Warum setzt die Luft- und Raumfahrtindustrie zunehmend auf die 5-Achs-Bearbeitung?

Früher waren viele der Meinung, dass, 5-Achsen-BearbeitungEs handelt sich lediglich um “etwas hochwertigere Werkzeugmaschinen”. Wenn man sich erst einmal damit beschäftigt hatLuft- und RaumfahrtErst später wurde mir klar, dass es bei vielen Bauteilen nicht darum ging, dass eine “fünfachs-Bearbeitung praktischer wäre”, sondern dass sie ohne fünfachs-Bearbeitung gar nicht hergestellt werden konnten.

Warum hat sich die Luft- und Raumfahrt in den letzten Jahren zunehmend auf die Fünf-Achsen-Bearbeitung verlassen? Der Grund dafür ist ganz konkret: Die Bauteile werden immer komplexer, gleichzeitig aber auch immer leichter, und die Anforderungen an die Präzision steigen stetig.

Zunächst einmal zur wichtigsten Neuerung: die Gewichtsreduzierung.

Ob Flugzeuge, Raketen oder Satelliten – derzeit geht es überall darum, Gewicht einzusparen. Denn selbst eine geringfügige Gewichtsreduzierung kann enorme Auswirkungen auf den Treibstoffverbrauch, die Nutzlast und die Kosten haben. Daher hat sich der Entwicklungstrend bei Flugzeugkomponenten von der bloßen “Herstellbarkeit” hin zu “Leichtigkeit bei gleichzeitig hoher Leistungsfähigkeit” verschoben.

So entstanden zahlreiche komplexe Strukturen.

Beispiele hierfür sind unter anderem komplette Rahmenbauteile, dünnwandige Teile sowie komplexe Kurvenoberflächen, aber auch Laufräder und Laufscheiben einschließlich Verkleidungsstrukturen und so weiter. Viele dieser Teile sehen äußerlich aus, als wären sie “ausgehöhlt”, und weisen im Inneren dünne, dicht angeordnete Versteifungsrippen auf, was die Bearbeitung mit herkömmlichen dreiachsigen Werkzeugmaschinen erheblich erschwert.

Der Grund ist ganz einfach: Das Messer kommt nicht ran.

Im Grunde genommen handelt es sich bei der dreiachsigen Bearbeitung nach wie vor um einen “Zerspanungsvorgang von oben nach unten”, wobei es an Stellen mit komplexen Winkeln, an Seitenflächen sowie in tiefen Aussparungen häufig zu Kollisionen kommt. Um ein Bauteil bearbeiten zu können, muss es unter Umständen mehrfach neu eingespannt werden.

Was ist bei Luftfracht das größte Problem? Nicht die Langsamkeit, sondern die Anhäufung von Fehlern.

Jedes weitere Einspannen führt zu einer zusätzlichen Positionsabweichung. Bei gewöhnlichen Bauteilen mag dies kein großes Problem darstellen, doch viele Bauteile für die Luftfahrt unterliegen von vornherein extrem hohen Präzisionsanforderungen. Die Standards für Lagegenauigkeit, Konturgenauigkeit und Oberflächengleichmäßigkeit sind äußerst streng, und sobald sich die Abweichungen summieren, kann das Bauteil direkt als Ausschuss gelten.

Der größte Vorteil der Fünfachsentechnik besteht darin, dass die Anzahl der Aufspannvorgänge auf ein Minimum reduziert wird.

Durch die Schwenkbewegung der Spindel kann die Maschine das Werkstück aus verschiedenen Winkeln bearbeiten. Bei vielen komplexen Strukturen lassen sich so mehrere Seiten in einer einzigen Aufspannung bearbeiten, was nicht nur die Effizienz steigert, sondern auch für eine gleichbleibendere Präzision sorgt.

Ein weiterer entscheidender Punkt ist, dass sich die Materialien immer schwerer bearbeiten lassen.

