Oberflächentechnik Festwalzen dünnwandiger Rohre optimiert Rohrinnenoberfläche

Autor / Redakteur: Prof. Dirk Biermann, Hendrik Abrahams und Moritz Fuß / Stéphane Itasse

Forscher der TU Dortmund haben einen Versuchsaufbau zum Festwalzen dünnwandiger unbeschichteter und beschichteter Rohre entwickelt. Hierbei sollte eine Lösung für Brauchwassersysteme in Luftfahrzeugen generiert werden. Bisher kann es zur Bildung von Biofilmen kommen, die den Rohrquerschnitt verringern.

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Bild 1: Ein Flugzeug enthält circa 60 m Abwasserrohre. Wenn sich darin Biofilme bilden, bedeutet das einen hohen Wartungsaufwand. Forscher versuchen, das durch das Festwalzen der Rohrinnenoberfläche zu verhindern.
Bild 1: Ein Flugzeug enthält circa 60 m Abwasserrohre. Wenn sich darin Biofilme bilden, bedeutet das einen hohen Wartungsaufwand. Forscher versuchen, das durch das Festwalzen der Rohrinnenoberfläche zu verhindern.
(Bild: Airbus)

Die Anhaftung von Biofilmen in den Wasserrohren im Luftfahrtbetrieb stellt eine große Schwachstelle dar. Das mikrobielle Wachstum führt zu einer Verringerung des Rohrquerschnittes. Im Abwasserbereich, wo eine sehr starke Belastung vorliegt, resultieren aus diesem Effekt zahlreiche Probleme. Aufgrund von Verstopfungen ist eine Reinigung oder sogar ein Austausch des betroffenen Segmentes erforderlich, wodurch Stillstandzeiten und hohe Kosten entstehen [1]. Im Rahmen des Verbundprojektes „Nemako – Neue Materialien zur Korrosionsvermeidung in der Luftfahrt“ wird versucht, die Anfälligkeit der gefährdeten Oberflächen gegenüber der Bildung von Biofilmen zu verringern.

Festwalzen dünner Rohre erfordert Entwicklung geeigneter Vorrichtungen

Neben der Entwicklung und Aufbringung geeigneter Beschichtungen wird hierbei auch das Festwalzen der Oberfläche betrachtet (Bild 1). Die eingesetzten Rohre haben dabei eine Wandstärke von etwa 0,7 mm. Um eine ausreichend hohe Festwalzkraft aufbringen zu können, mussten zunächst geeignete Vorrichtungen entwickelt werden.

Um bezüglich der Bauteillänge eine hohe Flexibilität zu gewährleisten, wurden die Versuche auf einer Tiefbohrmaschine des Typs Giana GGB 560 durchgeführt. Diese Maschine ist für die Bearbeitung von Bauteilen mit einer Länge von bis zu 3 m ausgelegt. Neben dem konventionellen Tiefbohren ist die Maschine auch für die Feinbearbeitung vorhandener Bohrungen durch einen Schäl- oder einen Glatt- beziehungsweise Festwalzprozess geeignet. In den Bildern 2 bis 4 ist die Versuchsmaschine mit den verwendeten Vorrichtungen dargestellt.

Ummantelung verhindert Aufweiten der Rohre beim Festwalzen

Die sehr geringe Wandstärke der Bauteile erforderte die Entwicklung von darauf abgestimmten Vorrichtungen. Hierbei wurden Spannaufsätze gefertigt, zwischen denen das Rohr gespannt werden kann. Diese Aufsätze sind mit einer Bohrung ausgeführt, die dem Außendurchmesser der Rohre entspricht. Darüber hinaus wurde ein Absatz integriert, an dem die Rohre stirnseitig anliegen. Damit das Werkzeug das Rohr über die gesamte Länge bearbeiten kann, ist dieser Absatz mit einer Höhe von 0,5 mm, also 0,2 mm kleiner als die Wandstärke der Rohre ausgeführt. Des Weiteren wurde eine Ummantelung gefertigt. Diese verhindert ein unkontrolliertes Aufweiten des Rohres bei den hohen radial wirkenden Walzkräften. Diese Ummantelung ist mit sechs Nuten am Umfang hergestellt worden, um das Spannen und Lösen zu vereinfachen.

Im Rahmen der Versuche wurden Mehrrollen-Festwalzwerkzeuge des Unternehmens Ecoroll AG eingesetzt. Diese Werkzeuge sind mit acht über den Umfang verteilten Walzkörpern ausgeführt. Die Walzkörper werden dabei in einem Käfig geführt. Der Werkzeugdurchmesser kann in einem Bereich von –0,1 mm bis +0,4 mm vom Nenndurchmesser variiert werden. Die zu bearbeitenden Rohre hatten einen Innendurchmesser von 49,4 mm. Daher wurde ein Werkzeug mit einem Nenndurchmesser von 49,5 mm verwendet.

