Werkzeugbeschichtung Diamantbeschichtete Werkzeuge erhöhen die Standzeit

Mit Platz für 555 Passagiere ist der Airbus A380 das neue Verkehrsflugzeug der Superlative. Er ist nicht nur aus Hightechmaterialien gefertigt, sondern auch seine Produktion ist auf dem aktuellen Stand. Dank optimierter Werkzeuge konnten in den Airbus-Werkstätten die Standzeiten beim Bohren von CFK-Metallverbunden um rund 450% erhöht werden – bei geringen Bohrungstoleranzen und Grathöhen.

Anbieter zum Thema

Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH

FORCAM ENISCO GmbH

Mikron Switzerland AG, Division Tool

CemeCon AG

Die Erfolge der Luftfahrtindustrie beruhen unter anderem auf der engen Zusammenarbeit von Spezialisten: Bei der Bearbeitung von Faserverbundwerkstoffen spart Airbus in Stade und Hamburg dank diamantbeschichteter Vollhartmetallbohrer, die in Kooperation mehrerer Firmen entwickelt wurden, Zeit und Geld. Diese Einsparungen sind wichtig, denn im globalen Wettbewerb stehen günstige Fertigungskosten beim Flugzeugbau obenan – genauso wie höchste Sicherheit und Langlebigkeit sowie reduzierter Kraftstoffverbrauch. Daher setzen Konstrukteure auf Leichtbaumaterialien wie weiterentwickelte Aluminiumlegierungen (AlSi) und kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe. CFK etwa macht am Strukturgewicht des neuen A380 mittlerweile 22% aus.

Werkzeuge wurden genau auf den Einsatzzweck abgestimmt

Dieses Material ist allerdings in der Zerspanung sehr anspruchsvoll, insbesondere bezogen auf den Werkzeugverschleiß beim Bohren von Mischpaketen aus CFK, Aluminium und Titan im Hamburger A380-Montagewerk. Um diese Zerspanaufgabe mit akzeptablen Standzeiten und bestmöglichen Qualitäten zu erfüllen, mussten die Werkzeuge optimiert werden. Dazu wandte sich Airbus an den Werkzeughersteller Klenk, der in einem Gemeinschaftsprojekt unter der Leitung der TU Hamburg-Harburg zusammen mit dem Schweizer Hartmetallspezialisten Extramet und dem Beschichtungsexperten Cemecon geeignete Werkzeuge entwickelte. Diese wurden in puncto Substrat, Geometrie und Beschichtung genau auf die Einsatzgebiete abgestimmt.

Der A380 verfügt über zwei Ebenen. Die Fußbodenquerträger des Upper Decks sind aus CFK und müssen mit der tragenden Struktur, in dem Fall den Spanten aus Aluminium, verbunden werden. Bei der Zerspanung dieser Materialkombination ergab sich mit unbeschichteten Bohrern eine Standmenge von lediglich 90 Bohrungen. Nach der Beschichtung mit einer individuell angepassten Variante des Schichtwerkstoffes CC-Dia-Fiberspeed wurden in ersten Zerspanungstests 500 Bohrungen erreicht – ohne Versagen des Bohrers oder der Beschichtung.

Mit dem Einsatz diamantbeschichteter Werkzeuge konnten bei diesem Anwendungsfall die Standzeiten um rund 450% erhöht werden. Dies wurde durch optimierte Haftungsmechanismen der Beschichtung auf dem Hartmetall erreicht. Ergebnis ist ein stark reduzierter Umfangsverschleiß des Bohrers. Geringere Wechselzeiten sowie erhebliches Einsparpotenzial bei den Werkzeugbeschaffungskosten sorgen darüber hinaus für drastisch gesteigerte Wirtschaftlichkeit der Fertigung bei gleichzeitig höchster Fertigungsqualität.

Beim Flügel des Airbus-Militärtransporters A400M ist die Herstellung von Nietbohrungen mit Durchmessern bis 10 mm für die Verbindung von Stringern und Flügelhaut notwendig. Stringer sind Längsversteifungen im Leichtbau und erhöhen die Steifigkeit von großen, flächigen Bauteilen. Stringer und Flügelhaut sind aus CFK-Werkstoffen und sollen gemeinsam in einem Prozessschritt gebohrt werden. Dabei ist es wichtig, Delaminationen, das heißt Ablösungen der äußeren Materialschichten, zu vermeiden. Mit unbeschichteten oder PVD-beschichteten Bohrern konnte die von Airbus geforderte hohe Genauigkeit in der Toleranzklasse H8 nicht erreicht werden.

Als leistungsfähige Beschichtungslösung erwiesen sich Diamant-Multilayer der CC-Dia-Reihe: Kompromisslos hart, können die mit ihren beschichteten Bohrer dem stark abrasiven Verschleiß durch CFK Paroli bieten. Darüber hinaus ist Diamant auch beständig gegen chemische Einflüsse, was unter anderem eine Adhäsion des Werkstückstoffes verhindert.

Mehr Produktivität durch höhere Werkzeugstandzeit

Aber nicht nur Sandwich-Werkstoffe sind wichtig im Flugzeugbau, auch Aluminium ist nach wie vor ein gefragtes Material. So werden monolithische Aluminiumteile im Cockpit und für den Übergang zwischen Rumpf und Tragfläche benötigt. Ziel bei Airbus war es, deren Stabilität zu erhöhen, wozu das Unternehmen sich an den Werkzeughersteller Jabro Tools wandte. Um die Prozessstabilität beim Fräsen zu steigern sowie die Werkzeugstandzeit und damit die Produktivität zu erhöhen, arbeitete Jabro Tools sehr eng mit der Fertigungsabteilung von Airbus Méaulte zusammen.

Die gemeinsam entwickelten Werkzeuge wurden in der Fertigung von Airbus Méaulte eingesetzt. Nach ersten Tests stellte sich heraus: Die Aluminium-Aufschmierungen hatten zur Folge, dass die Drehmomente während des Fräsvorgangs immer weiter anstiegen. Diese Aufschmierungen beeinflussten die Struktur des zu zerspanenden Materials und dadurch die Werkzeugstandzeit sehr negativ. Deshalb wurden folgende Anforderungen definiert: Doppelte Werkzeugstandzeit, um die Produktivität zu erhöhen, aber auch, um einen stabilen Fertigungsprozess zu erreichen.

Cemecon entwickelte für die Seco-Jabro-VHM-Fräser die spezifisch angepasste Mega-T-Beschichtung. Auch die Vorbehandlung der Werkzeuge wurde unter die Lupe genommen und es wurde ein Verfahren entwickelt, das die Aluminium-Anhaftung verringert. Ebenso wurde das Handling der Werkzeuge innerhalb des Airbuswerkes optimiert, um höchste Genauigkeit beim Fertigungsprozess zu erreichen.

Manfred Weigand ist Produktmanager Round Tools bei der Cemecon AG, 52146 Würselen, Tel. (0 24 05) 44 70-1 00, Fax (0 24 05) 44 70-1 99, info@cemecon.de

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