In der Luft- und Raumfahrt kommen derzeit in großem Umfang Titanlegierungen, Hochtemperaturlegierungen sowie Kohlefaserverbundwerkstoffe zum Einsatz; diese Materialien haben eines gemeinsam: Sie sind äußerst schwer zu bearbeiten.

Zunächst zur Titanlegierung: Die beim Zerspanen entstehende Wärme konzentriert sich extrem stark, was dazu führt, dass die Schneidwerkzeuge sehr schnell verschleißen; betrachten wir nun die Hochtemperaturlegierungen: Sie weisen eine sehr hohe Härte und eine beträchtliche Zähigkeit auf, was während der Bearbeitung leicht zu Vibrationen des Schneidwerkzeugs führt; bei Verbundwerkstoffen hingegen besteht die Gefahr der Delaminierung, der Faserbildung sowie des Ausbruchs an den Kanten – kurz gesagt, jedes Material hat seine eigenen Schwierigkeiten.

In diesem Moment kommen die Vorteile der fünfachsigen Bearbeitung zum Tragen.

Dadurch kann das Werkzeug stets einen optimaleren Spanwinkel beibehalten, was zu einer Verkürzung des Überstands und einer Verringerung der Vibrationen führt und somit für einen stabileren Zerspanungsprozess sorgt. An vielen Stellen, an denen es zuvor leicht zu Werkzeugverschweißungen, Rüttelspuren und Ausbrüchen am Schneidkantenende kam, verbessert sich der Bearbeitungszustand nach der Optimierung der 5-Achsen-Fräsbahn deutlich.

Ein weiterer Branchentrend ist besonders deutlich zu erkennen: die integrierte Fertigung.

Früher bestanden viele Konstruktionen aus mehreren Einzelteilen, die zusammengesetzt wurden; heute werden zunehmend einteilige Bauteile hergestellt. Der Grund dafür ist, dass das Gewicht umso geringer ist, je weniger Verbindungsstellen vorhanden sind, und dass zudem die Festigkeit und Zuverlässigkeit besser sind.

Allerdings sind solche Bauteile oft groß und komplex aufgebaut, wodurch der Bearbeitungsaufwand exponentiell steigt. Insbesondere bei großen, dünnwandigen Bauteilen besteht bereits bei geringfügigen Kraftungleichgewichten während des Bearbeitungsprozesses eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass es zu Verformungen kommt.

Daher beschränken sich die Anforderungen der Luftfahrtindustrie an 5-Achs-Maschinen mittlerweile nicht mehr nur auf die Fähigkeit zur “synchronen Bewegung”, sondern umfassen auch stabile Leistung, hohe Steifigkeit, hohe dynamische Genauigkeit und darüber hinaus ausgereifte Fräsbahnen sowie Prozesskompetenz.

Viele Leute halten die Fünfachsentechnologie für teuer, doch eigentlich sind nicht die Maschinen das Teure, sondern die fehlgeschlagenen Bearbeitungen.

Luftfahrtkomponenten zeichnen sich durch hohe Materialkosten, einen hohen Zeitaufwand bei der Fertigung und extrem hohe Anforderungen an die Präzision aus. Sollte ein Teil einmal als Ausschuss gelten, sind die daraus resultierenden Verluste mit großer Wahrscheinlichkeit enorm. Im Vergleich dazu gewinnen die Stabilität, die Bearbeitungsleistung und die hohe Ausschussquote, die eine 5-Achsen-Maschine bietet, umso mehr an Bedeutung.

Letztendlich hängt die zunehmende Abhängigkeit der Luft- und Raumfahrtindustrie von der Fünf-Achsen-Bearbeitung nicht damit zusammen, dass diese Technologie “hochentwickelt” ist, sondern damit, dass die Komplexität vieler Bauteile mittlerweile den Leistungsrahmen herkömmlicher Bearbeitungsmethoden übersteigt. Angesichts der immer deutlicher werdenden Trends zu Gewichtsreduzierung, Komplexität und Integration entwickelt sich die 5-Achs-Bearbeitung von einer “High-End-Option” allmählich zu einer “Grundkompetenz” im Bereich der Luftfahrtfertigung.