Beschichtete Rohre stellen besondere Anforderungen an das Festwalzen

Darüber hinaus wurde das Festwalzen dünnwandiger beschichteter Rohre untersucht. Dieser Prozess stellt besondere Anforderungen an die verwendeten Werkzeuge und an den Versuchsaufbau. Analog zu dem Festwalzen unbeschichteter Rohre ist hierbei eine Ummantelung erforderlich, um einer plastischen Deformation in Form einer Aufweitung entgegenzuwirken. Darüber hinaus ist die Festwalzkraft, die durch das Werkzeug auf die Oberfläche übertragen wird, so zu wählen, dass nur die Schicht plastisch verformt wird.

Wenn der Substratwerkstoff zu fließen beginnt, ist mit einer Verschlechterung der Schichthaftung und gegebenenfalls mit Schichtabplatzungen zu rechnen. Aus diesem Grund wurden die entsprechenden Versuche nicht mit einem weggeregelten Mehrrollenfestwalzwerkzeug, sondern mit einem kraftgeregelten hydrostatischen Festwalzwerkzeug durchgeführt (Bild 5 bis 7).

Hochdruckpumpe erzeugt Druck für das Festwalzwerkzeug

Für den Betrieb dieses Werkzeugs wird mit einer Tauchpumpe Tiefbohröl aus einem Tank gefördert und einer Hochdruckpumpe zugeführt. Bei dieser Hochdruckpumpe kann ein Druck zwischen 15 und 200 bar eingestellt werden. Der jeweilige Druck wird auf die zwei Walzkörper des hydrostatisch arbeitenden Festwalzwerkzeugs übertragen. Ein Druck von 15 bar entspricht einer Walzkraft von circa 150 N.

In den Versuchen wurden Titanrohre nach der Norm ASTM B 338 als Werkstücke eingesetzt. Hierbei handelt es sich um geschweißte Titanrohre vom Grade 2. Die Rohre haben einen Außendurchmesser von 50,8 mm und eine Wandstärke von 0,7 mm. Sie sind identisch mit den Rohren, die im Flugzeugbau für das Abwassersystem verwendet werden. Hierbei beträgt die übliche Rohrlänge 1 m. Im Rahmen der Versuche wurde aus Kostengründen eine Bauteillänge von 0,3 m bearbeitet.

Die Rohre wurden zusätzlich mit einer Beschichtung versehen. Hierbei handelt es sich um eine galvanisch aufgebrachte Silberbeschichtung, bei der Ruthenium-Partikel in die Oberfläche eingebettet wurden (Markenname: AGXX). Aufgrund dieses Aufbaus bildet die Schicht an ihrer Oberfläche mikroelektrische Felder, die Mikroorganismen abtöten und somit die Bildung von Biofilmen verhindern [2]. Die Schicht ist somit eine zielführende Möglichkeit, um Anhaftungen in Abwasserrohren zu vermeiden.

Walzgeschwindigkeit, Vorschub und Walzübermaß entscheidende Parameter beim Festwalzen

Neben der Entwicklung geeigneter Vorrichtungen zum prozesssicheren Spannen der dünnwandigen Werkstücke während des Prozesses ist die Auswahl der Prozessparameter von entscheidender Bedeutung für das Prozessergebnis. Hierbei haben sowohl die Walzgeschwindigkeit und der Vorschub als auch das Walzübermaß einen großen Einfluss. Bei einem zu großen Walzübermaß tritt neben der Verfestigung der Randzone ein Materialfluss auf. Dieser bewirkt bei den sehr dünnen Bauteilen eine Längung in axialer Richtung. Da die Rohre eine sehr geringe Steifigkeit besitzen, kann dies zum Ausknicken des Bauteils in den Bereichen, die nicht ummantelt sind, führen. In Bild 8 ist ein Beispiel für diesen Effekt dargestellt.

Der zu große Materialfluss bewirkt eine Längung des Rohres. Da dieses in axialer Richtung in beiden Spannaufsätzen anliegt, kommt es zu einem Ausknicken des Bauteils. Dieses führt neben dem produzierten Ausschussbauteil zu einer radial wirkenden Werkzeugbelastung, aus der ein Werkzeugbruch resultieren kann. Um ein derartiges Werkzeugversagen zu vermeiden, sollte ein Walzübermaß von maximal 0,15 mm verwendet werden, um die Rohrinnenoberfläche zu verfestigen (Bild 9 und 10).

Schweißnaht in den Titanrohren durch das Walzen komplett geglättet

Das primäre Ziel der durchgeführten Arbeiten war die Optimierung der Rohrinnenoberfläche der im Luftfahrbereich aktuell verwendeten Titanrohre. Diese sind mit einer Schweißnaht ausgeführt, die aufgrund der rauen Oberfläche oftmals den Ausgangspunkt für die Entstehung von Biofilmen bildet. Durch den Walzprozess sollte insbesondere diese Schweißnaht geglättet werden. In Bild 11 sind die Rauheit und das Gefüge der Rohrinnenoberfläche vor und nach dem Prozess dargestellt. Bei qualitativer Beurteilung ist zu erkennen, dass die Schweißnaht komplett festgewalzt wurde und vom übrigen Oberflächenprofil nicht mehr unterschieden werden kann.

