie als auch im Alltag. Sie werden hauptsächlich für die Herstellung von Rumpf, Flügeln, VTPs und HTPs verwendet und bestehen aus Schichten von Carbonfasern, die in eine organische Matrix, meist ein Polymerharz, eingewebt und imprägniert werden, die die Fasern zusammenhält und sie in ihrer endgültigen Form fixiert.
Vorteile:
Verbundwerkstoffe mit organischer Matrix zeichnen sich durch ein sehr günstiges Verhältnis von Gewicht und Festigkeit aus. Aufgrund ihrer geringen Dichte (1,8), ihrer hohen Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen sowie ihrer Flexibilität bei der Gestaltung. Sie ermöglichen die Herstellung komplexer und manchmal gigantischer Teile und bieten gleichzeitig eine hohe Stoß- und Temperaturbeständigkeit.
Die elektromagnetischen Eigenschaften dieser Verbundstoffe ermöglichen auch die Herstellung von RAM-Materialien. Ihre laminare Struktur und die Möglichkeit, der Mischung, aus der sie bestehen, andere Materialien hinzuzufügen (Ferrite, Eisenoxid usw.), verleihen ihnen die Fähigkeit, elektromagnetische Wellen zu modifizieren oder zu absorbieren, wodurch die radaräquivalente Oberfläche der Geräte praktisch null wird.
Am Rande: Verbundstoffe aus Kohlenstoffgraphit (C/C)
Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe werden aus Kohlenstofffasern hergestellt, die in einem organischen Bindemittel eingefroren sind, das einer pyrolytischen Behandlung unterzogen wird. Durch Hitze und Druck werden die organischen Verbindungen in fast reinen Kohlenstoff umgewandelt, der sich zu größeren Graphitkristallen zusammenlagert und dem Material seine Eigenschaften, insbesondere seine extreme Härte, verleiht.
Vorteile:
Neben der für diese Materialfamilie charakteristischen Leichtigkeit zeichnen sich C/C-Verbundwerkstoffe durch ihre Fähigkeit aus, ihre mechanischen Eigenschaften bis zu Temperaturen von über 2000 °C beizubehalten. Außerdem besitzt er eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit. Obwohl sie in Faserrichtung hoch ist und unter bestimmten Bedingungen sogar höher als die von Kupfer, ist sie in Querrichtung niedrig (Δ ^10-100).
Aus diesem Grund findet man sie vor allem in Systemen, die den größten Reibungskräften ausgesetzt sind, wie z. B. Flugzeugbremsen, Kacheln und Hitzeschilden von Raumfahrzeugen oder bestimmten Bauteilen von Turbotriebwerken. Ihre Eigenschaften ermöglichen es ihnen, den Temperaturanstieg bei der Umwandlung großer Reibungskräfte in Wärmeenergie zu begrenzen und die dabei entstehende Wärme an der Grenzfläche in konvektiver oder radiativer Form effizient abzuführen.
Erfüllen Sie die Bearbeitungsanforderungen der Luftfahrtindustrie
Die inhärenten Eigenschaften von Verbundwerkstoffen verleihen ihnen außergewöhnliche Eigenschaften, aber sie bedeuten auch schlaflose Nächte für Werkstoffingenieure.
Abgesehen von der Komplexität des langwierigen und kostspieligen Herstellungsprozesses sind es vor allem die Schwierigkeiten bei der Endbearbeitung der Teile, die uns hier interessieren.
Ja, diese Materialien stellen eine echte Herausforderung für diejenigen dar, die sie ohne die richtigen Methoden und Werkzeuge bearbeiten wollen.
Ist es außerdem sinnvoll, daran zu erinnern, dass die Bearbeitung in der Luftfahrt aufgrund der kritischen Natur der beteiligten Komponenten eine extrem hohe Genauigkeit mit lächerlich geringen Fehlerspannen erfordert? Daher erfordert die Bearbeitung von Verbundwerkstoffen für die Luftfahrtindustrie spezielle Ausrüstungen und Verfahren, um die Qualität der Teile mit einer hohen Wiederholbarkeit zu gewährleisten.
Welche Schwierigkeiten gibt es bei der Bearbeitung von Verbundwerkstoffen?
