HSM Die Bliskproduktion fordert das Bearbeitungszentrum heraus

Die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSM) ermöglicht höhere Produktivität und Leistung, geringere Standzeiten und niedrigere Kosten. Diese Faktoren sind besonders bei der Fertigung von Flugzeugmotoren von Bedeutung, denn laut Prognosen werden bis 2036 in etwa 83.000 neue Motoren benötigt.

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Die Blisk-Produktion ist ein anspruchsvoller Prozess, bei dem normalerweise dünne Stärken und enge Durchflusskanäle in Verbindung mit einer hohen Oberflächengüte erforderlich sind. Dies erfordert komplexe Geometrien und eine präzise Kontrolle der Konturen- und Oberflächenqualität, wodurch sich lange Bearbeitungszeiten ergeben. All dies stellt hohe Anforderungen an das Bearbeitungszentrum, die CAD/CAM-Systeme und die Schneidwerkzeuge, und damit sind neue und effizientere Bearbeitungstechnologien gefordert.

Beim Design von Blisk-Komponenten werden normalerweise Materialien eingesetzt, die über eine hohe spezifische Festigkeit verfügen, wie beispielsweise Titan oder nickelbasierte Legierungen. Bei herkömmlichen Bearbeitungsmethoden kommen konventionelle Schruppverfahren zum Einsatz, gefolgt von einer stufenweisen Endbearbeitung, wobei das Material selbst als Versteifung dient. Diese Methoden bergen eine Reihe von Nachteilen. Aufgrund der Geometrie von Luftleitblechen müssen Werkzeuge mit einem großen Überhang eingesetzt werden; allerdings erzeugen diese ein höheres Schnittdrehmoment, was zum Flattern führt. Daher muss die Endbearbeitung stufenweise erfolgen, wobei möglichst viele Werkzeuge mit kurzem Überhang eingesetzt werden. Dies wiederum hinterlässt bei jedem Schritt eine Spur. Daneben führen Fräswerkzeuge oft zu Riefen am Luftleitblech an der Stelle, wo die Drehachse die Richtung ändert. Diese Nachteile führen zu Nachbearbeitungen wie beispielsweise Polieren, wodurch sich die Gesamtfertigungszeit verlängert. Makino konnte bei der 5-Achs-Hochgeschwindigkeitsbearbeitung sowohl beim Schruppen als auch beim Vor- und Endschlichten von Blisks erhebliche Fortschritte erzielen. Die Strategie umfasst die Optimierung von drei wichtigen Bereichen der Blisk-Herstellung: CAD/CAM-Programmierung, Werkzeugstrategie und Bearbeitungsprozess.

Dynamische Steuerung für gleichmäßige 5-Achs-Bewegungen

Zu den wichtigsten Eigenschaften einer optimierten CAD/CAM-Programmierung für HSM gehören die Optimierung des Betriebs in Bezug auf die Spandickensteuerung, die dynamische Steuerung der Nebenbewegungen und die Werkzeugvektorsteuerung für gleichmäßigere, dynamische 5-Achs-Bewegungen. Zusätzlich muss auch die Programmierung für den Einsatz von kundenspezifischen Schneidwerkzeugen optimiert werden.

Die Werkzeugstrategie spielt bei HSM sowohl beim Schruppen als auch bei der Endbearbeitung eine große Rolle. Für leichtere oder sanftere Methoden, wie beispielsweise trochoidale Frässchritte, sind neue Spitzentechnologien erforderlich. Die optimierten, technologisch führenden Geometrien erzeugen geringere Schnittkräfte, und unregelmäßige Zahnabstände verringern ein mögliches Flattern. Polierte Spannutengeometrien erzeugen weniger Reibung und entfernen gleichzeitig mehr Späne. Neue Beschichtungen und Materialien, wie beispielsweise beschichteter Kohlenstoff, Keramik, polykristalliner Diamant (PDC) oder kubisches Bornitrid (cBN) bieten weitere Vorteile für HSM, besonders bei schwer zu schneidenden Materialien wie Titan und Nickellegierungen.

Kundenspezifische Schnittkantenformen verringern die Anzahl der benötigten Fräsdurchgänge. So kann beispielsweisedurch den Einsatz eines tonnenförmigen Schaftfräsers bei der Hochgeschwindigkeits-Endbearbeitung die Anzahl der Durchgänge erheblich verringert werden, da ein höherer Radius als bei einem kugelförmigen Schaftfräser verwendet wird. Bei vergleichbaren Fräsbedingungen bietet diese Endbearbeitungsmethode im Vergleich zu herkömmlichen Methoden eine Verbesserung von nahezu 40 %.

