CNC-Bearbeitung für die Luft- und Raumfahrtindustrie: Anforderungen und Werkstoffe

Die CNC-Bearbeitung ist in der modernen Luft- und Raumfahrtindustrie Standard. Obwohl die ersten Flugzeuge aus Holz und Segeltuch gebaut wurden, stiegen die Anforderungen der Branche, insbesondere hinsichtlich der Steifigkeit. Der breite Einsatz möglichst leichter Legierungen und Polymere ermöglichte es der Branche, mit traditionellen Bearbeitungswerkzeugen wie Fräs- oder Drehmaschinen leichtere Maschinen herzustellen.

Die Revolution durch die Strahltriebwerkstechnologie trieb diese Branche noch weiter voran – nicht nur hinsichtlich der erreichbaren Geschwindigkeit, sondern auch hinsichtlich der Anforderungen an die Präzision der Teilefertigung. Solche Triebwerke sind der einzige Grund für die Entwicklung der CNC-Bearbeitung, die eine hohe Wiederholgenauigkeit der Teile und Präzision der Bearbeitungsprozesse mit engen Toleranzen gewährleisten kann. Seit diesem Zeitpunkt (die erste numerisch gesteuerte Vorrichtung wurde in den 1950er Jahren entwickelt) ist die CNC-Bearbeitung untrennbar mit der Luftfahrtindustrie verbunden.

CNC-Bearbeitung für die Luft- und Raumfahrtindustrie: Spezifikationen und Anforderungen

Die moderne Luft- und Raumfahrtindustrie – sowohl im militärischen als auch im zivilen Bereich – benötigt Teile, die selbst unter anspruchsvollsten Bedingungen stabil und langlebig sind. Hohe Lastschwankungen, lange Einwirkzeiten sehr niedriger oder sehr hoher Temperaturen oder die Anforderung, eine möglichst hohe Wiederholgenauigkeit bei der Fertigung zu erreichen, sind nur einige der Anforderungen an Teile für die Luftfahrtindustrie. Hinzu kommt, dass jedes Teil aus strukturell kohärenten Teilen bestehen und so leicht wie möglich sein sollte.

Daher ist die richtige Auswahl der Materialien und Lieferanten sowie eine gründliche Prüfung jedes einzelnen Werkstücks vor der Bearbeitung von entscheidender Bedeutung. Die genannten Anforderungen stellen hohe Ansprüche an die professionellen CNC-Bearbeitungsdienstleistungen für die Luftfahrtindustrie. Darüber hinaus erfordern solche Anforderungen mehr als „nur“ die bestmöglichen CNC-Bearbeitungsgeräte, sondern auch das Fachwissen und die Erfahrung des gesamten Werkstatt- oder Werkspersonals.

Hochwertige Flugzeugteile können nur in Maschinenwerkstätten hergestellt werden, die eine sehr präzise CNC-Bearbeitung mit perfekt kalibrierten Geräten (Fräsmaschinen, Drehmaschinen, Schleifmaschinen oder EDM-Geräte) und dem Know-how der CNC-Bediener gewährleisten können.

Die perfekte Auswahl der Materialien und strenge Qualitätskontrollen in jeder Phase des Herstellungsprozesses führen zur Produktion von Flugzeugteilen höchster Qualität. Solche Produkte – oft mit komplexen Geometrien und präzise nach Spezifikation gefertigt – können lange und störungsfreie Arbeit über Hunderte und Tausende von Stunden leisten.

Erwähnenswert ist, dass der Einsatz der hochpräzisen CNC-Bearbeitung diesen Prozess kostengünstiger machen kann. Nicht nur aufgrund der typischen Vorteile (eine Erhöhung des Losvolumens kann zu einer Senkung der Stückkosten führen), sondern auch dank der Langlebigkeit, die ein solcher Prozess bietet.