Laminare Struktur und konstitutive Anisotropie :
Der anisotrope Charakter ihrer Struktur ist eine echte Herausforderung für CNC-Maschinen und ihre Werkzeuge. Verbundwerkstoffe können aufgrund der Streuung und Ausrichtung der Fasern sowie der anfänglichen Qualität bei der Herstellung unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Dies erschwert die Bearbeitung von Verbundwerkstoffen nicht nur, weil die Materialeigenschaften von Bereich zu Bereich variieren, sondern auch, weil die Schnittkräfte zu Scherkräften und Vibrationen führen, die eine Delamination der Schichten verursachen können.
Diesem Phänomen entgegenzuwirken erfordert eine Anpassung der Bearbeitungsparameter sowie eine fortschrittliche Kontrolle der Vibrationen.
Eine CNC-Maschine zur Bearbeitung von Verbundwerkstoffen muss in der Lage sein, die Leistung, die Drehgeschwindigkeit und den Vorschub der Spindel feinfühlig und dynamisch zu regeln, um die Bearbeitung an die Festigkeit des Materials anzupassen. Dadurch werden Probleme wie übermäßiger Werkzeugverschleiß oder die Beschädigung des Werkstücks vermieden.
Darüber hinaus sollte sie mit einem fortschrittlichen System zur Kontrolle von Vibrationen ausgestattet sein, um deren negative Auswirkungen zu minimieren.
Einige Beispiele von Projekten, die für und von Kunden von Mechanikeric in der Luftfahrtbranche durchgeführt wurden:
Spröde Natur :
Kohlenstoff, aus dem die Fasern von Verbundwerkstoffen bestehen, ist für seine hohe Druck- und Dehnungsfestigkeit bekannt, nicht aber für seine Torsionsfestigkeit. Der Teil des Materials, der mit dem Stift in Berührung kommt, wird jedoch gerade durch die Torsionsbelastung belastet.
Daher muss der Eingriff des Fräswerkzeugs genau untersucht werden, um Delaminierung zu vermeiden und die Oberflächenrauheit zu verfeinern. Zu diesem Zweck werden verschiedene Techniken wie Aufwärts- und Abwärtsfräsen sowie Hochgeschwindigkeitsbearbeitung eingesetzt.
Abschleifende Natur :
Kohlefasern sind sehr zäh und abrasiv, was dazu führen kann, dass sich herkömmliche Schneidwerkzeuge schnell abnutzen. Oft sind Spezialwerkzeuge aus Wolframkarbid oder Diamant erforderlich, um dem zu widerstehen.
Darüber hinaus können die bei der Bearbeitung von Verbundwerkstoffen entstehenden Späne problematisch sein, da sie nicht nur abrasiv, sondern auch klebrig und schwer zu entfernen sind. Sie können die bearbeiteten Oberflächen beschädigen, die Werkzeuge verstopfen und zu unerwünschten Vibrationen führen. Eine CNC-Maschine mit integriertem effizientem Spänemanagement ist für die Aufrechterhaltung der Bearbeitungsqualität von entscheidender Bedeutung.
Hitzeempfindlichkeit von EPOXYDEN :
Einige Verbundwerkstoffe reagieren empfindlich auf die bei der Bearbeitung entstehende Hitze. Harze verformen sich normalerweise nicht vor 290 °C. Bei einigen Bearbeitungsfunktionen wie dem Fräsen können jedoch lokale Temperaturen um 900 °C erreicht werden, wenn nichts unternommen wird, um den Temperaturanstieg zu begrenzen. Der Wärmestau kann dann zu Verformungen, Beschädigungen oder Änderungen der Materialeigenschaften führen.
Spezielle Techniken, wie die Verwendung von Kühlmitteln oder Hochgeschwindigkeits-Trockenbearbeitung, und Temperatursensoren sind erforderlich, um die strukturelle Integrität des Materials zu erhalten.
Die Entwicklung der Methoden zur Bearbeitung von Verbundwerkstoffen
Angetrieben durch das große Potenzial dieser Materialien hat sich die Bearbeitung von Verbundwerkstoffen im Laufe der Jahre erheblich weiterentwickelt.