Natürlich spielen Bearbeitungszentren eine wichtige Rolle bei der effizienten HSM-Bearbeitung von Blisks. Diese äußerst anspruchsvolle Technologie belastet die Maschinen stark, insbesondere Komponenten wie Führungen und Spindeln. Um eine langfristige Zuverlässigkeit sicherzustellen, gehören zu den wichtigsten Charakteristika einer Makino-Maschine ein intelligentes, steifes Design, ein hochflexibler, durch einen Direktantriebsmotor gesteuerter Drehtisch, eine geeignete Spindeltechnologie, eine schnelle, präzise CNC-Steuerung, eine hohe Maschinenverfügbarkeit und eine Kollisionsschutzfunktion. Makino hat zwei vertikale Bearbeitungszentren im Angebot, die alle genannten Vorbedingungen erfüllen: die DA300 für Durchmesser bis zu 450 mm und die D500 für Durchmesser bis zu 650 mm.

Die Makino Blisk-Produktionstechnologie ist nicht auf agile Bearbeitungszentren beschränkt. Zur Ergänzung der Dynamik und Fähigkeiten der Maschinen stehen mehrere intelligente Funktionen zur Verfügung, wie beispielsweise Super Geometric Intelligence (Super GI), Inertia Active Control und Collision Safeguard. Die Vorteile dieser Technologien für die Blisk-HSM-Fertigung sind eine bessere Oberflächengüte und eine kürzere Bearbeitungszeit. Die tatsächliche Vorschubrate verlangsamt sich bei herkömmlichen Maschinen gegenüber der programmierten Vorschubrate, insbesondere an den Vorder- und Hinterkanten. Die Super GI.5 Bewegungssteuerung stellt eine konstante tatsächliche Vorschubrate der Maschine sicher und ermöglicht gleichzeitig die Einhaltung der erforderlichen hohen Oberflächengüte ohne Riefen; damit besteht keine Notwendigkeit für eine manuelle Nachbearbeitung, und die Zeit für das Gleitschleifen wird verkürzt, denn es sind keine ständigen Beschleunigungs- und Verzögerungsbewegungen erforderlich.

Zu den weiteren intelligenten Funktionen gehört Inertia Active Control (IAC), wodurch schnellere Maschinenbewegungen aufgrund dynamischer Attribute möglich werden. IAC erhält Rückmeldungen von den Servomotoren und stellt die Beschleunigung und Verzögerung jeder spezifischen Palette optimal ein.

Echtzeit-Kollisionsschutzsystem für 5-Achs-Anwendungen

Zusätzlich zur verbesserten Produktivität wurde mit Collision Safe Guard ein technologisch führendes Sicherheitssystem eingeführt. Dabei handelt es sich um ein Echtzeit-Kollisionsschutzsystem, das insbesondere bei 5-Achs-Anwendungen wichtig und effektiv ist.

Statistisch betrachtet ist die Kollision die häufigste Ursache für Spindelschäden. Die bedeutendsten Einzelfaktoren sind menschliche Fehler bei der Bedienung, Einstellung, Bearbeitung, Rüstung und beim Einspannen: Fehler, die an der Maschine selbst auftreten. Das Kollisionsschutzsystem berücksichtigt reale Bearbeitungsbedingungen, um Kollisionen zu verhindern.

Das International Centre for Turbomachinery Manufacturing (ICTM) in Aachen arbeitet mit Makino zusammen, um das Design der Turbomaschinenfertigung der nächsten Generation zu entwickeln. Die Initiatoren des ICTM sind die Fraunhofer Institute für Produktionstechnologie (IPT) und Lasertechnologie (ILT) mit Sitz in Aachen sowie das Werkzeugmaschinenlabor (WZL) und der Lehrstuhl für Lasertechnik (LLT) der RWTH Aachen University. Aufgrund des prognostizierten Bedarfs von etwa 83.000 neuen Motoren bis 2036 für neue Flugzeugmodelle wie den Airbus A320neo oder die C Series ist die Optimierung und Weiterentwicklung der heutigen Fertigungsprozesse von großer Bedeutung.

Dr. Sascha Gierlings vom Fraunhofer-IPT meint dazu: „Die Perfektionierung der Prototyp-Phase ist entscheidend, damit die steigende Nachfrage nach Motorkomponenten befriedigt werden kann. Das Design wird immer komplexer, und eine auf echte Anwendungen ausgerichtete Forschung ist der Schlüssel zum Erfolg, wenn es darum geht, unsere rechnergestützten Diagramme der modernsten Blisk-Architektur in der realen Fertigung umzusetzen. In diesem Bereich spielen unsere Partner aus der Industrie eine Schlüsselrolle!“

* Weitere Informationen: Makino Europe GmbH in 73230 Kirchheim unter Teck, Tel. (0 70 21) 50 30, info@makino.eu

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