Die Hauptgründe für die hohen Anforderungen an Flugzeugteile und deren Hersteller lassen sich am besten am Beispiel der Rotorblätter moderner Düsentriebwerke veranschaulichen:

• Solche Teile arbeiten unter extremen Bedingungen – auf der einen Seite herrscht sehr kalte Luft (Verkehrsflugzeuge fliegen in einer Höhe zwischen 33.000 und 42.000 Fuß / 10 bis fast 13 Kilometer über dem Meeresspiegel), auf der anderen Seite eine sehr heiße Umgebung (aufgrund der Verbrennung im Triebwerk),
• sie sind kontinuierlich hohen Kräften (in alle Richtungen) ausgesetzt
• die perfekt ausbalanciert sein müssen, um eine optimale Effizienz zu gewährleisten und Schäden an anderen Elementen zu vermeiden. Selbst kleinste Abweichungen in der Masse oder Kristallstruktur einer Legierung können zu katastrophalen Ausfällen führen.
• Die Auswahl der Werkstoffe für die CNC-Bearbeitung in der Luft- und Raumfahrt – selbst wenn diese in der Spezifikation klar beschrieben ist – sollte erneut überprüft werden, und die Werkstoffe für die Fertigungsprozesse sollten einer gründlichen Qualitätskontrolle unterzogen werden, um die bestmögliche Kristallstruktur der jeweiligen Charge zu gewährleisten. Durch solche redundanten Qualitätskontrollen kann das bestmögliche Material für die Fertigungsprozesse bereitgestellt werden.

Aus diesem Grund ist Präzision in Verbindung mit der Erfahrung und dem Wissen der CNC-Bediener ein Muss in den Teilefertigungsprozessen für die Luftfahrtindustrie. Einerseits sind die Teile selbst teuer, andererseits entsprechen der Arbeitsaufwand und die Verantwortung diesen Anforderungen.

CNC-Bearbeitung: untrennbar mit der Luft- und Raumfahrtindustrie verbunden

Derzeit ist die CNC-Bearbeitung in fast allen Branchen, die sich auf die Herstellung großer Stückzahlen von Bauteilen konzentrieren, Standard. Obwohl diese Technologie aufgrund eines Auftrags der US-Luftwaffe entwickelt wurde, verbreitete sie sich fast von Anfang an auch in anderen Branchen. Nicht nur in der Luft- und Raumfahrtindustrie.

Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology entwickelten das erste CNC-Gerät zur Herstellung von Teilen für – damals noch hochmoderne – Düsentriebwerke. In den 1950er Jahren steckte diese Technologie noch in den Kinderschuhen, und die ersten Herausforderungen im Zusammenhang mit dem neuen Antriebssystem für Flugzeuge standen in engem Zusammenhang mit der Präzision der Fertigung. Die von MIT-Wissenschaftlern entwickelte Technologie ermöglichte es, in kürzester Zeit wiederholbare Teile zu liefern.

Dies ermöglichte eine schnellere Entwicklung von Düsentriebwerken und der gesamten Branche – damals hauptsächlich militärisch, aber die Technologie fand auch Eingang in die zivile Avionik und trug zur Steigerung der Effizienz der Fertigungsprozesse bei (bei gleichbleibender Kosteneffizienz). Mit anderen Worten: Ohne die CNC-Bearbeitung würde die heutige Luftfahrtindustrie nicht so aussehen. In gewisser Weise sogar die ganze Welt.

Art der numerisch gesteuerten Bearbeitung, die bei der Herstellung von Teilen für die Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet wird

Die Teilefertigung für die Luftfahrtindustrie – Propeller, Leichtflugzeuge, Fahrwerkskomponenten und Düsen – wird derzeit hauptsächlich mit CNC-Geräten durchgeführt. Selbst Teile aus Polymeren oder Verbundwerkstoffen werden mit numerisch gesteuerten Bearbeitungsmaschinen auf die gewünschte Größe und Form zugeschnitten. Dies geschieht vor allem, um die Fehlerwahrscheinlichkeit zu minimieren und die bestmögliche Arbeitspräzision zu gewährleisten.

Zu den am häufigsten verwendeten CNC-Bearbeitungstechnologien für die Luft- und Raumfahrtindustrie zählen:

• CNC-Bearbeitung für Luft- und Raumfahrtteile – ist eine der wichtigsten, wenn nicht sogar die wichtigste Bearbeitungsart für diese Branche (und viele andere). Moderne Geräte (die eine 2- und 3-Achsen-Bearbeitung und sogar eine 5-Achsen-CNC-Bearbeitung für komplexere Prozesse ermöglichen) ermöglichen die schnelle Formgebung fast aller Arten von Luft- und Raumfahrtkomponenten. Von der Bearbeitung von Turbinenschaufeln und Motorblöcken mit mehreren Zylindern bis hin zu Sitzrahmen und Cockpitausrüstung. In diesen Anwendungen werden CNC-Fräsmaschinen seit Jahrzehnten eingesetzt.
• CNC-Drehen – wird zur Herstellung zylindrischer Objekte verwendet. Wird häufig bei der Herstellung von Antriebswellen oder Bolzen zur Verbindung größerer Systeme eingesetzt, die oft hohen Belastungen ausgesetzt sind.
• CNC-Schleifen und -Schleifen – wird verwendet, um eine glasartige Oberflächenbeschaffenheit von Teilen zu erzielen. Wird häufig als Teil der Vorbereitung für die weitere Bearbeitung von Teilen verwendet, z. B. zur galvanischen Veredelung, um der Oberfläche zusätzliche Eigenschaften zu verleihen. Beispielsweise kann die Eloxierung von Aluminium die Festigkeit und Langlebigkeit von Teilen verbessern, indem ihre Struktur mit einer dünnen (aber harten) Schicht aus künstlich erzeugtem Oxid geschützt wird (eine solche Schicht hat eine starke Korrosionsbeständigkeit).
• EDM (Elektroerosion) wird häufig bei der Herstellung von Flugzeugkomponenten mit komplexen inneren Strukturen eingesetzt. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung monolithischer Teile, die mit Mehrachsenfräsmaschinen nicht hergestellt werden können.
• Laserschneiden und Lasermarkieren – ermöglicht das Anbringen temporärer Markierungen auf der Oberfläche von Teilen. Dies ist aus Sicht der Montage- und Wartungsteams sehr wichtig, da sie auch verschlissene Elemente identifizieren können müssen. Darüber hinaus ermöglicht das Laserschneiden das präzise Schneiden großer Teile des Flugzeugrumpfs, selbst wenn diese aus Polymeren bestehen.

In der Luft- und Raumfahrt verwendete Werkstoffe für bearbeitete Teile

Die Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet seit ihren Anfängen die leichtesten Materialien, die verfügbar sind. Diese Auswahl ermöglichte den Start und – mit der Zeit – schnellere und höhere Flüge. Balsa und Segeltuch, die anfangs verwendet wurden, wurden durch Aluminium, Titan, Glasfasern und eine Vielzahl von Polymeren und Verbundwerkstoffen ersetzt. Alle diese Materialien zeichnen sich durch ein geringes Gewicht und sehr gute mechanische Eigenschaften aus.

Die heutigen CNC-Luft- und Raumfahrtteile werden aus folgenden Materialien hergestellt:

• Aluminiumlegierungen – insbesondere die Serien 6xxx und 7xxx (oft als „Luftfahrtaluminium“ bezeichnet) und Speziallegierungen aus der Serie 8xxx. Dieses Material hat ein sehr gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, weshalb es zu einem der Standards in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Verteidigungsindustrie geworden ist. Darüber hinaus können Teile aus diesen Legierungen durch galvanische Verfahren verbessert werden. Aluminiumlegierungen sind sehr gut bearbeitbar, was sie zu einem perfekten Werkstoff für viele Branchen macht – darunter auch die Luftfahrt. Solche Legierungen können in Flugzeugzellen (z. B. besteht die Flugzeugzelle der F-16 zu 80 % aus Aluminium) und sogar in kleinen Elementen im Cockpit oder in Gepäckfächern verwendet werden.
• Titanlegierungen – ein immer beliebter werdendes Material. Obwohl es anfangs nur in den modernsten (und teuersten) Maschinen wie der SR-71 (dieses Flugzeug war ein perfektes Beispiel für die Verwendung von Titan) verwendet wurde, wird es heute oft als die richtige Legierung für moderne zivile und militärische Flugzeuge ausgewählt (z. B. bestehen über 40 % der F-22 Raptor aus Titanlegierungen). Diese Legierungen bieten sehr gute mechanische Eigenschaften und ein geringes Gewicht. Aufgrund ihrer hohen Kosten werden Flugzeugteile aus Titan meist für militärische Zwecke hergestellt.
• Superlegierungen – oft als hitzebeständige Superlegierungen bezeichnet – werden in der Herstellung von Düsentriebwerken verwendet, z. B. für Gasturbinenschaufeln. Sie bestehen aus Legierungen von Eisen, Nickel und Kobalt und sind schwerer als Aluminium, aber widerstandsfähiger gegen die Hitze im Triebwerk.
• Verbundwerkstoffe – eine breite Palette von Materialien, zu denen (in einigen Klassifikationen) sogar Hochleistungskunststoffe gehören. Aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer ausreichend guten mechanischen Eigenschaften werden sie zur Herstellung von Flugzeugzellen oder Flugzeugausrüstung verwendet.

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