Das Fräsen von Verbundwerkstoffen
Während herkömmliche Bearbeitungsmethoden wie Bohren und Fräsen zu Rissen und Schäden an Verbundwerkstoffteilen führten, hat ein innovatives Unternehmen der CNC-Bearbeitungsbranche wie MÉCANUMÉRIC Maschinen und Methoden entwickelt, um die Herausforderung der Bearbeitung dieser Materialfamilie zu meistern und gleichzeitig die Anforderungen der Luftfahrtindustrie zu erfüllen.
Die 3-achsige Schneid- und Fräsmaschine MECAPRO NL, die für den intensiven industriellen Einsatz konzipiert wurde, ist ein perfektes Beispiel dafür. Mit Katalogabmessungen von bis zu 7.610 x 2.600 mm Nutzhub (oder mehr bei Sonderanfertigungen) verfügt sie über die fortschrittlichen Funktionen, die für die Bearbeitung von Verbundwerkstoffen erforderlich sind:
- Hochgeschwindigkeitsbearbeitung,
- Schmierung,
- die Absaugnase für das Spänemanagement,
- die Vakuumplatte zum Halten der Werkstücke
- die Steuerung der Leistung und der Vorschubgeschwindigkeit der Spindel.
- Vibrationsstoßsensoren mit Warnhinweis,
- Temperatursensoren mit Warnhinweis.
Das Wasserstrahlschneiden von Verbundmaterialien
Gleichzeitig haben neue Schneidtechnologien wie Wasserstrahlschneidemaschinen die Entwicklung vibrationsfreier Bearbeitungsverfahren ermöglicht, die qualitativ hochwertige Ergebnisse liefern.
Die CNC-Hochdruckwasserstrahlschneidmaschinen der Firma MECANUMERIC ermöglichen die Bearbeitung von sehr widerstandsfähigen technischen Teilen aus Verbundwerkstoffen. Mit reinem Wasser, oder, für die härtesten unter ihnen, mit Abrasivmittel gemischt, führt der präzise und kraftvolle Wasserstrahl selbst bei komplexen Formen einen hochpräzisen Schnitt aus, wobei die Molekularstruktur des geschnittenen Materials vollständig erhalten bleibt. Dies ist eine ideale Lösung für Anwendungen, bei denen es auf enge Toleranzen und eine hochwertige Oberflächenbeschaffenheit ankommt.
Eine Maschine wie die MECAJET bietet nicht nur eine Antwort auf die Probleme bei der Bearbeitung von Verbundwerkstoffen (Anisotropie, Härte und Abrasivität), sondern auch den Luxus, extrem vielseitig zu sein. Sie kann eine breite Palette von Materialien schneiden, von den weichsten bis zu den steifsten, und dabei eine mikrometrische Präzision beibehalten.
Dank der technologischen Meisterschaft von MÉCANUMÉRIC sind Verbundwerkstoffe für die Industrie jetzt leichter zugänglich, mit schnelleren Verarbeitungszeiten und größerer Wiederholbarkeit.
MECANUMERIC: Eine CNC-Bearbeitungslösung für jede Anwendung
Es ist zu beachten, dass die spezifischen Anforderungen je nach Art des Verbundwerkstoffs, der Geometrie des Werkstücks und den Bearbeitungsbedingungen variieren.
Daher ist es wichtig, eine CNC-Bearbeitungsmaschine sowie Bearbeitungsparameter zu wählen, die den spezifischen Anforderungen der geplanten Verbundwerkstoffbearbeitung entsprechen.
MÉCANUMÉRIC ist sich seiner Beratungspflicht gegenüber seinen Kunden bewusst und stellt ihnen den CARE-Service zur Verfügung. Die CARE-Abteilung besteht aus mehr als 20 Personen, die bereits in der Planungsphase eines Projekts eingreifen können. Sie sorgen dafür, dass das Fachwissen und das Know-how von MÉCANUMÉRIC weitergegeben werden, damit jeder Anwender den größtmöglichen Nutzen aus seinen CNC-Maschinen ziehen kann.
Die Testabteilung, die Industrieunternehmen dabei unterstützt, neue Materialien zu verarbeiten oder die Qualität und Bearbeitungszeit ihrer Teile zu verbessern, ist besonders bei komplexen Anwendungen gefragt.
MECANUMERIC beherrscht verschiedene Schneid- und Bearbeitungstechnologien, entdecken Sie eine Präsentation unseres Know-hows und unserer Expertise inFräsen, Wasserstrahl