Auch die generelle Oberflächenbeschaffenheit wird durch den Walzprozess bei qualitativer Beurteilung verbessert. In den weißlichtmikroskopischen Bildern ist allerdings zu erkennen, dass auf der glatten Oberfläche leichte Aufschmierungen vorliegen. Diese verschlechtern das Prozessergebnis, wodurch die Rauheit insgesamt auf einem vergleichbaren Niveau wie im Ausgangszustand liegt. Darüber hinaus konnte durch den Prozess eine Veränderung des Gefüges bewirkt werden. Das verhältnismäßig grobkörnige Gefüge wird durch das Walzen wesentlich feiner. Dies ist ein Anzeichen für eine Erhöhung der Festigkeit.

Festwalzen der Rohre verbessert auch die mechanischen Eigenschaften

Die bereits beschriebene Veränderung der Gefügestruktur geht auch mit einer Veränderung der mechanischen Eigenschaften einher. Durch den Festwalzprozess werden Druckeigenspannungen in die Oberfläche eingebracht. Dadurch wird die Dauerfestigkeit der bearbeiteten Komponente erhöht [3]. Die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften wird an dieser Stelle anhand der Zunahme der Mikrohärte bewertet. Die Verfestigung der Randzone bei den Titanrohren ist in Bild 12 dargestellt.

Die Härte wird durch das Festwalzen im Randbereich erhöht. Die Zunahme beträgt im Vergleich zum Ausgangszustand 32 %. Aufgrund der geringen Wandstärke nimmt die Härte des Titanwerkstoffes über die gesamte Wanddicke zu.

Neben dem Festwalzen unbeschichteter Rohre wurde auch das Festwalzen beschichteter Rohre analysiert. Hierbei kam ein Sonderwerkzeug, bei dem die Walzkörper hydrostatisch ausgesteuert werden, zum Einsatz. Bei der Beschichtung handelt es sich um eine sehr duktile Silberbeschichtung, die sehr leicht zu verformen ist. Aufgrund dessen ist die Festwalzkraft entsprechend gering zu wählen. In Voruntersuchungen zum Außenfestwalzen konnte eine Festwalzkraft von 150 N als zielführend herausgestellt werden. Dies entspricht bei dem verwendeten Versuchsaufbau einem Druck an der Hochdruckpumpe von etwa 15 bar.

Rauheit der galvanisch aufgebrachten Beschichtung durch das Festwalzen verbessert

Das Prozessergebnis beim Festwalzen der Beschichtung ist in Bild 13 dargestellt. Mit dem Werkzeugkonzept ist eine Glättung der innen aufgebrachten Beschichtung möglich. Im Ausgangszustand weist die galvanisch aufgebrachte Beschichtung eine relativ schlechte Rauheit auf. Durch den Walzprozess wird die Schichtoberfläche geglättet. Die Beständigkeit bei einer abrasiven Belastung wird erhöht.

Fazit: Im Rahmen der Arbeiten konnte ein Versuchsaufbau zum Festwalzen dünnwandiger Rohre entwickelt werden. Mit angepassten Spannaufsätzen und einer geschlitzten Ummantelung wurde eine Vorrichtung geschaffen, mit der es möglich ist, die Rohre im Abwassersystem von Flugzeugen mit einer Wandstärke von 0,7 mm festzuwalzen. Hierbei konnte bei den geschweißten Titanrohren die Schweißnaht, an der sich aufgrund der rauen Oberfläche bevorzugt Biofilme bilden, komplett geglättet werden. Darüber hinaus konnte die Oberfläche der Rohre aufgehärtet werden, was mit einer höheren Beständigkeit einhergeht. Neben den unbeschichteten Titanrohren wurden auch beschichtete Rohre erfolgreich festgewalzt. Hierbei konnte die Schicht mit Hilfe eines innovativen Werkzeugkonzeptes geglättet werden, wodurch die Beständigkeit gegen eine abrasive Belastung erhöht wird.

Literatur

  • [2] Landau, Prof. U. (2013): AGXX – Eine nachhaltige Lösung für die Entkeimung wässriger Lösungen, in: Galvanotechnik (11/2013), S. 2169 - 2184.
  • [3] Broszeit, E.; Steindorf, H.: Mechanische Oberflächenbehandlung - Festwalzen, Kugelstrahlen, Sonderverfahren. DGM-Informationsgesellschaft, Oberursel (1990)

* Prof. Dr.-Ing Dirk Biermann ist Leiter des Instituts für Spanende Fertigung der Technischen Universität in 44227 Dortmund, Dipl.-Ing. Hendrik Abrahams und Dipl.-Ing. Moritz Fuß sind dort wissenschaftliche Mitarbeiter. Die Autoren danken der Europäischen Union und dem Land Nordrhein-Westfalen für die finanzielle Förderung des Verbundprojektes „Nemako – Neue Materialien zur Korrosionsvorbeugung in der Luftfahrt“. Darüber hinaus geht ein Dank an die Largentec Vertriebs GmbH, Berlin für die AGXX-Beschichtung der Versuchskörper sowie das eingebrachte Know-how.

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